陈宝权教授：计算机图形学将是未来智能的入口（CCCF专访）

陈宝权：那得从1995年我读博的时候说起。我最开始接触的可视化研究是针对医学数据的可视化。当时选择这个方向是因为我希望技术可以服务于人类对医疗健康的需求。那时针对CT、MRI等数据，我们研究如何将数据更直观地展示给医生以辅助诊断治疗。我在这个项目中的贡献有两点：一是参与了“CubeX”专用芯片的设计以及这个芯片的第四代方案的产业化，帮助三菱北美公司的下属子公司推出VolumePro产品，我也参与了该芯片的第五代设计，设计了高分辨率体数据三维旋转的二维剪切(shear)分解算法，便于硬件的高效实现。我的另外一个贡献是提出了基于图像的体绘制加速算法(image-based volume rendering)，应用于实验室开发的虚拟结肠镜系统，该系统已经获得美国食品和药物管理局(FDA)的认证，作为光学结肠镜的替代方案进入健康检查和临床医疗系统。之后我对科学计算可视化和更广泛的信息可视化也开始感兴趣，曾经与天文物理学家合作，针对模拟计算的天体现象（如宇宙大爆炸），提出了高动态范围体数据可视化算法，获得2005年度IEEE可视化会议最佳论文奖。2008年回国以后，我的研究重心更多地转向了计算机图形学领域的问题，但对可视化研究一直保持着兴趣。我认为可视化领域在方法体系上还有许多待扩展的空间，基于中国的超算发展、大型制造工程以及在医学领域的巨大需求，科学计算可视化与医学数据可视化在我国有非常大的需求和意义，大有可为。 

CCCF：您回国后建立了可视计算研究中心，您具体做过什么样的研究工作？有哪些有意思的项目？

陈宝权：2008年，受倪明选教授（现香港科技大学（广州）创始校长）邀请，我回国加入中国科学院深圳先进技术研究院(SIAT)，跟他一起创建数字所。在回国之前的几年，我的研究重点已经从数据可视化转移到现实场景的三维扫描与重建。回国后我将研究目标规划为城市场景的三维数字化，然后在构建出的三维数字城市空间里加载城市运行中的各类数据，比如人流、车流、天气等信息，通过对这些融合的数据进行分析处理，实现城市信息处理和各项城市功能与服务的智能化，进而实现智慧城市的愿景。

2011年，我和北京航空航天大学的熊璋教授联合向科技部提议了863计划重大项目“智慧城市”，该提议获得立项。该项目经过一期和二期建设，国内在智慧城市领域迅速聚集了一批优势单位，形成了产学研联盟，构建了智慧城市建设的良好生态。随后，我带领团队主持了包括国家重点基础研究发展计划（973计划）“城市大数据的计算理论和方法”项目在内的一系列相关研究任务。在无人驾驶兴起之前，我们的研究成果便得到了谷歌、Autodesk、NavTEQ、百度等国内外头部企业的密切关注，并多次受邀与这些企业研讨交流。

现实场景的三维数字化是一切空间场景服务智能系统的基础，全方位实时更新是目标也是难题，也往往是瓶颈。早在2009年，我们就与当时还是初创公司的大疆合作，创始人汪滔特意为我们定制了一台加载专业相机云台的无人机，我们探索了从空中采集城市数据并将其与地面采集的数据进行融合的方法。目前，我们在进一步探索多机器人和多智能体（包括人）协同主动获取有效数据，实现持续的数字化更新。

CCCF：最近3年，您作为国家重点研发计划项目负责人主持了“科技冬奥”重点专项“冰雪项目交互式多维度观赛体验技术与系统”项目，带领团队在2022年北京冬奥会及冬残奥会上展现了针对精彩瞬间回放的赛事转播“黑科技”，令国内外观众倍感惊艳。该项成果获得央视、新华社、科技日报等媒体的多次报道。2021年12月31日，您受邀参加北京广播电视台“2022科学跨年之夜”，向公众科普该项冬奥科技。这个项目用到了哪些先进技术？最令您骄傲的闪光点是什么？

陈宝权：通过这个项目，我们为观众呈现了一个多角度全方位观看比赛的全新体验。它的实现并不是依靠某个单一的技术，而是由多个新技术与我国5G、8K基础设施有机集成而形成的一个综合系统。其中一个关键技术是实现从有限的相机视频生成密集的新视点影像，从而实现平滑的视点改变。另外，对几十路4K高清视频的实时计算与传输技术为交互体验提供了保障。针对如何更加专业又更加艺术地展示精彩赛事，我们开发了镜头语言表达和轨迹规划技术。

我们的系统先后应用于北京冬奥会测试赛和冬残奥会的冰球比赛转播，为冬残奥会提供“子弹时间”特效精彩瞬间回放，共服务了16场比赛，获得奥林匹克广播服务公司(OBS)工程技术总监伊西多罗·莫瑞诺(Isidoro Moreno)的高度称赞，称“该系统为未来奥运广播建立了新标准”。我们的系统作为“科技冬奥”的代表性成果之一，在冬奥会期间的北京冬奥村“北京小屋”展出，获得近千人次国内外运动员及体育官员的参观与体验。该成果还选入“十三五”科技成果展。

CCCF：在此项目中，您遇到了哪些挑战？又是怎样解决的？

陈宝权：挑战太多，有关键技术突破上的，有系统集成上的，有运营管理上的，更有沟通协调上的。核心挑战是将实验室技术带到全真实的场景中应用落地，而且还要满足一个非常紧迫的时间表。

在现实生活中，很多技术无法获得像实验室那么完备的运行支持条件，冬奥项目更是如此，它涉及与现有公共基础设施及资源的对接，以及与横向纵向各组织间（包括项目内部、合作企业、场馆、冬奥组委、OBS等）的沟通与协调。

至于如何解决这些问题，我们首先建立一个基本态度，就是目标导向，不断学习相关领域的知识和经验，提高对整个运营管理体系的了解，主动沟通，加强与各方合作，提升项目执行效率。

另外一点经验就是在持续推进项目的过程中，要把每一件事都做好，尽快获得各级部门的理解与信任，从而得到更多的支持。比如在项目之初，尽管时间紧迫和疫情带来不便，我们项目组克服种种困难，依然做到了第一时间组队进场测试。测试赛期间，我们的项目脱颖而出，从科技部到冬奥组委，各级部门都对我们的项目印象深刻，从而使后面的沟通变得越来越顺畅，冬奥组委还派专人与我们团队做定期沟通（关键时期每周一次），跟踪进展，为我们排忧解难。从进入各个场馆进行测试，到入驻冬奥“北京小屋”和在“十三五”科技成果展上进行成果展示，再到应奥林匹克广播服务公司邀请入场正赛进行现场转播，一路走来，可以说我们真的是过五关斩六将，稳扎稳打一步一步推进，获得的体验与回报是我们在项目之初没有预期到的，这是一段难忘的经历。 

CCCF：未来20年内，您认为您所在的研究领域会有哪些显著进步？需要解决的挑战是什么？

陈宝权：作为可视计算核心的计算机图形学，其未来机遇非常多！毕竟，人类进化的历史离不开视觉，人类的日常生活更离不开视觉，我们目前处在机器逐步代替人做许多工作的时代，机器（或者智能体）将拥有和人一样的能力，甚至在许多方面超过人的视觉想象和理解决策能力，这意味着将出现新的生产力、新的社会结构和新的文化艺术形态。

也许，可以借用元宇宙这个概念对未来发展做一个直观的概括。

随着元宇宙概念的提出，未来应用场景不断被挖掘出来，抛开一些不实际的炒作，元宇宙确实代表了未来发展的趋势。元宇宙离不开计算机图形学技术的发展，因为元宇宙的世界涉及对一个世界的视觉呈现和表达。元宇宙作为现实世界的延展，需要满足大众在虚拟世界中的生产、生活、社交等需求，而作为空间基础设施的三维场景构建就显得至关重要了。作为带有生产与社会属性的基础设施，其三维场景构建有别于影视游戏这些视觉体验类的应用，它们是物理世界的延伸，有其内蕴的功能性和社会演化性。构建这样一个数字世界表达，给可视计算的研究带来了全新的机遇。

计算机图形学对世界的数字化模拟仿真能力对于我们理解现实世界至关重要。首先，数字化仿真蕴含了对世界表象和动态的机理建模，构成了对现实世界的认知基础。其次，无人车、机器人等无人系统只有在仿真场景里得到充分的训练，才能不断提升其智能水平。智慧城市、智能制造等也越来越受益于现实世界的数字孪生系统，其智能化管理与生产能力将得到大幅提升。

因为元宇宙，计算机图形学成为人工智能的入口技术(interface)，它对世界的模拟仿真既为智能体训练提供环境，也为其提供知识模型。反过来，更高的智能有助于实现更逼真的模拟仿真。从近期来看，计算机图形学面临的挑战包括如何让三维数字内容的创作更加丰富和快捷；如何让这些“高端”技术真正跨越鸿沟走向大众，释放无穷的创意能力；我们需要制定哪些标准和规范来规避可能的风险和新的伦理问题。从长远来看，计算机图形学最需要突破的是从呈现到智能的转变，以造物主的视角建造一个具有生命力和智能的数字世界。

CCCF：您连续担任2届CCCF专题主编，是CCF会士、理事，您对CCF和CCCF的未来发展有什么期待？

陈宝权：我期待CCF可以更好地做到跟随学科的发展而发展，与时俱进。

CCF是一个由专业人士汇聚在一起的专业组织，它一定要以专业领域发展为核心，结合学科创新、技术进步和产业发展，不断从组织理念和模式上创新。CCF要为该领域的发展持续创建良好的生态，包括机构设置、人员组成、组织形式等多方面，在不断的变化发展中为这个共同体注入新的生命力。

计算机学科与其他学科的交叉融合是未来发展的重要方向，将会深刻改变生命科学、物理、化学以及人文社科等众多传统学科的发展形态，给更多的产业带来新机遇、新变革，甚至催生新产业。CCF未来也需要更多地辐射到不同领域、不同学科与不同年龄层次的会员，成为一个有持久生命力的学会。