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巨浪底下全是数学  

2008-03-04 18:58:00|  分类: 人物 |  标签: |举报 |字号 订阅

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模拟海浪与火焰 计算机专家费德基摘得奥斯卡奖
巨浪底下全是数学

 

http://www.thebeijingnews.com 来源:新京报 发布时间: 2008-03-02 

 
 

巨浪底下全是数学 - 新知周刊 - 《新京报·新知周刊》

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在《哈利·波特和火焰杯》中,费德基利用计算机模型制作了那些龙喷出的火焰。 
 
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《星战前传3》中的这个经典镜头,作为背景的岩浆全是计算机模拟制作的产物。 
 
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一个海浪冲击灯塔的镜头,栩栩如生。这是费德基的得意之作。

 
 
大家都知道怪导演科恩兄弟、怪演员蒂尔达·斯温顿拿了今年的奥斯卡奖,却不知道还有一个更“怪”的人也拿了奥斯卡。2月10日,今年的科技奥斯卡举办了颁奖礼,10个科学团队受到了表彰,其中最突出的获奖者是美国斯坦福大学的助理教授,数学、力学和计算机图专家朗·费德基(Ron Fedkiw)。

 

科技奥斯卡:美女和极客

 

“科技奥斯卡”的全称为“科学技术学院奖”(The Scientific and Technical Academy Awards),每年都提前奥斯卡颁奖礼二十几天颁奖。这个奖专门颁给对电影技术有特殊贡献(如器材、方法、公式)的发明家,可以说它的历史就是好莱坞电影技术史的缩影。

 

那么,技术奥斯卡跟奥斯卡上的“技术奖”(如最佳视觉效果)有什么区别吗?原来,最佳视觉效果之类的奖项得主也是艺术家,本质上和导演、演员没有区别,只不过稍微“幕后”一些而已;而“技术奥斯卡”的得主才是真正的幕后英雄———正是他们发明的小玩意儿让彼得·杰克逊和乔治·卢卡斯看上去那么聪明。每年的“科技奥斯卡”颁奖礼都是科学极客的大聚会,为了让这个奖项不至于太过“黯淡”,每年美国电影艺术与科学学院都会找来年轻的当红女星主持颁奖礼,这个女星曾经是凯特·哈德森、斯佳丽·琼森,今年是小美女阿巴(Jessica Alba)。

 

已经身怀六甲的阿巴挺着大肚子颁奖。她谦虚地说:“如果没有这些领奖者,我的电影《神奇四侠》肯定就只剩下‘四侠’了。”当晚的第一个奖颁给了“丁斯利易容胶”的发明人丁斯利,正是他发明的这种胶给在大银幕上制造文身、青淤、伤痕和小伤口带来了极大的方便,《基督受难记》真的要“感谢”这种玩意儿。

 

这个颁奖礼最大的乐趣就是听好莱坞美女读科学术语。玛雅流体效果系统的开发者之一布林斯米德说:“能听到阿巴说‘稳态半拉格朗日液体流动’真的太棒了”。

 

本届“科技奥斯卡”的大奖得主费德基1975年出生。他已经被列为计算机图形学的先驱之一,对流体的计算机图形模拟有着突出贡献,他参与的电影达20多部,其中让人印象最深刻的是《海神号历险记》里的巨浪、《星球大战3》中的岩浆和《哈利·波特和火焰杯》中的巨龙喷火。

 

不过,什么是“计算机图形模拟”,费德基凭什么做出了巨大贡献?

 

 

数学第一,图形学靠后站

 

所谓计算机图形模拟,就是用计算机模拟现实生活中的物体的形状和运动状况。比如在《海神号历险记》里,巨浪冲击大船的镜头,说是“电脑动画”,但当然不是用电脑一帧帧画出来的,而是预先给定水和大船的物理模型和初始条件,随后让电脑自动计算出浪涌的形状,以及它和大船碰撞的过程。

 

如此说来,费德基肯定是个很迷恋图形的人了?恰好不是。他表示:“图形学本身不怎么重要,所以我的很多学生直到大二或者大三才开始上第一节图形学课。我开始学计算机图形学的时间相当晚,到23岁之前一直学纯数学,之后开始搞应用数学。1998年之前,我对计算机图形学一无所知。”

 

1996年费德基在加州大学洛杉矶分校拿到了数学博士学位,之后又完成了该校的数学博士后论文和加州理工学院的航空学博士论文。1998年,他开始为工业光魔公司(Industrial light&Magic,ILM)工作,这是卢卡斯成立于1975年的一家电影特效公司。2000年他进入斯坦福大学的计算机科学学院,开始专门研究计算机图形学。2001年他给年度计算机图像盛会SIGGRAPH写了两篇论文。2005年,SIGGRAPH给他颁发了“突出新研究者奖”。

 

事实上,那些银幕上的巨浪正来自航空、造船业对流体力学的研究成果,而流体力学的基础正是数学。通过利用计算机模拟物理现象,物理学家可以观察一些理论事件,或者预言某些物体在特定条件下的行为。而这些成果如果应用于电影,无疑会将观众带入另一个世界。费德基说,“我的许多工作都是关于流体和固体模拟的计算方法研究,事实证明,这在电影上同样十分有用。在现实中造船的数学工具,用来让一艘大船在银幕上沉没也非常有用。”

 

费德基和同事开发的系统能够相当好地模拟水、火、烟的运动特性,他表示现在他工作的焦点被放在人、固体和流体的耦合上,希望能模仿人在游泳的场面。

 

到目前为止,费德基已经参与了大约20部电影的特效制作。不过,在他自己看来,一切还并不完美。他的慧眼和完美主义精神让他经常能发现模拟中的瑕疵,他说:“很不幸,我知道(模拟中)所有尚存的问题,比如《海神号历险记》中的巨浪,这让我常常想重新来过……好在观众十分喜欢”。

 

费德基自己并不是冷冰冰的计算机,年轻美丽的颁奖女嘉宾阿巴也能让他身体产生“生物学反应”。他说:“距离世界上最美的女人只有10英尺,这真是太棒了。”

 

本版撰文/本报记者 刘铮

 
 

 

费德基搞过些什么?

 

下面是费德基搞过的一些项目,通过它们,我们可以了解这位特殊的电影科学家的工作情况:

 

“双向耦合的固体和粒子方式计算的液体模拟”。这个东西听起来很不像人话,其实并不难理解,比如在大海里,有浪冲击灯塔就要用到这样的模拟。

 

“可变形的固体和不可变形的固体的混和模拟”。这个听起来还是不像人话,但其实这个东西很常见,比如说一个铁杆子上面挂着布帘,铁杆子动的时候,布帘也跟着动。

 

“四面体网格的随意切割”———这个好理解,就好比天空吊着一个萝卜,一个剑术高手上去切几刀,萝卜分块掉下来。

 

我们会在哪些电影里无意中将费德基用电脑模拟出的东西当作了真实场景呢?你可以在以下电影中仔细搜索:《加勒比海盗》系列、《星战后传3》、《哈利·波特》系列、《终结者3》、《海神号》、《变形金刚》……
 
 

 

如何让海浪冲击灯塔?

 

好吧,现在让我们想像一下,要模拟一个海浪冲灯塔的场面,需要解决什么数学问题?

 

首先,从灯塔后面涌过来的海浪,是水波的传导,同时也是水分子的循环运动。波浪一边运动,一边改变形状。这要建立复杂的数学模型。

 

上层的水会因为运动的惯性和重力的作用克服水的表面张力和黏性,波浪的表面会不断破碎,形成白色的边缘和飞沫,这是更复杂的数学模型。

 

海浪和灯塔相撞,水会被劈开,海浪改变形状。被反弹的海浪会和后面的巨浪相撞,形成更多破碎的表面和连锁反应。而冲过灯塔的水会形成涡流,影响周围的海水。

 

还有些水因为黏性作用黏在灯塔上,影响它的颜色,并在重力的作用下退去。

 

这个过程是多么复杂。然而在费德基的网站上,我们看到了这段电脑生成的巨浪冲灯塔图像,绝对逼真的物体运动就像摄影镜头一样,但相对粗糙的表面贴图又会告诉你这是“不真实的”。这就是数学的魔法。
 
 

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