推荐 | “静园物理计算研究室”知乎专栏创刊号：图形学中的物理计算

关键词：计算机图形学 物理计算

编者按

计算机图形学是关于图形生成的科学，所生成的图形可以是一个虚拟的世界，如电影特效中高度逼真的数字化人物和场景；也可以是真实世界的数字化再现，如数字城市、数字社区等。要构建一个逼真的图形世界，一个核心要素便是对万事万物的物理建模与仿真计算：通过光学模拟实现渲染绘制，通过力学仿真实现烟雾、流水与物体碰撞等越来越复杂的自然现象。生动逼真的图形表象之下，是严谨而又极具创意的物理模型设计与计算。 

除了在传统的影视游戏与创作设计等方面的应用，由物理计算所驱动的计算机图形学，正在构成未来人工智能发展的重要基础。首先，物理规则的理解是人工智能的重要组成部分；其次，符合现实世界物理特性的数字场景，越来越代替现实场景成为智能学习与训练的主要手段，从而大大加快了人工智能推进的进程。

物理计算自然地体现了物理与计算两个学科的交叉，往往让计算机专业的同学望而却步。欣慰的是，本研究小组中越来越多的同学表现出对物理计算的浓厚兴趣和特长。由倪星宇同学（图灵班16级）牵头开辟知乎专栏，介绍自然现象背后的物理模型（“从现象到本质”），解读图形产品背后的科研成果（“从科研到科普”），讲述该领域的前沿进展与发展历史（“从正史到八卦”），旨在与共同爱好者切磋交流，并鼓励更多同学参与进来。

物理计算组是北大可视计算与学习实验室的物理大脑，地标北大静园。

祝贺“静园物理计算研究室”知乎专栏创刊！

——陈宝权

于静园

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静园物理计算研究室

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处理器是人类文明的掌上明珠，它来源于不起眼的沙粒，刻蚀在纳米级的尺度，为每一台手机和电脑提供着每秒数十亿次的运算。生活在21世纪的我们有幸见证着集成电路工艺的迅猛发展，也有幸去思考：拥有着几千年来的祖辈无法想象的算力的我们，能够在这数与电铸就的世界里实现些什么、创造些什么。

在这种种的想法当中，也许没有哪一条比在虚拟的时空中重建我们的物理世界更令人着迷。无论你是否曾听说过计算机图形学，都一定在生活里间接或直接地享受着它的成果——医疗、科研、军事演习、工业设计，以假乱真的电影特效、光影绚烂的游戏场景……凡此种种，都离不开图形学，离不开隐藏在一套套成熟框架的背后，对物理原理的研究、建模与求解。

《战地1942》，发行于2002年

《战地5》，发行于2018年

上面的两张截图分别来自美国艺电公司（Electronic Arts）发行的著名第一人称射击系列游戏《战地》（Battlefield）的第一款与最新款作品，它们在发行的当年均是当之无愧的“显卡杀手”，代表了该年份实时计算机图形学技术的最高水平。短短十六年，游戏中的画面质量取得了飞速的提升。

将一个个输入的具有不同材质的几何体组织在一起，在光照的作用下根据光学原理附加上颜色、倒影、高光、阴影等效果并输出图像，这样的过程称为渲染（rendering）。或许你曾在各种大型 3D 游戏的画面配置里见过这些名词：抗锯齿（常见选项有 MSAA、FXAA 等）、各向异性过滤、环境光吸收、三重缓冲、垂直同步、着色器、纹理、实时光线追踪……不用怀疑，以上所有都来自于不同的渲染环节和渲染技术。它们，是使游戏与电影特效的画面越来越逼真的基石。你是否也曾疑问，这些环节是如何工作的，这些技术分别能实现什么样的效果，未来的渲染又有怎样的发展方向？

动物毛皮的真实感渲染，闫令琪等，An Efficient and Practical Near and Far Field Fur Reflectance Model，SIGGRAPH 2017

渲染的基础是动画生成（animation），我们常说的“真实”除了看起来像那么回事儿以外，自然还有运动起来也要符合物理规律的要求。这一环节大体上可分为两个研究方向，即角色动画的生成和基于物理模拟的动画生成。所谓物理模拟（physical simulation），传统上指用计算机离散化并求解物理方程，以预测流体、刚体、弹性体的运动轨迹，处理不同物体之间的接触、碰撞等相互作用。近年来，随着计算能力的提升和工业发展的需要，学术界也开始越来越多的关注到声音、温度、电磁场等其它物理系统。从分子结构到宇宙浩瀚，从弹指一瞬到一眼万年，今天的物理模拟正在跨度达几十个数量级的层次上齐头并进，它的发展会有边界吗？我们能否对迥异的物理系统们开发出统一的、高效的模拟框架？

表面张力现象模拟，朱博等，Codimensional Surface Tension Flow on Simplicial Complexes，SIGGRAPH 2014

连续介质模拟，胡渊明等，A Moving Least Squares Material Point Method with Displacement Discontinuity and Two-Way Rigid Body Coupling，SIGGRAPH 2018

高精度烟雾模拟，屈子吟、张心欣、高明、蒋陈凡夫、陈宝权，Efficient and Conservative Fluids with Bidirectional Mapping，SIGGRAPH 2019

以上的所有问题，也许我们无法给出一个完美的解释。但是，我们愿尽自己所能，尝试用通俗的语言作出我们的回答。这几天，一条关于《哪吒》、《大圣归来》在技术上是否已经达到美国迪士尼 / 梦工厂水平的问题[1]被顶上了知乎热榜，许多从业者或多或少地给热情的吃瓜群众们泼了一盆“冷水”。

诚如高赞答主张心欣老师[2]所言，在图形学的相关产业，我国的发展水平依然相对较低。从硬件到软件，我们缺乏的是基础性知识与工具的积累，而万丈高楼却必须从平地建起。今天的中国，正在以前所未有的胸怀拥抱着世界；因而今天的我们，也正该站在最前沿的视角，以领略与创造人类文明的风采。从隐藏在种种高新技术最底层的物理计算开始，或能起到窥一斑而知全豹的作用。

从现象到本质，从科研到科普，从正史到八卦。这里，有关于图形学与物理计算的一切。

注解

[1] https://www.zhihu.com/question/389058916

[2] https://www.zhihu.com/people/zhang-xin-xin-92-11

图文 | 倪星宇

Visual Computing and Learning (VCL)

可视计算与学习实验室

Visual Computing and Learning

可视计算与学习实验室隶属北京大学前沿计算研究中心，在陈宝权教授带领下，围绕图形学、三维视觉、可视化及机器人等领域展开科学研究，坚持跨学科前沿技术探索、视觉艺术和技术融合两条主线，长期与顶级国际团队深度合作，并积极进行产业化实践与推广。

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