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三屆奧斯卡獎得主Jos Stam博士分享電腦繪圖30年之工作歷程與虛擬影像工業的技術和創意!演講會現場直擊!
文.圖/Johan 2019-12-14 20:54:34
近30年來,電腦繪圖(CG)技術的進步神速,從最早簡單的點陣構圖,到栩栩如生的真實照片等級畫質,如今更將邁向沉浸式的虛擬實境。因此,電腦繪圖技術的發展猶如在創造一種境界,讓人體驗到如同真實世界那樣的逼真感,令人流連忘返。
然由於電腦繪圖牽扯到許多技術,尤其以電腦動畫來說,要模擬出真實世界的各種物理現象,不僅要應用到各種數學(Mathematics)公式、透過程式碼(Coding),並搭配藝術美學(Art)天份,來創造出那種逼真的場景。因此該業界必須融合各方面的知識,來打造出令人wow (讚嘆)的繪製成果。
而這個部份,Jos Stam博士正是這方面的佼佼者,他揉合了美學、數學與程式碼等,將物理世界中的粒子、時空、雲霧、烽火、浪花、行雲與流水,甚至大規模生物群體的律動,得以在虛擬世界中重現與昇華,您所用的Maya軟體所用到流體力學特效,就是他的傑作。由於運用到上述的特點,使他成為3屆奧斯卡科技成就獎與電腦繪圖界最高殊榮ACM SIGGRAPH成就獎得主。他的成就亦是當今全球電影、動畫、電競、VR、AR 與 XR 產業蓬勃發展的重要基石。
如今GPU的發展已邁向AI世代,透過各種機器學習(Machine Learning),可以做到以往做不到,或是需要許多時間才能完成的事情。包括照片分類/辨識,以及自駕車等….數不清的各式應用。除此之外,Jos Stam博士讚許GAN(生成式對抗網路)應用,尤其像是NVIDIA推出的GauGAN應用,就能幫助美術從業人員更獲得到創意的發揮,成就出無限想像空間的作品。
NVIDIA推出的GauGAN人工智慧藝術工具,幫助美術人員為其想像力添加色彩
至於AI將如何影響到未來影業的發展,Jos Stam博士一語道破,就是將會創造出「數位人類」(Digital Human),亦即拍電影也不需要真人演員了。的確!你看現在的AI都已經能做到自動生成人臉(而這些人其實並不存在於真實世界),而未來等AI發展到越來越極致之後,就可以模擬出演員的各種動作。因此未來的爆破、激烈動作,根本不需要找替身,直接用AI來做就行了!看樣子,未來好萊塢A 咖演員(如小勞勃道尼)會不會因此而失業呢?就讓我們期待未來AI的演變吧!
同學們上課囉!以下的內容有些比較艱深專業,雖說Jos Stam博士已經很化繁為簡來說明了,但為免分心,請大家先關閉其他會影響你注意力的網頁,別聽音樂,關閉手機(?)。然後仔細慢慢看下去喔!
早在1858年就有立體3D技術,以紅藍眼鏡呈現3D影像。隨後1965年Ivan Sutherland推出了第一個VR HMD (也太複雜了),直到1987年Jaron Lanier發明VR一詞,並推出這樣的HMD之後,VR一詞流行之今,而近年(2016)已經發展到像是Oculus Rift推出這樣輕盈的VR HMD了
接著來探討一下:電腦運算力。以前摩爾定律,是電腦效能隨著時間的演進,以Log (對數)的樣貌在提升其效能 (FLOPS, 每秒浮點運算次數)。但對於電腦繪圖領域來說,他們其實才不管電腦效能多強,他們在意的就是Blinn定律所表示的圖,亦即一家動畫工作室為動畫的一張圖投入10小時的運算時間,那麼10年之後隨著三角形數量的提升,繪製/模擬的圖像也越來越逼真,但運算一張圖仍需要投入10小時,不管處理器有大的提升。
以逼真程度來看,橫軸是時間或三角形數量,縱軸是現實抽象比。紅線的左邊都是比較偏抽象/卡通的圖像,右邊則是比較偏向現實/擬真的圖像。以前1978年代的圖不是點陣圖,就是解析度低的照片,隨著三角形數量的提升,2000年的Final Fantasy遊戲已經可以繪製到令人驚嘆的效果,2004年則更逼真,隨著時間演進,到2010年阿凡達讓視覺效果更上一層樓。直到如今(2018)的技術,可以做到真人表現即時模擬/繪製的程度。有興趣的讀者可以參考這裡。
正因為大腦是可塑的。麥迪遜大學神經學家Paul Bach-y-Rita博士推出了觸覺視覺替代系統,以治療失明。根據他的研究,人腦可處理來自指尖接觸的觸覺訊息,並轉化為可視化訊息。因此盲人也可像普通人那樣通過觸摸的方式,或是背部振動的方式,來「看見」各種藝術作品,並在腦海中「重建」這個畫面
因為上述的理論,讓Jos Stam博士於2006年與2019年榮獲美國影藝學院所頒發的奧斯卡科技成就獎(2019年的共同獲獎人為皮克斯工作室總裁Ed Catmull、資深科學家兼研發主管Tony DeRose)
就預測了未來的顯示器、人機互動模式,包含了柵格顯示、非均勻有理B樣條、樣條函數、虛擬實境(VR)、滑鼠、軌跡板、觸控螢幕、全球定位系統(GPS)、加速度計、眼球追蹤、力回饋、擴增實境(AR)…等等,您看看這些到現在是不是幾乎現在都一一實現了…
所以,從右邊看過來,第一個是RS (真實空間),而電腦的螢幕可以創造出VS (虛擬空間)讓人類看到裡面的世界,再過來是透過身體所感受到的SS(感知空間,外界),最左邊的則是腦中所呈現出來的PS (感知空間,腦內)。
Jos Stam博士說明影像/空間再生的4個步驟,從上至下:(1) 真實空間的反射(即鏡射像)就是真實空間與透過鏡子裡的虛擬空間,傳遞到人的感知神經與腦裡所呈現的影像。(2) 加料變化的真實影像(如AR),就是真實空間加上虛擬空間的物件,所累加之後,所投射並傳遞到人的感知神經與腦裡所呈現的影像。(3) 虛構的真實世界(如VR),就是真實世界透過電腦重新編碼並建構出來的虛擬空間,再投射並傳遞到人的感知神經與腦裡所呈現的影像。(4) 擬像,就是電腦直接模擬的虛擬世界,再投射並傳遞到人的感知神經與腦裡所呈現的影像
若看不太懂?好吧!Jos Stam博士就拿「錢」來做比喻。以前是以物易物時代,後來人們覺得麻煩,進化到以金塊來買東西,但金塊太重,後來改用鈔票來進行交易,如今隨著電腦與網路科技的普及,現在更進化到以網路銀行與虛擬貨幣來進行交易。雖說實體金錢已經看不到了,但透過電腦的「再生」與認證,讓虛擬的金錢也等同於真實世界金錢那樣具有同等效力!
所以說,真實的物件,可以透過擬像來將其虛擬化。而虛擬化之後,人們可以視這個產物為真實2.0,而這個再虛擬化之後,就又變成了真實3.0,如此類推。聽不太懂嗎?筆者簡單舉例,您在現場看的演唱會是真實1.0,那麼這個真實的現場狀況,透過攝影機的拍攝,將真實立體世界變成平面影片呈現在您電視上的畫面,讓觀眾看到,這個就可以是視為真實2.0;另外,若您現在用的電腦是若是真實1.0,那麼虛擬機(Virtual Machine)就可以視為真實2.0… 依此類推
30年的智慧累積結晶,現在讀者只要在這篇文章花30分鐘不到,相信可以有所收穫吧?以上就是本次NVIDIA電腦繪圖資深科學家Jos Stam博士,在台大的「電腦繪圖30年:從開天闢地到奧斯卡獎的旅程」演講會現場直擊。謝謝收看!下課囉!
然由於電腦繪圖牽扯到許多技術,尤其以電腦動畫來說,要模擬出真實世界的各種物理現象,不僅要應用到各種數學(Mathematics)公式、透過程式碼(Coding),並搭配藝術美學(Art)天份,來創造出那種逼真的場景。因此該業界必須融合各方面的知識,來打造出令人wow (讚嘆)的繪製成果。
而這個部份,Jos Stam博士正是這方面的佼佼者,他揉合了美學、數學與程式碼等,將物理世界中的粒子、時空、雲霧、烽火、浪花、行雲與流水,甚至大規模生物群體的律動,得以在虛擬世界中重現與昇華,您所用的Maya軟體所用到流體力學特效,就是他的傑作。由於運用到上述的特點,使他成為3屆奧斯卡科技成就獎與電腦繪圖界最高殊榮ACM SIGGRAPH成就獎得主。他的成就亦是當今全球電影、動畫、電競、VR、AR 與 XR 產業蓬勃發展的重要基石。
電腦繪圖的未來發展,AI將成為重要的角色
由於30年多前,電腦繪圖只是簡單的點陣圖,在經過軟硬體的改良與進步之下,帶動顯示的解析度與色彩深度提升,讓電腦影像越來越逼真,然由於CPU的發展如今已然到達瓶頸,到了近10多年來的電腦繪圖正式進入3D世代,GPU的發展更是一日千里,促進電腦繪圖工業達到更高的層次,當今不管是CG、3D模型繪製,或是一般大眾每天在玩的3D遊戲,都是需要應用到GPU的硬體加速技術,讓複雜的美學+數學+程式碼得以在極短的時間內,在電腦螢幕上生成逼真的畫面,賦予使用者視覺上的震撼。如今GPU的發展已邁向AI世代,透過各種機器學習(Machine Learning),可以做到以往做不到,或是需要許多時間才能完成的事情。包括照片分類/辨識,以及自駕車等….數不清的各式應用。除此之外,Jos Stam博士讚許GAN(生成式對抗網路)應用,尤其像是NVIDIA推出的GauGAN應用,就能幫助美術從業人員更獲得到創意的發揮,成就出無限想像空間的作品。
NVIDIA推出的GauGAN人工智慧藝術工具,幫助美術人員為其想像力添加色彩
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享電腦繪圖30年的工作歷程與應用到技術和創意,演講會現場直擊!
Jos Stam博士如今也是NVIDIA電腦繪圖資深科學家,這次應SIGGRAPH Asia 邀請來台,在12/13的台大場次,分享他在電腦繪圖30年的工作歷程與虛擬影像工業的技術和創意。PCDIY!也在演講會現場直擊!由於演講內容部份牽扯到複雜的技術原理,以下就投影片的部份進行重點簡述。(圖超多,慎入!)同學們上課囉!以下的內容有些比較艱深專業,雖說Jos Stam博士已經很化繁為簡來說明了,但為免分心,請大家先關閉其他會影響你注意力的網頁,別聽音樂,關閉手機(?)。然後仔細慢慢看下去喔!
前言




正式課程開始:流體現象怎麼用電腦繪製出來
前面花了那麼多時間,就是在說明人類如何定義圖像的意義!接下來的部份,就是Jos Stam博士分享自己的研究心得。
向上或向下離散:核物體與動態
接下來是一些Jos Stam博士運用世間的各種事物之離散現象,來做不同的聯想與試驗,以找出爆開或是內部緊縮現象的公式,並應用在其作品上。見山還是山?! 未來的顯示技術,會走到什麼樣的境界?
由於前面有講到,人類對於物件與空間的感知,不一定是要靠眼睛才看得到。因此接下來,Jos Stam博士開始將觸角衍生到哲理部份,來說明圖素、空間、虛擬與真實之間的呈現效果。




30年的智慧累積結晶,現在讀者只要在這篇文章花30分鐘不到,相信可以有所收穫吧?以上就是本次NVIDIA電腦繪圖資深科學家Jos Stam博士,在台大的「電腦繪圖30年:從開天闢地到奧斯卡獎的旅程」演講會現場直擊。謝謝收看!下課囉!
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