8 月 15 日消息 嘿！瞧這行云流水的飄移，還有這絲滑的運(yùn)鏡，很颯啊。
友友們，是不是好奇它是咋拍出來(lái)的，又是經(jīng)哪位大導(dǎo)執(zhí)手？
但真相往往令人不可思議。
它，并不是拍出來(lái)的，而是 CG 技術(shù)搞出來(lái)的！
別急，還有更意外的。
是連“高中生”都能 hold 得住的那種！
這就是來(lái)自國(guó)產(chǎn)特效開(kāi)發(fā)系統(tǒng) ZENO 的力作，也即將在 SIGGRAPH ASIA 2021 中亮相。
效果之驚艷，甚至被會(huì)議的 reviewers 評(píng)價(jià)道：
推動(dòng)了視覺(jué)領(lǐng)域的新 SOTA！
Push the new visual SOTA!
這項(xiàng)研究背后團(tuán)隊(duì)，更是不容小覷 —— 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)大牛張心欣創(chuàng)辦的澤森科技 （ZenusTech）。
一作則是來(lái)自 KAUST，以及還有來(lái)自 UCLA 的科研人員。
北京大學(xué)陳寶權(quán)教授曾經(jīng)這樣評(píng)價(jià)道：
中國(guó) CG-物理模擬領(lǐng)域有兩位新秀，一南一北，很是熱鬧。
改變視覺(jué) SOTA 的效果
現(xiàn)在先來(lái)仔細(xì)回憶一個(gè)事兒：
是不是在我們看大片的時(shí)候，船只在海上的鏡頭，經(jīng)常是處于近景狀態(tài)？
例如這樣的：
▲ 《加勒比海盜 3》截選片段
而且在特效電影中，很少會(huì)有鏡頭給到中景或是遠(yuǎn)景。
就更不要提從近景到遠(yuǎn)景一氣呵成的那種了。
這其中非常重要的原因就是，視覺(jué)特效的仿真模擬計(jì)算，只能在有限的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行計(jì)算：
例如上圖所示的那樣，現(xiàn)在仿真技術(shù)只能是在“有界”（bounded）內(nèi)，處理三維水體運(yùn)動(dòng)形態(tài)解算。
換言之，鏡頭若是一旦超過(guò)了這個(gè)范圍，那就會(huì)造成我們經(jīng)常說(shuō)的“穿幫”了。
而張心欣團(tuán)隊(duì)的工作，之所以能得到 reviewers 們?nèi)绱烁叨鹊脑u(píng)價(jià)，就是解決了這一痛點(diǎn)：
構(gòu)造出了目前已知能仿真最大體積大范圍海水的方法。
而且采用的還是最高效的計(jì)算手段。
也正是通過(guò)這樣的方法，研究者們成功將原本只能在近景產(chǎn)生的逼真效果，傳遞到了一個(gè)“無(wú)窮大”的海面上。
不僅如此，還真實(shí)地創(chuàng)造了一個(gè)比三維解算深得多的“深?！?，給近海面處水體的運(yùn)動(dòng)，提供了正確的運(yùn)動(dòng)邊界條件。
那么頂級(jí)影視公司采用的技術(shù)，不好用嗎？
可以做一個(gè)對(duì)比來(lái)看下效果。
左右兩側(cè)的效果，與中間的參考解相比，可以說(shuō)是有肉眼可見(jiàn)的差距了。
而與更多的其它方法做對(duì)比后，也明顯可以發(fā)現(xiàn)，該項(xiàng)研究中的方法，既能得到準(zhǔn)確的波形，也能得到更多的水流細(xì)節(jié)。
現(xiàn)在再來(lái)回頭看下本文最初的那個(gè)特效，在基于這樣的方法之下，可以看到前面的船產(chǎn)生的浪花，甚至?xí)绊懙胶竺娲w產(chǎn)生的浪花形態(tài)。
對(duì)于這樣的效果，用張心欣的話來(lái)說(shuō)就是：
化有界為無(wú)界，便可以追求擬真的更高境界。
如何實(shí)現(xiàn)逼真動(dòng)畫(huà)？
要想回答這個(gè)問(wèn)題，就需要先了解一下邊界元技術(shù)。
這個(gè)技術(shù)通常對(duì)流體運(yùn)動(dòng)做有勢(shì)無(wú)旋的假設(shè)，把大規(guī)模水體的 NS 方程 （納維-斯托克斯方程），簡(jiǎn)化成了伯努利方程。
這就使原本需要在三維網(wǎng)格求解方程的問(wèn)題，轉(zhuǎn)變成只需在水體表面上定義和求解拉普拉斯方程。
再簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是把原先復(fù)雜的三維問(wèn)題，降到了二維層面來(lái)解決。
但流體相比于剛體等，自身就是屬于最難的那種場(chǎng)景，加之理論上又存在于諸多局限性。
所以邊界元方法即便是處理流體問(wèn)題，也不會(huì)在復(fù)雜的情況下多見(jiàn)。
例如因?yàn)榉e分的奇點(diǎn)、控制方程的非線性,、拓?fù)渥兓y以處理等問(wèn)題，就算是數(shù)學(xué)論文中的 BEM，通常只能求解到波峰開(kāi)始破碎的時(shí)刻。
怎么破？
理論不足，“工程來(lái)湊”：
該項(xiàng)研究提出的解決辦法，將邊界元方法發(fā)展成了一種具備穩(wěn)定性，獨(dú)立地就能模擬復(fù)雜水體動(dòng)力學(xué)的技術(shù)。
具體而言，就是將邊界元技術(shù)與傳統(tǒng)的 FLIP 水體仿真方法，進(jìn)行融會(huì)貫通。
例如在上面這個(gè)例子中，就不存在三維仿真解算的問(wèn)題。
所有的計(jì)算未知量、計(jì)算的時(shí)間積分量，都僅僅存在于水體表面網(wǎng)格上。
這樣一來(lái)，就大大減少了計(jì)算的內(nèi)存或時(shí)間消耗。
也正是基于這樣的計(jì)算優(yōu)勢(shì)，這種方法就非常適用于大面積、大范圍、大體積水體運(yùn)動(dòng)的仿真。
▲ 左側(cè)為混合 BEM-FLIP 的案例，右側(cè)為純?nèi)S仿真的參照。
除了技術(shù)理論上的研究，澤森的研究人員們?yōu)榱俗尭嗳四軌驅(qū)崿F(xiàn)諸如此類(lèi)的特效，還特意打造了一個(gè)特效開(kāi)發(fā)系統(tǒng) ——ZENO。
這個(gè)系統(tǒng)不僅僅支持大量先進(jìn)高級(jí)編程語(yǔ)言特性，更大的亮點(diǎn)就是低代碼。
像文章開(kāi)頭的那張?zhí)匦?，甚至不需要敲任何代碼就可以實(shí)現(xiàn)！
而操作方面也是極度舒適，是“連連看”的那種：
甚至連 ZENO 中的流體動(dòng)力學(xué)、固體動(dòng)力學(xué)、分子動(dòng)力學(xué)解算器，都是 ZENO 團(tuán)隊(duì)自己用節(jié)點(diǎn)編輯器，而非 C++ 代碼開(kāi)發(fā)出來(lái)的。
苦特效從業(yè)者久矣的另一個(gè)問(wèn)題，就是開(kāi)發(fā)高性能 GPU 代碼。
這一點(diǎn)上，ZENO 也提出了自己獨(dú)特的嘗試（此處特別贊揚(yáng) @archibate，@littlemine）。
它內(nèi)置的腳本語(yǔ)言是 ZFX，結(jié)合 ZENO 的 wrangler 一起使用，可以在 CPU 和 GPU 上無(wú)差別運(yùn)行！
此外，ZENO 還提供了一系列好用的工具來(lái)幫助人們快速地構(gòu)建場(chǎng)景。
對(duì)于幾何形狀的 CSG 操作：
對(duì)中間的開(kāi)發(fā)步驟進(jìn)行可視化：
從幾何形狀產(chǎn)生大量仿真運(yùn)算的粒子：
并且，ZENO 還具備完整的嵌入式計(jì)算開(kāi)發(fā)工具鏈。
同樣是在無(wú)需代碼的情況下，就可以把 ZENO 編輯器開(kāi)發(fā)的計(jì)算圖，直接導(dǎo)入到 C++ 交互式項(xiàng)目中使用，以此來(lái)處理物理計(jì)算部分：
不僅如此，在移動(dòng)端（安卓）也可以進(jìn)行高精度高性能計(jì)算！
而且 ZENO 團(tuán)隊(duì)還非常貼心地附上了案例和使用教程。
感興趣的友友們，文末自提哦~
從皮克斯走出來(lái)的 CG 大神
能實(shí)現(xiàn)如此逼真效果，團(tuán)隊(duì)實(shí)力自然不容小覷。
那么最后，就再來(lái)說(shuō)道說(shuō)道背后的靈魂人物張心欣，以及他的初創(chuàng)公司 —— 澤森科工。
與 CG（計(jì)算機(jī)圖形學(xué)）的緣起，得從張心欣的高中時(shí)期說(shuō)起。
跟如今常提到的天才少年不同，他是個(gè)嚴(yán)重偏科的游戲小子。
美術(shù)和數(shù)學(xué)就是他最喜歡的課程。他沉迷于文藝復(fù)興時(shí)期的藝術(shù)史，也陶醉于設(shè)計(jì)和思考數(shù)學(xué)問(wèn)題。
至于其他課程 emmm…… 論如何度過(guò)漫長(zhǎng)的 45 分鐘。嗯，想必在座各位或多或少研究過(guò)。（手動(dòng)狗頭）
至于玩游戲，他是認(rèn)真的。
倒不是欽定幾個(gè)游戲一個(gè)勁兒打，而是幾百個(gè)單機(jī)游戲都有接觸。
與其說(shuō)是玩游戲，倒不如說(shuō)是游戲測(cè)評(píng)。
那個(gè)時(shí)候當(dāng)個(gè)“游戲博主”可不簡(jiǎn)單，他要從設(shè)計(jì)者的角度去考慮問(wèn)題，比如精美畫(huà)面、關(guān)卡設(shè)計(jì)、技術(shù)實(shí)現(xiàn)……
這也就驅(qū)動(dòng)著他去翻技術(shù)論壇和互聯(lián)網(wǎng)資源，也正是那時(shí)候才意識(shí)到原來(lái)國(guó)外精美的 3D 特效，背后需要如此高深技術(shù)才能達(dá)到。
張心欣告訴量子位，當(dāng)時(shí)就萌生了個(gè)念頭，有朝一日要開(kāi)發(fā)這些頂尖技術(shù)，做出頂尖的游戲。
之后在大學(xué)自學(xué) CG 以及皮克斯實(shí)習(xí)時(shí)光，真正引起了這個(gè)想法質(zhì)變。
因?yàn)槠?，擦著二本線的他進(jìn)到了浙江大學(xué)城市學(xué)院。
但是在接觸到大學(xué)的數(shù)學(xué)物理教學(xué)后，他開(kāi)始覺(jué)醒到原來(lái)這些就正是世界大戰(zhàn)以來(lái)令人類(lèi)世界發(fā)生巨變的力量。
在興趣驅(qū)使下，張心欣自學(xué)圖形學(xué)的相關(guān)知識(shí)和寫(xiě)代碼。
最后熟練到什么程度呢？張心欣回憶道，當(dāng)時(shí)相關(guān)領(lǐng)域的博士在一些科研項(xiàng)目上還會(huì)時(shí)不時(shí)向他請(qǐng)教。
從浙大畢業(yè)之后，他來(lái)到紐約大學(xué)讀研究生，也是在那遇到了一生最難得的機(jī)會(huì) ——
前往皮克斯實(shí)習(xí)。
AMP（美國(guó)電影藝術(shù)與科學(xué)學(xué)院），也就是頒發(fā)奧斯卡獎(jiǎng)的那個(gè)組委會(huì)，在全美知名大學(xué)中選出 5 位計(jì)算機(jī)科學(xué)、數(shù)學(xué)的研究者，他們有機(jī)會(huì)前往好萊塢 5 家頂級(jí)工作室暑期實(shí)習(xí)。
當(dāng)中就包括皮克斯、夢(mèng)工廠、工業(yè)光魔這些知名團(tuán)隊(duì)。
經(jīng)過(guò)層層面試篩選，他成為了這當(dāng)中的五分之一，當(dāng)時(shí)收到組委會(huì)的通過(guò)電話時(shí)，他直接激動(dòng)得在大街上尖叫。
如今回憶起當(dāng)年的實(shí)習(xí)歲月，他在皮克斯感受最深刻的就是科學(xué)要去服務(wù)于藝術(shù)。
不同于其他的工程師團(tuán)隊(duì)，皮克斯的技術(shù)人員除了要將 paper 轉(zhuǎn)化為可用工具之外，還要這些工具轉(zhuǎn)化成藝術(shù)家“看得懂、聽(tīng)得明白、理解的了、能夠會(huì)用的一個(gè)個(gè)積木”。
利用本地的超算系統(tǒng)，藝術(shù)團(tuán)隊(duì)只需在軟件界面動(dòng)下鼠標(biāo)，所有的畫(huà)面效果經(jīng)過(guò)背后不可見(jiàn)計(jì)算，直接實(shí)時(shí)回傳到藝術(shù)家的手上。
基于這樣的理念，在去年 9 月，他創(chuàng)辦了澤森特工，擔(dān)任創(chuàng)始人兼 CTO。
我在公司當(dāng)唐僧
取名澤森科工，也叫 Zenus，張心欣這樣向我們解釋背后的含義：
Zenus 拆解開(kāi)來(lái)，分成 Zen，禪宗、佛之意，Venus，則是維納斯，所以中文也叫做佛系維納斯。
除了佛系，禪在中文語(yǔ)境下也有道法自然、天然的意思在里面，也跟物理仿真追求真實(shí)與美相契合。
其實(shí)在創(chuàng)辦之前，倒是有這樣兩個(gè)小插曲。
一個(gè)是實(shí)習(xí)期間，他看到了整個(gè)好萊塢影視產(chǎn)業(yè)化的全鏈條流程，感嘆于國(guó)外頂尖特效技術(shù)，而國(guó)內(nèi)類(lèi)似團(tuán)隊(duì)都很少，與之匹敵更是寥寥。
他就由此萌生了要在國(guó)內(nèi)打造類(lèi)似團(tuán)隊(duì)的想法。
另一個(gè)則是在 2018 年，當(dāng)時(shí)正好所在公司被谷歌收購(gòu)，受北大陳寶權(quán)教授邀請(qǐng)來(lái)到北京電影學(xué)院未來(lái)影像高精尖創(chuàng)新中心就職，隨后又加入騰訊游戲。
正是在這兩個(gè)分別在電影、游戲的頂尖技術(shù)團(tuán)隊(duì)的工作經(jīng)歷，讓他了解了當(dāng)前國(guó)內(nèi)的發(fā)展情況。
萬(wàn)事俱備之后，他創(chuàng)辦了澤森科工，致力于打造 ZENO 物理模擬平臺(tái)，目前團(tuán)隊(duì) 10 人左右。
他也借此勉勵(lì)那些想出來(lái)創(chuàng)業(yè)的技術(shù)人員：想做就勇敢邁出第一步，比如先與妻子達(dá)成共識(shí)，得到她的支持和肯定。
如今，公司成立即將滿(mǎn)一年，張心欣感嘆，自己越來(lái)越像取經(jīng)團(tuán)隊(duì)里的唐僧。
小伙伴們技藝都很高超，這我十分佩服。
我在團(tuán)隊(duì)中做的，更多是用技術(shù)服務(wù)于創(chuàng)新這一理念來(lái)影響和凝聚整個(gè)團(tuán)隊(duì)。
以至于讓整個(gè)團(tuán)隊(duì)達(dá)到這個(gè)共同追求。
對(duì)于未來(lái)，他希望更多志同道合的小伙伴參與進(jìn)來(lái)，投身進(jìn)這一項(xiàng)事業(yè)上來(lái)。
正如曾在他一篇文章提到的那樣：
我們一定要做一邊看電影，一邊推導(dǎo)數(shù)學(xué)公式和神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的科學(xué)家。
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