投身計算機的“造物”世界
——記浙江大學計算機輔助設(shè)計與圖形學國家重點實驗室教授黃勁

王艷敏

黃勁

杜甫曾在詩作《畫鷹》中言：“素練風霜起，蒼鷹畫作殊。?身思狡兔，側(cè)目似愁胡。”以此來形容繪畫的逼真。隨著時代的更迭以及計算機技術(shù)的發(fā)展，一些二維作品也逐漸打破了常規(guī)限制，走到我們面前，以立體的、三維的方式得以重現(xiàn)。而這些都與復(fù)雜對象的幾何處理與物理模擬研究有著息息相關(guān)的聯(lián)系。

在浙江大學計算機輔助設(shè)計與圖形學國家重點實驗室教授黃勁的介紹下，記者了解到：一直以來，復(fù)雜對象的幾何處理與物理模擬方面的研究都是計算機輔助設(shè)計和圖形學領(lǐng)域的基本問題之一，在數(shù)字影視娛樂產(chǎn)業(yè)，高精尖的汽車、飛機制造產(chǎn)業(yè)，虛擬現(xiàn)實、工業(yè)設(shè)計和3D打印制造等領(lǐng)域的前沿基礎(chǔ)性研究中，具有重要的科學意義和應(yīng)用價值。多年來，黃勁就將研究方向聚焦在這一領(lǐng)域中，通過計算機技術(shù)和科學的融合、虛擬與現(xiàn)實的交匯，將一些形體復(fù)雜的對象在計算機中進行“造物”重現(xiàn)，催化了許多具有社會及現(xiàn)實意義的科研成果誕生。

步入計算機技術(shù)研究

1978年出生的黃勁，恰好趕上了國家大力發(fā)展教育事業(yè)的時期。在這一時代背景之下，黃勁對于知識的渴望與內(nèi)心深處想要不斷學習的熱情，也愈漸濃烈起來。21世紀初，計算機技術(shù)發(fā)展得風生水起，成為各學科發(fā)展的基礎(chǔ)與重要推動力，在這一科技趨勢之下，黃勁積極躋身于這一領(lǐng)域研究中，來到了浙江大學，攻讀計算機博士學位。

博士期間，黃勁的主要研究工作是三維幾何形變，這一方向的研究在當時是非常熱的課題，被學界認為可以應(yīng)用到動畫制作領(lǐng)域。

問渠哪得清如許，為有源頭活水來。具象的應(yīng)用背后所隱藏的是更核心的基礎(chǔ)原理。而黃勁一直以來，都想對這“背后的巨大原理”一探究竟。在這一科研信念的驅(qū)使之下，黃勁從未忘卻自己所秉承的科研理想。因為其優(yōu)秀的科研水平以及學術(shù)成果，他的博士學位論文順利獲得2008年CCF優(yōu)秀博士論文。

吾生也有涯，而知也無涯。為了未來能夠在研究領(lǐng)域?qū)で蟾蟮耐黄?，學習到更多前沿科研知識。2012—2014年，黃勁來到了美國加州理工學院進行研究訪問。在這里，黃勁與合作導(dǎo)師，從復(fù)雜對象的幾何處理與物理模擬方面的基礎(chǔ)研究入手，親力親為，從細微中步入重大科學問題的研究與探索，讓他對腳踏實地做科研有了更加深切的感受。這段經(jīng)歷為黃勁今后的科研工作開展奠定了堅實的基礎(chǔ)。

復(fù)雜對象研究中的創(chuàng)新蛻變

少年易老學難成，一寸光陰不可輕。從青年時期到如今的不惑之年，黃勁積極投身于自己熱愛的科研工作中，在復(fù)雜對象的幾何處理與物理模擬方面的研究中深耕不輟，積累了豐富的經(jīng)驗。近些年來，在浙江大學計算機輔助設(shè)計與圖形學國家重點實驗室的支撐下，他針對這一領(lǐng)域存在的難解問題，積極開展相關(guān)研究工作，做出了一系列創(chuàng)新性科研成果。

復(fù)雜對象往往具有復(fù)雜的幾何形狀和物理材料性質(zhì)，其物理行為可抽象為定義在復(fù)雜幾何定義域上的非線性微分方程。因此，它的模擬計算涉及空間幾何形狀的表達構(gòu)造和非線性微分方程的高效求解兩大方面。如何有效克服幾何和物理兩方面的高度非線性，高效地構(gòu)造復(fù)雜幾何形體、恰當?shù)乇平碗x散化處理幾何形體和連續(xù)物理方程、實現(xiàn)準確快速的計算是其中的關(guān)鍵科學問題。

面向影視娛樂、產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計和模擬仿真、3D打印制造等方面的重大需求，近20年來國內(nèi)外學者對復(fù)雜對象的交互自然形變模擬問題展開了深入研究，取得了很大進展，但現(xiàn)有技術(shù)在交互可控建模和模擬的準確性、計算效率等方面仍存在巨大挑戰(zhàn)，嚴重阻礙了其實際應(yīng)用。

在這一現(xiàn)狀之下，黃勁深入系統(tǒng)地研究了幾何和物理非線性問題的線性化逼近及其高效優(yōu)化求解等問題，在國際上率先提出了微分屬性保持的非線性幾何形變理論和方法，高效解決了復(fù)雜網(wǎng)格幾何模型的高質(zhì)量、直觀自然的交互大形變問題；創(chuàng)新提出了含復(fù)雜約束的網(wǎng)格曲面的譜特征函數(shù)構(gòu)造和離散三維對稱標架場的代數(shù)拓撲結(jié)構(gòu)的光滑度量方法，解決了復(fù)雜形體的高質(zhì)量自動四邊和六面體重網(wǎng)格化的難題，為復(fù)雜對象的交互自然形變構(gòu)造和物理模擬仿真提供了實用的技術(shù)手段。

通過多年的探索開拓，相關(guān)研究共獲授權(quán)國家發(fā)明專利6項，發(fā)表高質(zhì)量學術(shù)論文40余篇,其中14篇論文發(fā)表在圖形學領(lǐng)域頂級學術(shù)期刊ACM TOG和IEEE TVCG上。研究成果得到了國際學術(shù)界的高度評價和引用，并被十余所國際著名高校的圖形學相關(guān)課程和討論班作為指定閱讀和討論文獻，產(chǎn)生了較大的學術(shù)影響。

探索圖形學中的科研奧秘

仁者樂山，智者樂水。每個人都有自己的人生志趣之所在。對于黃勁來說，投身于科研之中，每天有很多很有趣的事情可以去想就是最幸福的事情。如今，在計算機輔助設(shè)計/制造、計算機動畫、科學計算可視化等方面都有重要應(yīng)用的計算機圖形學研究就一直引領(lǐng)著黃勁向新的研究階段邁進。

一直以來，黃勁都是一位“仰望星空”的學者，從小時候起，他就對無窮的宇宙世界充滿著極大的好奇心。而他最初想要從事圖形研究的初衷，便是因為有人告訴他從幾何到微分幾何的逐步深入，后面就會逐漸與愛因斯坦的“廣義相對論”產(chǎn)生聯(lián)系。多年來深入到這一研究領(lǐng)域中，黃勁愈發(fā)感受到了這一領(lǐng)域的趣味所在，并給了他更大的向前深耕的動力與決心。

在新時期，科學計算、3D打印等新一代工業(yè)設(shè)計與制造技術(shù)的發(fā)展則對數(shù)字化模型與真實對象在幾何外形和物理行為的一致性方面提出了更高的要求。人們不僅希望獲得幾何形狀上看起來逼真的模型，更希望模型具有準確的物理屬性，能高效地模擬計算其運動和形變，甚至通過打印等方式制造獲得滿足特定性能要求的實物。復(fù)雜物理屬性的建模不僅極大地拓展了傳統(tǒng)幾何建模的范疇，而且使得計算的復(fù)雜性也大為提高。與理想剛體相比，廣泛存在的柔性對象，不僅具有隨時間變化的復(fù)雜幾何形狀，而且擁有復(fù)雜的物理屬性。這些特點使得復(fù)雜柔性對象的高效建模與模擬尤為困難，帶來了理論和技術(shù)上的巨大挑戰(zhàn)。

在這一背景之下，黃勁一直希望能通過自己的研究為相關(guān)問題的解決做出貢獻。2015年，黃勁的研究項目“計算機圖形學”得到了國家優(yōu)秀青年科學基金項目的資助。在這一研究項目的支撐下，他將圍繞虛擬現(xiàn)實、計算機動畫、產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計和模擬仿真中的典型需求，在復(fù)雜柔性體高效建模和模擬計算方面獲得新穎的理論分析和突破，提出靈活易用、高效可靠的幾何處理和物理方程優(yōu)化求解等創(chuàng)新方法。通過相關(guān)科研技術(shù)的研發(fā)，為影視娛樂、虛擬現(xiàn)實、產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計和制造等領(lǐng)域提供解決實際應(yīng)用問題的有效技術(shù)手段。

與博士研究生方賢忠參加SIGGRAPH

為國而研，是科學家的使命之所在。一直以來，黃勁都認為我國的科研事業(yè)是需要百花齊放的?！拔覀儑疫@么大，這么多行業(yè)都需要發(fā)展，這么多領(lǐng)域都需要突破，不管是從事基礎(chǔ)性的、應(yīng)用性的、商業(yè)性的工作，或者調(diào)動社會資源去做一些利國利民的事情，都是國家需要的人才?！?/p>

得十良馬，不如得一伯樂。一路走來，黃勁的科研人生中遇到了很多良師益友，浙江大學CAD&CG國家重點實驗室鮑虎軍教授以及在美國從事科學研究時的合作者Mathieu Desbrun，他們的科研精神都對其科研之路產(chǎn)生了深遠影響。如今，身為博士生導(dǎo)師，黃勁也經(jīng)常和自己的學生們進行科研探討，雖然他與現(xiàn)在的科研學子們出生的時代不同，但是黃勁始終認為，不管身處哪一時代，“興趣”與“堅持”都是激發(fā)科學家科研能量的重要源泉。未來，他還將孜孜不倦深入到更多亟待開拓的研究領(lǐng)域，在堅實科研信念的支撐下，做出更多具有社會意義的科研成果。