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| 本文作者： 老王 | 2016-11-15 16:53 | 專題：微軟亞洲研究院院友會 |
編者按：昨日，周昆教授在微軟亞洲研究院院友會中，結(jié)合自己在該領(lǐng)域多年來的研究經(jīng)驗(yàn)，提出計算機(jī)圖形學(xué) 2.0 的概念，闡明了計算機(jī)圖形學(xué)的用戶從專業(yè)人員轉(zhuǎn)變成了普通大眾，即從 1.0 時代演化到 2.0 時代。然后，他從三個自身的研究案例：人物發(fā)型重建、人臉追蹤與動畫、計算制造（3D打印），詮釋了 2.0 的概念。報告最后，周教授從三個方面總結(jié)了圖形學(xué)的變化。
周昆教授，博士生導(dǎo)師，教育部長江學(xué)者特聘教授，國家杰出青年科學(xué)基金獲得者，國際電氣電子工程師協(xié)會會士（IEEE Fellow）。2002 至 2008 年就職于微軟亞洲研究院，2008年全職回到浙江大學(xué)工作。研究領(lǐng)域包括計算機(jī)圖形學(xué)、人機(jī)交互、虛擬現(xiàn)實(shí)和并行計算。近年來在 ACM/IEEE Transactions 上發(fā)表論文 70 余篇，獲得美國發(fā)明專利 30 余項。。曾獲得2010年中國計算機(jī)圖形學(xué)杰出獎、2011 年中國青年科技獎、2011 年麻省理工學(xué)院《技術(shù)評論》全球杰出青年創(chuàng)新人物獎 （MIT TR35 Award）、2013年國家自然科學(xué)二等獎、2016年陳嘉庚青年科學(xué)獎（信息技術(shù)科學(xué)獎）。
一提到計算機(jī)圖形學(xué)應(yīng)用到的場景，人們首先想到的是電影和游戲。正如每個玩過電腦游戲的人有這樣一個想法：怎樣讓計算機(jī)生成如現(xiàn)實(shí)世界般栩栩如生的圖像。
周昆博士指出，以電影和游戲?yàn)榇淼膴蕵樊a(chǎn)業(yè)，計算機(jī)圖形學(xué)在其中應(yīng)用可總結(jié)為三點(diǎn)：建模、做成動畫、渲染。
先在計算機(jī)中把三維物體建模出來，然后再讓它變?yōu)閯討B(tài)（動畫），最后把物體或者動畫渲染成圖片或電影。
計算機(jī)圖形研究人員們最終做出來的技術(shù)和軟件（類似 3D Max 和 MAYA）多供游戲和電影工作者使用，這些人利用圖形工具制作出優(yōu)秀的電影和游戲作品。然而大多數(shù)普通用戶幾乎沒有機(jī)會使用這些產(chǎn)品進(jìn)行創(chuàng)作。
因此周昆提出一個設(shè)想，計算機(jī)圖形學(xué) 2.0 不僅只為電影、游戲、AR，VR，移動應(yīng)用、3D 打印相關(guān)工作人員使用，而且能夠滿足新應(yīng)用的需求，使得普通用戶也能使用。
正如 Web 1.0 時代網(wǎng)絡(luò)上的內(nèi)容由編輯撰寫，而 Web 2.0 則是 UGC 時代，用戶開始深入?yún)⑴c內(nèi)容的產(chǎn)出。周昆博士希望計算機(jī)圖形學(xué) 2.0 從用戶角度講變?yōu)槿巳丝蓞⑴c、可進(jìn)行創(chuàng)造的時代。
隨后周昆教授著重講述了最近五年他在探索計算圖形學(xué) 2.0 時做的研究，主要專注兩個方向的研究：
數(shù)字化身（digital avatar）
計算制造（computational fabrication）
目前數(shù)字化身的研究主要集中在人臉上，周昆團(tuán)隊希望用普通的相機(jī)就能人臉進(jìn)行追蹤和捕捉。當(dāng)然，這個方向的研究，計算機(jī)圖形學(xué)和計算機(jī)視覺已經(jīng)做了很多年，研究主要集中在追蹤效果和抓取方式，以及兩者是否能達(dá)到一個較好的妥協(xié)標(biāo)準(zhǔn)。雖然這些技術(shù)早已開始應(yīng)用，但多為提供給專業(yè)人士使用的專業(yè)級產(chǎn)品。
周昆博士的設(shè)想是希望把這些技術(shù)應(yīng)用在普通用戶經(jīng)常使用的移動終端和移動設(shè)備中，尤其是 VR 和 AR：普通人用普通的攝像頭就能把人臉捕捉到，然后繼續(xù)捕捉到表情，把表情抽取出來去應(yīng)用在任意一個化身當(dāng)中。
他們目前正在做的是，任意一個人進(jìn)入相機(jī)視場中，他的人臉就會被捕捉到，他臉部 3D 數(shù)據(jù)隨之被計算而出，然后定制到任意的化身上來。這當(dāng)中需要應(yīng)對三大挑戰(zhàn)：
惡劣的環(huán)境：如光線陰暗的網(wǎng)吧、戶外環(huán)境下陽光直射造成陰陽臉，這些環(huán)境均是對算法的執(zhí)行有著較大的干擾。
計算性能問題：捕捉工具應(yīng)用在移動設(shè)備中對計算性能要求較高，目前周昆博士的團(tuán)隊可在 iPhone上達(dá)到每一幀 10 毫秒，安卓平臺上小米三每幀 20毫秒。
對存儲的要求：因?yàn)樗荒芊旁诙松嫌嬎悖荒芊旁谠贫耍旁谠贫舜嬖谝曨l帶寬的問題。
頭發(fā)模擬是數(shù)字化身中的一個巨大難題，通常利用計算機(jī)圖形學(xué)和計算機(jī)視覺的方式做頭發(fā)非常困難，而且需要在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，布置一定數(shù)量的相機(jī)，設(shè)置好特定的光照，抓取不同狀態(tài)的 60 張的圖像，根據(jù)照片中頭發(fā)的特征，把 3D 頭發(fā)重建出來。
周昆教授研究一項全新的單一視圖發(fā)型模擬技術(shù)，在只有適度用戶交互的情況下，生成在視覺上和物理上均表現(xiàn)合理的 3D 頭發(fā)模型，以此創(chuàng)建的頭發(fā)模型可以形象地匹配原始輸入圖像。
這是他們今年工作的重點(diǎn)，利用一張照片即可模擬頭發(fā)：先利用深度學(xué)習(xí)為頭發(fā)設(shè)計一個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，然后做出發(fā)絲建模，并計算出發(fā)絲朝向的預(yù)測，最終把頭發(fā)的 3D 形狀重建。
上述提到的是頭發(fā)建模問題，而如何把頭發(fā)做成動態(tài)這又是一個新的挑戰(zhàn)：
在現(xiàn)實(shí)世界中，頭發(fā)的一點(diǎn)點(diǎn)變動都意味著發(fā)絲之間遮擋關(guān)系的變化：一些原來看不到的發(fā)絲暴露出來，另一些原先可見的發(fā)絲被遮擋住和交叉等問題。而在圖像中，這種變化是無法用傳統(tǒng)的基于像素操作的圖像編輯工具實(shí)現(xiàn)的。
周昆博士提到，他們在 2014 年做出來的解決方案比當(dāng)時最好的方法快過三個數(shù)量級，模擬 15 萬根頭發(fā)可以做到每幀 45 多毫秒。目前數(shù)字化身更多應(yīng)用在臉部和頭發(fā)上，未來還將繼續(xù)涉及到身體、衣服等組成部分中，以至于達(dá)到把人“復(fù)制”出來，也就是數(shù)字替身（Digital Double）。
周昆博士指出，上述提到的研究是把物理的形狀數(shù)字化 3D 化，而計算機(jī)圖形 2.0 需要做的事情是把數(shù)字模型物理化，從而制造出新的東西。
把 3D 模型應(yīng)用在工業(yè)制造領(lǐng)域，有些人會提到說用 3D 打印，但其實(shí) 3D 打印在復(fù)雜形狀物體打印中表現(xiàn)不錯，但要打印出具有復(fù)雜圖案的全彩色三維物體仍然相當(dāng)困難，這其中存在的巨大問題就是它對顏色的支持很弱，著色效果遠(yuǎn)不如二維彩打，而且價格昂貴。另外還受限于塑料和石膏等極少的材料。
環(huán)顧整個傳統(tǒng)制造業(yè)，至今都沒有一個很好的方式給 3D 曲面上色。以瓷器生產(chǎn)為例，瓷器的其他工藝自動化已非常成熟，唯獨(dú)在上色和貼花方面仍舊保持著最原始傳統(tǒng)的方式。
“我們希望能通過計算手段，去解決三維打印生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的瓶頸問題，讓原來很困難的事情變得簡單。”周昆說。
為此，周昆團(tuán)隊提出了全新的計算水轉(zhuǎn)印技術(shù)，解決為三維物體進(jìn)行精確上色的難題。水轉(zhuǎn)印是當(dāng)前在工業(yè)上被廣泛應(yīng)用的曲面上色技術(shù)，但只能用于對精確性沒有要求的上色任務(wù)，比如迷彩、大理石等紋理。周昆團(tuán)隊通過計算機(jī)圖形學(xué)和計算機(jī)視覺技術(shù)，讓水轉(zhuǎn)印能夠‘瞄準(zhǔn)’，為三維物體穿上任意設(shè)計的彩色‘外衣’。
至于如何實(shí)現(xiàn)呢？這需要計算機(jī)將三維設(shè)計稿“降維”成一個二維的“展開圖”。他們先對水轉(zhuǎn)印過程中水轉(zhuǎn)印薄膜的形變進(jìn)行了物理建模，得到三維設(shè)計圖與膜上的每一個點(diǎn)的映射關(guān)系。在這一理論基礎(chǔ)上，開發(fā)出一套用于實(shí)際著色的自動原理樣機(jī)。
具體應(yīng)用層面，特效師在電腦上完成一張人臉 3D 紋樣設(shè)計后，周昆團(tuán)隊開發(fā)出的軟件根據(jù) 3D 紋樣后快速計算生成一個二維“展開圖”。隨后，普通噴墨打印機(jī)就打印出一張印有“展開圖”的水轉(zhuǎn)印薄膜。將薄膜放在靜止的水面上，將需要上色的人臉模型浸入水中，薄膜即可包裹住人臉模型。通俗講，這像是一種完美精確的自動‘貼膜’技術(shù)。
周昆提到這項技術(shù)的本質(zhì)是將三維數(shù)字化模型表面上的一個點(diǎn)，精確對應(yīng)到其物理模型表面上的點(diǎn)。有了這種從虛擬數(shù)字世界到物理世界的對應(yīng)關(guān)系，未來的技術(shù)開發(fā)將有更大的想象空間。著色，只是其中的一項應(yīng)用。
最后，周昆博士指出計算機(jī)圖形學(xué)從 1.0 升級到 2.0 的三大要素。
Input 在變：以往做的是點(diǎn)云和 MASH（MAYA 節(jié)點(diǎn)控制器插件），現(xiàn)在直接處理大量圖像和視頻中，以及從其他傳感器抓取到的信息。而且未來計算機(jī)圖形學(xué)和計算機(jī)視覺的結(jié)合將越來越緊密。
Output 在變：以往輸出的均為數(shù)字圖像和模型，而現(xiàn)在不僅可得到數(shù)字圖像，也可把數(shù)字圖像和模型應(yīng)用在實(shí)體制造中，生產(chǎn)出實(shí)體物體。
應(yīng)用場景在變：從電影和游戲場景這兩大應(yīng)用場景延伸到 VR、AR、移動應(yīng)用以及3D打印中。
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