計算機圖形學2.0階段，我們在做什麼？

搭建與國際先進影像技術對接的橋樑

—— 2017北京國際先進影像大會暨展覽會論壇回顧

周 昆

未來影像高精尖創新中心科技委員會委員

浙江大學計算機輔助設計與圖形學

國家重點實驗室主任

計算機圖形學講的是用計算機生成影像、圖像，在計算機圖形學研究領域裡主要研究三部分內容，即造型（Modeling）、動畫（Animation）和透視（Rendring）。在計算機圖形學2.0階段，研究者會做很多軟體和工具，直接給普通人使用。接下來我想舉幾個例子說明計算機圖形學2.0的研究階段，我們在做什麼事情。

首先，我們談談數字化身（Digital Avatar）。先是解決臉的問題，使用一個幾百塊錢的普通Web攝像頭，任何進入它視線內的臉部就可以被看到，而且可以實時算出來，知道到底在做什麼表情，把這些表情、運動的參數做在任意的化身上面，這樣可以實時生成動畫。我們希望其應用範圍不只是在電影工作室、動畫工作室，而是在任意環境，特別是在移動手機上。頭髮的建模在CG裡面是非常困難的事情。我們直接從圖像里，特別是單幅圖像里用機器學習的方法，把每一根髮絲計算出來，而且頭髮是360度可以轉的，不只有正面的部分。除了建模靜態的頭髮之外，我們還需要做動態的東西，頭髮的動力學也是需要做的。一個正常人的頭髮超過十萬根，十萬根以上的三維曲線在空間中的碰撞、摩擦、相互作用需要非常耗時的操作，所以我們在插件裡面設計了一個演算法，可以做實時頭髮運動的結算。最終我們把臉跟頭髮合在一起就可以做出動態的建模。

其次，是智能製造（Computational Fabrication），即怎麼把數字化的模型變成實物。傳統的水轉印可以做的有大理石的紋路、迷彩服等，因為其花紋是重複性的，顏色在哪裡看都差不多；但是眼睛、嘴唇的紋理傳統水轉印就做不了，因為是不能錯位的，一旦錯位就不對了。所以我們在2015年做了計算水轉印，用計算機對正極水轉印過程進行精確的計算和控制。整個過程首先是輸入一個數字化模型，用單色印表機就可以做一個豎模。我們做了一個演算法可以模擬三維模型，當浸到水裡時，水轉印膜上的圖案是怎樣貼到或者附著在物體表面上的，是有計算的。計算之後就知道水轉印上的每個點跟三維物體表面每個點的對應關係，有了對應關係映射後就可以把數字化模型上的顏色映射到水轉印膜上，就知道轉印膜到底應該是怎樣的圖案。算出這個圖案以後直接送到二維噴墨印表機上列印出來，這樣就得到有圖案的水轉印膜。然後再把有圖案的水轉印膜連同豎膜一起送到我們自製的設備里，最後得到一個帶顏色的真實物體。

虛擬現實影像主題論壇現場

我們做的模擬東西，看上去像棋盤格的格子就是水轉印膜。當面具浸到水裡去的時候，從水底下往上面看棋盤格會形變，形變之後就可以把映射算出來。這張膜列印之後就可以執行水轉印的過程，噴活化劑加速溶於水的過程，有一個電機控制它往水裡浸，浸入後顏料包裹在表面上，最終製作出上完色的物體。簡單的物體做一次就夠了，複雜物體怎麼辦，如果全身360度上色怎麼辦？這個需要多次水轉印，一次肯定不夠。比如一個豹子的模型需要做三次，每次上色不同的部位。不同部位之間會有一些重疊怎麼辦？需要通過計算將其真正接在一起，這是靠精度計算達到的。

舉這些例子是想說明，我們做的很多事情從本質上來講是希望做一些工具、軟體、演算法，使計算機圖形學 2.0 不僅為電影、遊戲、AR、VR、移動應用、3D列印相關人員等使用，而且能夠滿足普通用戶的使用需求。

刊於《藝術教育》2018年1月下（總第318期）

版面編輯：曹 寧

微信編輯：謝蘭鳳

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