Oscar获奖者使用模拟软件赋予怪物生命

# 奥斯卡获奖者杰尔内·巴比奇让怪物栩栩如生 来源：https://spectrum.ieee.org/oscar-winner-jernej-barbic 童年时期步行上学时，杰尔内·巴比奇（https://viterbi-web.usc.edu/~jbarbic/）常惊叹（https://spectrum.ieee.org/tag/marvel）于家乡的美丽。他出生于并成长于斯洛文尼亚（前南斯拉夫）西北部一个风景如画的村庄，地处欧洲阿尔卑斯山区。周围环绕着高山树木和山毛榉，巴比奇梦想着将这些树木随风摇曳的姿态复现出来，供他人欣赏。 当时，他尚不具备创建能实现这一目标的系统所需的工具或知识，但他说，这激发了他对计算机图形学（https://spectrum.ieee.org/history-of-computer-graphics-industry）的兴趣。 ### 杰尔内·巴比奇 **雇主** 南加州大学（位于洛杉矶） **职称** 计算机科学教授 **会员等级** 高级会员 **毕业院校** 斯洛文尼亚卢布尔雅那大学；卡内基梅隆大学 二十年后，在2016年，时任洛杉矶南加州大学（https://www.usc.edu/）计算机科学教授的巴比奇取得了重要成就。他开发的Ziva VFX（https://www.dneg.com/creative-technology/ziva）软件系统能够为3D数字人类和生物创建逼真的肌肉、脂肪和皮肤模拟。 该技术于2016年由他参与创立、总部位于温哥华的初创公司Ziva Dynamics（https://vimeo.com/zivadynamics）推出，并于2021年被旧金山的Unity Technologies（https://unity.com/）收购。 Ziva VFX已被应用于超过60部电影，包括**《海王与失落的王国》**（https://www.imdb.com/title/tt9663764/）；**《哥斯拉大战金刚：新帝国》**（https://www.imdb.com/title/tt14539740/）；以及**《毒液2：屠杀开始》**（https://www.imdb.com/title/tt7097896/）。 因Ziva VFX的设计与开发，IEEE高级会员巴比奇获得了2025年技术成就奥斯卡奖（https://www.oscars.org/sci-tech/ceremonies/2025）。他说，这是“极大的荣誉”，因为该奖项旨在表彰对电影制作产生重大影响的技术。 “计算机图形学（https://spectrum.ieee.org/tag/graphics）和模拟有时感觉像是一个专门的技术领域，”他说，“但这个奖项表明，这些理念不仅影响科学，也影响艺术以及银幕上的故事叙述方式。” “由数学（https://spectrum.ieee.org/tag/mathematics）实现的数字角色已成为人们生活中的重要组成部分。” ## 激发对计算机图形学（https://spectrum.ieee.org/tag/computer-graphics）的兴趣 巴比奇说，他追求工程学的道路受到了父亲的影响。他的父亲是一名工程师，曾领导一家水泥厂的研究部门，并发明了一种利用磁共振成像（https://spectrum.ieee.org/tag/magnetic-resonance-imaging）测试水泥完整性的技术。他说，父亲的工作让他明白，“数学和物理本身是优美的，但工程学让你能够创造出其他人可以使用的东西。” 是巴比奇的小学教师母亲将他引入了计算机科学领域。8岁时，他母亲任教的学校购买了一台ZX Spectrum计算机（https://www.computinghistory.org.uk/det/424/Sinclair-ZX-Spectrum-48k/）。经校长许可，她把计算机带回家让儿子玩了两周。但他不仅仅是玩游戏；他还使用BASIC（https://www.minitab.com/content/dam/www/en/uploadedfiles/content/products/spm/BasicProgLang.pdf）编程语言创建了自己的游戏。 他说，这台机器附带一本小册子，里面包含如何编写计算机程序的说明。 “起初，”他说，“我一字不差地照抄，不明白它们的作用。但后来我开始意识到其中存在结构，于是我修改了这些说明。” 逼真的3D动画金刚猩猩面部特写。在其技术催生的众多角色中，巴比奇尤其钟爱2024年版《哥斯拉大战金刚》中的金刚。DNEG/Warner Bros. Entertainment Inc./Legendary 到两周结束时，他已经开发了一款电脑游戏：玩家引导一个雪人沿着蜿蜒的道路前进。道路会不可预测地向左或向右偏移，玩家通过尽可能长时间地留在道路上来累积分数。 巴比奇于2000年在斯洛文尼亚的卢布尔雅那大学（https://www.uni-lj.si/eng/）获得数学学士学位。次年，他前往美国（https://spectrum.ieee.org/tag/united-states），在卡内基梅隆大学（https://www.cmu.edu/）开始攻读计算机科学博士课程。他说，这是他人生中的一个重要转折点。 他的博士研究集中在开发可在外力作用下改变形状的物体（即“可变形物体”）的模拟方法。 他说，这个项目塑造了他后续的大部分研究：“我不仅对使模拟准确感兴趣，还对使其具有实用性感兴趣：足够快、足够稳健、足够可控，以便在实际应用中使用。” 2007年获得计算机科学博士学位后，他在麻省理工学院（https://www.mit.edu/）担任博士后研究员。两年后，他加入南加州大学担任助理教授。 ## 实现电影魔法 正是在南加州大学，巴比奇将他对计算机科学的热情与电影融合在一起。他开发了Vega FEM，一款开源软件程序，允许人们制作逼真的3D可变形物体动画。但他说，Vega FEF范围狭窄，并不完全符合电影制作人的需求，因此他开始探索如何创建一个适合电影行业的版本。 “我职业生涯的一个重要主题是将研究理念转化为实用工具，”他说。“学术研究通常会产生优美的算法（https://spectrum.ieee.org/tag/algorithms），但让艺术家、工程师或制作团队使用这些算法可能很困难。我一直对这座桥梁感兴趣：将严谨的计算方法转化为人们实际可用的系统。” 2011年，他参加了由美国计算机协会（https://www.acm.org/）计算机图形与交互技术特别兴趣小组（https://www.siggraph.org/）（SIGGraph）举办的会议。在那里，他遇到了新西兰惠灵顿视觉特效公司Weta FX（https://www.wetafx.co.nz/）的生物主管詹姆斯·雅各布斯（https://ca.linkedin.com/in/jamesj）。该公司负责**《指环王》**（https://en.wikipedia.org/wiki/The_Lord_of_the_Rings_(film_series)）和**《霍比特人》**（https://en.wikipedia.org/wiki/The_Hobbit_(film_series)）三部曲以及其他电影的特效。雅各布斯使用巴比奇的软件来创建动物和奇幻生物。 两年后，Weta FX为巴比奇提供了一个为期一个夏天的研究职位（https://careers.wetafx.co.nz/working-at-weta-fx）。他接受了，并利用这段时间研究视觉特效的制作过程，了解电影行业存在的障碍。 当时，为数字角色创建逼真的软组织和解剖模拟的技术尚不存在。 “视觉特效行业已经发展到表层逼真度已不足的阶段，”巴比奇说。“一个生物可能拥有美丽的皮肤纹理和细致的几何结构，但如果其下方的骨骼、肌肉和脂肪移动不正确，幻觉就会破灭。” “这个问题对于需要感觉活生生的生物和角色尤其困难：动物、怪物、奇幻生物或数字替身。它们的身体可能具有陌生的解剖结构，但观众仍然期待它们以符合现实世界预期的方式移动。肌肉应该隆起和收缩，皮肤应该伸展和滑动，脂肪应该有惯性，组织应该对运动和冲击做出反应。” 为了解决这个问题，雅各布斯在2014年找到巴比奇，商讨创立一家初创公司。2015年，他们成立了Ziva Dynamics，开始了如今Ziva VFX的研发。 该软件使用基于物理的模拟来建模角色的内部解剖结构。巴比奇说，它数值求解非线性弹性的偏微分方程，以模拟肌肉骨骼类人类和生物组织。这些方程描述了肌肉、脂肪、皮肤和结缔组织如何变形、与骨骼相互作用和连接，以及肌肉如何激活。艺术家不仅仅对表层进行动画制作，还可以创建一个包含底层肌肉、骨骼、软组织和脂肪的模型。每个组件被赋予材料属性、约束、附着和激活条件。然后，模拟器计算它们随时间如何变形和相互作用。 巴比奇说，该技术融合了计算力学、有限元方法、数值优化、接触处理和计算机图形学的思想。有限元模拟是一种用于预测产品或结构如何对热量和其他现实世界力做出反应的方法，它提供了一种对可变形材料进行体积建模（而不仅仅是表面建模）的方式，他说。该工具计算内部弹性力求解运动方程，使角色的组织对动画、姿势变化、肌肉激活和动态运动做出合理的响应。 但该系统必须为艺术家设计，巴比奇说。在制作中，他说，目标不仅是物理真实感，还包括可控的真实感。 “艺术家需要指导结果、迭代并将模拟融入更大的动画流程，”他说。“因此，该技术必须将科学模拟与实用控制、稳健性以及与视觉特效工作流的集成结合起来。” 巴比奇说，Ziva VFX已应用于超过60部电影。在其技术催生的众多角色中，他尤其钟爱2024年版**《哥斯拉大战金刚》**（https://www.imdb.com/title/tt5034838/）中的金刚。 “当金刚行走时，你可以看到肌肉，它们非常突出，以及它们如何影响皮肤的形状。你真的能感受到金刚的力量，”他说。“而且这是通过我的软件制作的，所以我认为这太棒了。” Ziva Dynamics被Unity收购后，巴比奇为该公司提供了近两年的咨询服务。 2024年，总部位于伦敦的视觉特效和计算机动画公司DNEG（https://www.dneg.com/）获得了Ziva VFX的独家许可。 ## 动画化人手 巴比奇作为企业家和学者，致力于改进视觉特效。他最近由美国国家科学基金会（https://www.nsf.gov/）资助的研究，专注于人手的建模、模拟和动画。目标是创建可用于设计工具、医疗假肢（https://spectrum.ieee.org/tag/prosthetics）和机械手的人手计算机模型。 “手是一个迷人且复杂的系统，”巴比奇说。“它包含许多小骨头、肌肉、肌腱、韧带、皮肤、脂肪和其他软组织，所有这些都封装在一个紧凑的结构中，并以复杂的方式进行机械交互。” 他和团队构建了人手的数字孪生（https://spectrum.ieee.org/tag/digital-twin）。 他表示，目标是朝着“具有解剖学意义的模拟”迈进。他使用医学成像（https://spectrum.ieee.org/tag/medical-imaging）、几何建模、有限元方法和多体模拟来表示手的内部结构及其运动。 “IEEE让我能够将我的工作不仅置于图像和动画的世界，也置于必须精确、稳定、交互和实用的工程系统世界中。” 他与当时是南加州大学博士生的王博涵（Bohan Wang，https://bohanwang123.com/）以及放射学副教授乔治·马特丘克（George Matcuk，https://www.linkedin.com/in/george-matcuk-8020152）合作。王博涵现任新加坡国立大学（https://www.nus.edu.sg/）计算机科学助理教授。 巴比奇、王博涵和马特丘克用MRI机器（https://spectrum.ieee.org/the-superconducting-shields-behind-mris）扫描了四个人的手。这两男两女将手摆成12种姿势，使团队能够收集关于骨骼、肌肉和脂肪在每种姿势下如何移动的数据。 该数据集（https://viterbi-web.usc.edu/~jbarbic/hand-mri-dataset/）可供任何人在自己的研究中使用。 “这个项目可以帮助医学专家了解更多关于手部运动的知识，”巴比奇说。“对于机器人专家来说，它也非常有助于更好地理解人手实际如何工作，从而能够复现这些运动。” ## IEEE：跨学科研究中的关键角色 巴比奇于2008年加入IEEE，当时他在**IEEE触觉汇刊**（https://ieeexplore.ieee.org/xpl/RecentIssue.jsp?punumber=4543165）创刊号上发表了关于可变形物体模拟方法（https://ieeexplore.ieee.org/document/4610261）的研究论文。此后，他在**IEEE可视化与计算机图形汇刊**（https://ieeexplore.ieee.org/xpl/RecentIssue.jsp?punumber=2945）上发表了几篇论文，他说这将他的工作与更广泛的对视觉计算和计算方法感兴趣的社区联系起来。你可以在IEEE Xplore数字图书馆（https://ieeexplore.ieee.org/author/37085505798）找到他的研究。 “IEEE认可计算机科学的工程方面，”他说。“我的工作通常以计算机图形学呈现，但其核心也是模拟、力学、数值方法、触觉（https://spectrum.ieee.org/tag/haptics）、可视化和软件系统。” “IEEE是一个理解这种更广泛身份认同的社区。它让我能够将我的工作不仅置于图像和动画的世界，也置于必须精确、稳定、交互和实用的工程系统世界中。” 他认为该组织对于在全球范围内支持健康的跨学科研究生态系统至关重要——他说，这就是为什么他曾担任**《可视化与计算机图形汇刊》**和**《触觉汇刊》**的副编辑。 他表示，成为会员使巴比奇更容易与不同领域的工程师建立联系。 “我的研究常常介于不同类别之间：它是数学的，也是实用的；是视觉的，也是力学的；是艺术的，也是工程驱动的，”他说。“IEEE是一个理解这种融合的专业社区之一。”