当“炼石”组和“补天”组,都在为“女娲”计划的底层构建,而进行着艰苦卓绝的攻关时。
第三个,也是最富想象力的项目组——“点睛”组,也召开了他们的第一次全体会议。
“点睛”组的成员构成,非常奇特。
这里,不仅有像钱学敏一样,精通计算机和软件的专家。
还有,大量,来自,国家科学院的,物理学家,数学家。
甚至,还有几位,从,中央美术学院,请来的,在,素描和色彩领域,有着,极高造诣的,老教授。
他们的任务,听起来,最为,虚无缥-缈。
却,也最为,激动人心。
那就是,研究,如何,让那个,由,代码和数据,构成的,虚拟世界。
看起来,更“真”!
会议室里。
钱学敏,作为,这个组的,组长,站在,最前面。
她的身后,同样,是一块,巨大的,白板。
但,与,其他两个组,不同的是。
这块白板上,没有,任何,复杂的,电路图,或者,代码。
上面,只画着,一个,东西。
一只,苹果。
一只,用,红色粉笔,画出来的,栩栩如生的,苹果。
它的,表面,有着,细腻的,光影变化。
左上角,有一个,明亮的,高光点。
那是,光线,照过来的,地方。
右下角,则拖着,一道,淡淡的,影子。
整个,苹果,看起来,充满了,立体感,和,质感。
就好像,一颗,真实的,苹果,就摆在,那里。
这幅画,出自,一位,美院的老教授之手。
他,只用了,短短,几分钟。
就用,最简单的,工具,为,在场的,所有,科学家,上了一堂,最生动的,美术课。
“各位,请看。”钱学敏,指着,这只,苹果。
“我们,‘点睛’组的,第一个,目标。”
“就是,在,‘女娲’神石,创造的,那个,虚拟世界里,用,代码,画出,一个,和它,一模一样的,苹果。”
她的,这个,开场白,让,在场的,许多,科学家,都,有些,摸不着头脑。
画苹果?
他们,可是,国家最顶尖的,科学家。
是来,研究,最前沿的,算法的。
怎么,任务,听起来,像是,幼儿园的,美术课?
一位,年轻的,物理学博士,忍不住,举起了手。
“钱教授,我,有些,不明白。”
“画一个,苹果,这,和我们的,研究方向,有什么关系?”
“这,有,很大的,关系。”钱学敏,微笑着,回答道。
她,走到,白板前。
拿起,一根,不同颜色的,粉笔。
开始,在,那只,苹果的,旁边,进行,“解构”。
“首先,我们看,这个苹果,它,为什么,看起来,是,‘立体’的?”
“因为它,有,‘光’,和,‘影’。”
她,在白板上,写下了,第一个,关键词。
【光照模型(Lighting Model)】
“光,从,光源(Light Source),发射出来。”
“照射到,苹果的,表面。”
“然后,再,从,苹果的,表面,反射(Reflect),到,我们的,眼睛(或者说,摄像机)里。”
“这个过程,遵循着,严格的,物理定律。”
“比如,光的,强度,会,随着,距离的,平方,而,衰减。”
“光线,入射的,角度,会决定,反射的,强度。”
“这些,都是,物理学。”
她,看了一眼,刚才,提问的,那个,物理学博士。
“我们的,第一个,子课题,就是,建立一个,精确的,数学模型。来,模拟,这个,光线传播和反射的,过程。”
“我们要,研究,‘冯氏光照模型’(Phong Lighting Model),‘Blinn-Phong模型’等等。”
“我们要,把,环境光(Ambient),漫反射(Diffuse),和,镜面反射(Specular),这,光照的,三要素,给,彻底,吃透!”
“然后,用,我们,即将拥有的,‘龙章’语言,把它,写成,一段,可以在,‘女娲’神石上,高效运行的,‘着色器’代码!”
“这,就是,我们,要为,那个,黑白的世界,点亮的,第一束,光!”
钱学敏的,这番话,条理清晰,逻辑严密。
瞬间,就让,在场的,所有,物理学家,都,兴奋了起来。
用,代码,去,复现,物理定律?
用,一个,虚拟的,实验室,去,验证,光学理论?
这,太,有挑战性了!
太,酷了!
“其次,”钱学敏,没有停。
她,又在,白板上,写下了,第二个,关键词。
【阴影(Shadow)】
“大家看,苹果的,下面,为什么,会有一片,影子?”
“因为,苹果,自身,挡住了,从,光源,射向,桌面的,光线。”
“那么,在,计算机里,我们,该如何,判断,一个点,是否,处于,阴影之中?”
“有一个,很巧妙的,算法。叫做,‘阴影贴图’(Shadow Mapping)。”
她,看了一眼,在场的,数学家们。
“这个,算法的,核心,其实,是一个,几何问题。”
“它的,基本思想是,我们,先,站在,光源的,位置,朝着,场景,‘看’一眼。”
“把,我们,看到的,所有,物体的,深度信息(距离光源的远近),记录在一张,特殊的,‘图片’上。这张,图片,就是,‘阴影贴图’。”
“然后,当我们,正常,渲染场景时,对于,场景中的,每一个点。我们,都,把它,变换到,光源的,视角下。去,查询,它在,‘阴影贴图’中,对应的,深度值。”
“如果,它,当前的,深度,大于,阴影贴图里,记录的,深度。那就说明,它,在,光源,和,更近的,物体之间。它,被,挡住了。它,就处于,阴-影之中。”
“这个过程,涉及到,两次,坐标空间的,变换。涉及到,大量的,矩阵运算。”
“我们的,第二个,子课题。就是,研究,并实现,这套,高效的,‘阴影贴图’算法。”
“让,我们的,虚拟世界,不再是,一个,所有物体,都,飘在空中,没有,影子的,虚假世界。”
“而是,一个,光影分明,层次感,十足的,真实世界!”
如果说,“光照模型”,点燃了,物理学家的,热情。
那么,“阴影贴图”,则,彻底,引爆了,数学家们的,兴趣点。
坐标变换!
矩阵运算!
深度测试!
这些,不就是,他们,最擅长的,东西吗?
用,最抽象的,数学工具,去,解决,最直观的,视觉问题。
这种,跨界的,美感,让他们,如痴如醉。
最后,钱学敏的,目光,落在了,那几位,一直,没有说话的,美院老教授,身上。
“最后,也是,最关键的一点。”
她在,白板上,写下了,第三个,关键词。
【材质(Material)与纹理(Texture)】
“我们看,这个,苹果。它,为什么,看起来,像一个,苹果?”
“而不是,一个,红色的,塑料球?”
“因为它,有,‘质感’。”
“它的,表面,不是,绝对,光滑的。它,有,一些,细微的,凹凸不平的,纹路。”
“它的,高光,不是,一个,刺眼的,小亮点。而是,一片,柔和的,光斑。”
“它的,颜色,也不是,单一的,纯红色。而是,在,红色中,夹杂着,一丝丝的,黄色,和,青色。”
“这些,细节,共同,决定了,一个物体的,‘材质’。”
“而,在计算机里,我们,如何,去,描述,这种,复杂的,‘材质’呢?“
“最常用的,方法,就是,用,一张张的,‘纹理贴图’。”
“我们可以,用一张,‘颜色贴图’(Color Map),来,定义,苹果,表面,每一个点的,基础颜色。”
“我们可以,用一张,‘法线贴图’(Normal Map),来,模拟,它表面,那些,细微的,凹凸。”
“我们,还可以,用一张,‘高光贴图’(Specular Map),来,控制,它表面,不同区域的,反光强度。”
“甚至,我们还可以,用一张,‘金属度贴图’(Metallic Map),和,‘粗糙度贴图’(Roughness Map),来,实现,更高级的,基于物理的渲染(PBR)!”
钱学敏,每说一个,新的,名词。
都像,打开了一扇,新世界的大门。
让,那些,搞了一辈子,素描,色彩,和,构成的,老教授们,听得,目瞪口呆。
他们,从来,没有想过。
他们,凭,经验和感觉,画出来的,东西。
竟然,可以,被,如此,精准地,量化,和,分解。
分解成,一张张,可以,用,数据,来描述的,“贴图”。
“所以,我们的,第三个,子课题。”钱学敏,看向,那几位,老教授,眼神中,充满了,敬意。
“就是,要,请各位,艺术领域的,大师们,来,指导我们。”
“告诉我们,一个,真实的,苹果,它的,质感,到底,是怎样的。”
“一个,生锈的,铁块,它的,细节,又该如何,表现。”
“一块,湿润的,石头,和,一块,干燥的,木头,它们,在光照下的,反应,有何不同。”
“你们,将,为我们,建立,一个,庞大的,‘材质库’。”
“你们的,艺术,将,通过,我们的,代码,在,那个,虚拟世界里,得到,永生!”
钱学敏的,话音,落下。
整个,会议室,鸦雀无声。
无论是,物理学家,数学家,还是,艺术家。
所有人的,脸上,都,露出了,一种,混合着,震撼,激动,和,使命感的,复杂表情。
他们,终于,明白了,“点睛”组的,真正意义。
他们,不是,在,画一个,苹果。
他们,是在,用,科学,和,艺术,这,人类文明,最伟大的,两种,力量。
去,共同,描绘,一个,前所未有的,真实的,梦境。
而,这,仅仅,只是,一个,开始。
画完了,苹果。
他们,还要,去画,桌子,房子,树木,河流……
直到,画出,整个,世界。