计算机“造物”:更快、更精、更准

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摘要:“远看山有色,近听水无声,春去花还在,人来鸟不惊。”这是古代诗人对于绘画能重现自然发出的赞叹。科技飞速发展的今天,二维世界的模拟与设计已不足为奇,人们希望利用计算

图片 1  “远看山有色,近听水无声,春去花还在,人来鸟不惊。”这是古代诗人对于绘画能重现自然发出的赞叹。科技飞速发展的今天,二维世界的模拟与设计已不足为奇,人们希望利用计算机技术,让各种形体复杂的对象在计算机中以三维的方式得以重现,并进行自由设计。无论数字影视娱乐产业,还是高精尖的汽车、飞机的制造产业都对此提出了重大需求。浙江大学计算机学院的鲍虎军教授说,这是计算机辅助设计和图形学领域的基本问题之一。三维建模技术在影视娱乐产业应用之初,只能完成简单的形体的建模和修改。而面对一个复杂的对象,传统的样条和网格曲面的分片拼接模式遇到了极大挑战,一个微小的修改,就会带来复杂的运算。设计师想要在计算机上快速自由“造物”,还是会很辛苦,受到很大制约。《阿凡达》、《纳尼亚传奇》中半人半兽的奇幻形象,都需要艺术家先“手造”一个泥模,再用激光扫描技术三维数字化。而每一个动作的形变,都需要设计师花费大量的时间精力。“实际上,这些模型堆积在数据库里越来越多,怎样来重用这些数据,高效地创造出新的模型,这是一个很重要的问题。三维激光扫描仪扫描出来的模型,通常表示为由一系列小三角形拼接而成的一张网,称之为网格曲面。如何用网格曲面来高效地构造出复杂的形体,是我们的课题之一。”鲍虎军说,课题组首次提出了网格曲面微分域几何计算理论和方法,克服了传统几何计算方法的缺陷,发明了一系列三维网格模型的交互编辑和处理技术,如此一来,数字影视娱乐产业的三维模型设计变得非常直观与方便,能达到“所见即所得”的效果。通过计算机演示,记者目睹了基于课题组发明的技术的一次“造物”历程:截下独角兽的角,胜利女神的翅膀、人体的上半身、马的身体和四肢,短短几秒钟之内,这些截下的三维模型经过变形,重新完成了拼装,形成了一个崭新的人面飞马。拼接天衣无缝,宛若天成。在另一段视频中,设计师尝试让一只恐龙走路,只要拖动恐龙的脚步,恐龙就会“听话”地迈出步伐。“对用户来说,可以不需要很多专业的知识,就可以快速设计出复杂的形体。编辑三维模型就如同我们眼下使用Photoshop等软件编辑图片一样简单上手。”鲍虎军说,不久的将来,随着三维激光扫描和3D打印技术的普及,老百姓就可以在家中实现自由的三维模型设计与制造。而在汽车、飞机制造等高端装备的工业实际,“高精度”是直接决定设计和制造效率的关键因素。“对于有精度要求高的工业设计和模拟仿真实际,我们需要改造原来的三角形网格,重新采样变成四边形网格。”鲍虎军介绍,课题组找到了一种高效的驻波函数优化重构方法,自动地将三角形网格曲面转化为四边形网格,进而迭代重建出光滑样条曲面。此外,课题组还解决了质量可控的参数化难题,提出了网格曲面之间尽可能刚性的参数化映射的优化构造方法,让三维模型在转换为二维的“拼图”过程中的误差控制在最小范围,实现了复杂景物的流形网格曲面的自由可控二维展开,为上述样条曲面的重构和景物表面的纹理装饰提供了所需的参数坐标。据了解,这项更快、更精、更准的“造物术”得到了18个国家地区学者的广泛引用,引领了国际网格曲面的微分域计算和逼近重构的研究热潮,形成了新的研究方向。8篇代表性论文共被他引 918 次 (SCI他引369次),20 篇核心论文共被他引 1656 次 (SCI他引638次) 。课题组应邀在ACM SIGGRAPH、PG、CAD等著名会议上作特邀报告,得到了国内外学者的高度评价,被认为创新解决了由微分坐标变化来保细节优化重建形变网格的难题,开辟了非多项式样条函数构造和局部可控迭代逼近的新范式,聪明、独特的优化方法,有效解决了参数映射误差的可控性问题。有关成果共 7 次在ACM SIGGRAPH、EG、ICCV等顶尖图形学、视觉学术会议上作为前沿报告和课程讲授,被近十所国际著名大学的图形学课程和讨论班指定为阅读和讨论文献。研究成果在数学理论与设计模拟等应用间架起了桥梁,丰富了几何计算理论,部分成果得到了成功应用。(文 周炜/摄影 卢绍庆)点击观看视频

记者:宦建新通讯员:单泠 周炜主任:鲍虎军时间:2008年9月1日地点:浙大紫金港校区CAD&CG国家重点实验室 ■编者按 这款衣服合我身吗?这套卧室装修方案好吗?这个设备在这种高温环境下能正常运转吗?通过计算机辅助设计与图形学专家的模拟,不仅可以在计算机模拟环境里事先做出判断,更能为产品提出优化设计方案。 21世纪的制造业已经走入“个性化定制”时代,以批量生产的成本、效率来生产多样性、个性化的定制产品是工业界一直以来的追求。要实现大批量定制,设计是关键。计算机辅助设计与图形学是一个多学科交叉的研究方向。它可以在产品设计过程中发挥巨大的作用,提高产品设计水平,改善产品质量,有效满足客户个性化需求。 近年来,随着网络数字媒体技术的发展以及图形硬件的快速进化,各种互动系统对动态图形的需求越来越强烈,如何实现动态场景的高真实感绘制已成为当前的一个研究热点。而计算机辅助设计与图形学研究领域的真实感图形绘制技术,主要研究方向正是如何在计算机中实现三维场景的高效、高质量绘制,最终目的是使计算机合成的图像达到“以假乱真”的效果。 我们围绕虚拟环境的高效建模与逼真表现这两个核心问题展开研究,在虚拟环境的几何/物理行为建模、大规模虚拟环境的实时绘制、视频式增强现实等方面取了重要进展。 记者:从1962年第一篇论文发表到现在,计算机辅助设计和计算机图形学经过近半个世纪的发展,已从当初的一个崭新分支到现在遍布制造业、科学计算、办公自动化和文化娱乐等各个领域的中兴学科。请您谈谈浙江大学CAD&CG国家重点实验室是在什么样的背景下建立的,是如何定位的? 鲍虎军:我国CAD和CG的研究工作大约是在上世纪七十年代初期开始的,1979年,浙大自筹资金,成立了跨计算机、数学和机械三系的实验室———“CAD/CAM中心”。八十年代初,在国外从事研究工作的梁友栋、石教英、潘云鹤、彭群生、汪国昭等一批教授先后回国,他们带来了世界上最前沿的信息和技术,在浙大积极开展CAD和图形学的国际前沿技术方向的研究,并建立起了一支高水平的研究队伍。经过多年的努力,于1989年得到了国家科委的批准,在浙江大学建立计算机辅助设计和图形学(CAD&CG)国家重点实验室。 计算机辅助设计与图形学是一个多学科交叉的研究方向。为了促进这种交叉,浙江大学一开始就支持实验室采取实体运作的方式,一批来自不同学科的学者全职在实验室从事教学科研工作。实验室的基本定位是:面向国家重大应用需求和本学科的发展趋势,紧密跟踪国际前沿,大力开展原始性创新研究及应用集成开发研究,力求在CAD&CG及其相关领域的基础理论与算法研究中有较大创新,并研发适合我国国情的各类应用系统,为国民经济和国防建设服务。我们的目标是将实验室建设成为具有国际影响的计算机辅助设计与图形学的研究基地、高层次人才培养的基地和学术交流的基地。 记者:您能从学科发展趋势和国家现实需求的角度,谈谈实验室是如何设置自己的研究方向的吗?近五年来有哪些代表性的成果? 鲍虎军:近年来我们的主要研究方向包括:计算机辅助设计、计算机图形学、虚拟现实技术和面向领域的可视计算与分析等。 实验室在曲线曲面的几何计算方面具有很强的研究实力,在过去的三十年中,我们在样条曲线曲面理论、算法及其应用方面取得了许多有影响的成果,部分成果曾于1991年荣获国家自然科学奖三等奖。自2000年以来,我们系统开展了以三角形网格曲面为代表的离散几何计算理论与算法方面的研究,在点云数据处理和网格曲面重建、流形网格曲面上的几何信号处理、微分域几何计算理论和方法、三角几何样条曲线曲面理论和方法等方面取得了重要突破,有效提高了网格曲面几何计算和设计效率。有关微分域几何计算方法的成果发表后,得到了国际学术界的高度评价和引用,目前已成为当前网格曲面编辑处理的主流方法,有力推动了网格曲面几何造型技术的发展。 又比如真实感图形绘制技术,它主要研究如何在计算机中实现三维场景的高效、高质量绘制,最终目的是使计算机合成的图像达到“以假乱真”的效果。一直以来,这项技术由于计算和制作成本高昂,难以应用普及。近年来,随着网络数字媒体技术的发展以及图形硬件的快速进化,各种互动系统对动态图形的需求越来越强烈,如何实现动态场景的高真实感绘制已成为当前的一个研究热点。我们实验室围绕这个问题,针对各种关键技术进行研究,在实时动态场景的逼真绘制技术方面取得了重要突破,得到了国内外同行的高度评价和引用。 虚拟现实是近年发展起来的前沿技术,它通过对视觉、听觉和触觉等感知信息的合成,营造出逼真的虚拟环境,并通过自然的交互和实时的响应,使用户产生身临其境的感觉。近年来,我们围绕虚拟环境的高效建模与逼真表现这两个核心问题展开研究,在虚拟环境的几何/物理行为建模、大规模虚拟环境的实时绘制、视频式增强现实等方面取得了重要进展,在国际顶尖学术会议和期刊上发表了一系列论文,得到了国际学术界的关注和引用。自主研发了虚拟场景的实时绘制引擎系统和能够适应多种硬件配置条件的、高性价比的虚拟现实硬件平台,并得到了成功的应用验证。 记者:在面向工业生产方面,实验室有哪些成果? 鲍虎军:在过去的二十年中,实验室在CAD基础软件和应用系统方面取得了丰硕的成果,研发了多个有影响的软件系统,得到了成功的推广应用,产生了很好的经济效益,曾先后五次荣获国家科技进步二等奖和三等奖。近年来,我们又在大批量定制和产品创新设计技术和系统等方面取得了重要突破,分别荣获国家科技进步二等奖。 21世纪的制造业已经走入“个性化定制”时代,以批量生产的成本、效率来生产多样性、个性化的定制产品是工业界一直以来的追求。要实现大批量定制,设计是关键,亟待解决的技术难题:如何获取客户模糊与个性化需求?如何根据客户个性化需求进行大批量定制配置设计?如何在配置设计的基础上进一步对大批量定制产品进行变型与递归设计?如何对变型设计的结果进行设计分析和评价?本实验室面向国产重要装备设计,提出了创新的大批量定制设计技术体系,取得了4项重要技术突破,成功地应用于杭州汽轮机股份有限公司、浙江巨人电梯有限公司等企业的产品设计与开发,对于推进企业自主创新起到了重要作用,“大批量定制的技术体系及其在国产重要装备设计中的应用研究”获国家科技进步二等奖。 我们还为产品创新进行计算机辅助设计技术与系统的研发。当代产品设计以创新为灵魂,依赖工业设计和工程设计的紧密结合。当今的计算机辅助产品设计系统已包括产品的造型、分析、计算、优化,辅助工程、辅助工艺规划与制造、质量控制等诸多内容,并从单用户、单功能型向多用户集成型发展。实验室紧紧围绕如何帮助设计师有效进行产品创新这一问题开展了一系列探索和研究,取得了重要进展,相关系统和应用部分的成果荣获2004年国家科技进步二等奖,并在通信、家电、轻纺、医疗仪器等多种行业中得到了广泛的应用。 记者:实验室在该领域的研究成果很多具有“开创性”的,如1988年在SIGGRAPH上取得大陆学者“零”的突破,1989年获欧洲图形学大会最佳论文奖,1990年获国际期刊《ComputerGraphicsForum》最佳论文奖。还曾被列为中国TOP-LEVEL国家重点实验室。请问实验室近年来在建设发展过程中形成了哪些稳定的特色? 鲍虎军:CAD和图形学是一个天然的多学科交叉研究方向,近年来,实验室在进一步加强与计算机、应用数学、机械工程三个传统学科的交叉合作的基础上,将CAD和图形学的研究和应用领域交叉逐渐渗透到建筑、地质、医学和生命等学科方向。因此在人才引进和聘用方面,实验室开始考虑学科的交叉和应用领域的特点,以保证实验室的可持续发展。 值得一提的是,我们这个实验室的35岁以下的同志占了绝大多数,很多70后的年轻人已经成长起来,成为实验室攀登高峰的主力军。注重对年轻人的培养和任用是我们实验室的一大特色。近五年来,实验室一方面吸收了一部分本校培养的优秀博士研究生。另一方面,还着力从国际一流的研究机构中引进高水平人才,先后从日本广岛大学、亚洲微软研究院和美国雅虎研究院等国际著名高校和研究机构中,相继引进了四位优秀青年学者,他们均已在国际学术界崭露头角,作出了具有国际先进水平的研究工作,如周昆博士近年来在实时图形学方面取得了重要突破,是最年轻的教育部长江学者特聘教授;何晓飞博士毕业于美国芝加哥大学,在机器学习与信息检索方面研究成绩非常突出。可以说这些青年人才的到来,极大优化了实验室研究队伍的知识结构和年龄结构,有力推动了实验室的科学研究和人才培养工作,为实验室的可持续发展奠定了坚实的基础。 记者:在一个实验室里,优秀人才相继涌现,充分反映了实验室在杰出人才培养方面的工作成效和可持续发展,在让年轻人脱颖而出方面,有什么经验可以谈谈吗? 鲍虎军:我们共同的体会是:首先,要重视研究兴趣的培养,只有激发年轻人对研究本身的兴趣,能吸引有志青年攀登研究高峰。其次,营造出积极向上的学术环境,让大家能够静下心来,安心做学问。第三,要创造条件,打好专业基础,提高科研能力。实验室为研究生开设了许多课程,每周有许多讨论班,仅图形学的基础课程就有7门。1994届硕士毕业、目前在美国Illinois大学任教的俞益洲博士曾说过一句话,他在浙大期间所受到的图形学方面的基础训练为他赴美后开展高水平研究打下了坚实的基础。第四,老师对学生的言传身教,对年轻人的成长是至关重要的。实验室许多老师以自己的行为表率潜移默化地影响着学生。无论是周末,还是节假日,实验室里总能看到老师的身影。实验室搬迁紫金港后,不少教师常乘晚10点最后一趟校车返回玉泉。每逢重要的会议截稿期,实验室教师连续几天留在实验室熬夜更是常有的事。 二十年来,实验室培养了一批优秀的研究生,有些已成为国际著名的学者。特别值得指出的是,在2005年的国际最高水平的图形学大会ACMSIGGRAPH上,发表的90余篇论文中,实验室毕业的学生署名的论文就有10余篇。 实验室备忘录实验室依托浙江大学计算机、数学、机械等学科,近年来,作为项目负责单位先后承担了一大批国家级科研项目和国际合作项目,其中包括国家重点基础研究发展计划(973计划)项目1项、国家自然科学基金创新群体项目1项、国家自然科学基金重点项目9项、“863”高技术计划项目23项、国家自然科学基金面上项目59项、国际合作24项。   多年来,实验室形成了一支学风正派、勤奋踏实、勇于创新的学术队伍。目前有固定人员42人,博士生80名,硕士生115名。其中中国工程院院士2人,教育部长江特聘教授2名,“973”首席科学家1人,国家杰出青年基金获得者5人,“百千万人才工程”国家级人选3人。 实验室具有一流的面向研究的软硬件平台,以及丰富的数字资源。大型设备如CAVE、高分辨率大屏幕投影显示系统、高性能集群图形计算系统、红外热像仪、三维激光扫描仪等均向社会开放。(2008-10-16)

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