清华毕业生开发新特效编程语言,99行代码实现

清华毕业生开发新特效编程语言,99行代码实现

时间:2020-01-08 13:40 作者:admin 点击:
阅读模式 关注前沿科技 量子位 边策 鱼羊 发自 凹非寺 量子位 报道 | 公众号 QbitAI 只用99行代码,你也可以像《冰雪奇缘》里的艾莎公主一样拥有冰雪魔法。 虽然你不能在现实世界中肆意变出魔法,但却能在计算机的虚拟世界挥洒特效。

或许你不知道,电影和动画中特效有时仅仅短短的一秒,却可能需要高性能计算机演算一周,花费惊人。 《冰雪奇缘》没有真人出演,预算却高达1.5亿美元,每一秒的镜头都是经费在燃烧。一般人想用电脑做出CG特效简直不可想象。 然而,最近一位来自中国的MIT博士,开发了一种新的CG特效编程语言Taichi(太极),大大降低了门槛。 △白色:雪;红色:果冻;蓝色:水 一个简单的物理场景,普通PC仅需几分钟即可渲染完成,相比TensorFlow提速了188倍、比PyTorch快13.4倍,代码长度只有其他底层方法的十分之一。 安装它就像TensorFlow一样容易,使用起来也是差不多: import taichi as ti 甚至,Taichi的发明者胡渊鸣同学还为此编写了完整使用教程。 关于Taichi,胡同学已经发表了多篇文章,分别被SIGGRAGH 2018、ICRA 2019、NeurIPS2019、ICLR 2020等顶会收录。 计算机图形学知名学者、北大教授陈宝权给出很高的评价: 给胡渊鸣同学点赞!一己之力开发了物理模拟编程语言 Taichi! 像渊鸣这样如此投入写有影响力的开源代码实在是难能可贵。 像SIGGRAPH这样的,可能要投入1~2年才会有成果,论文接受率低,即使能发表出来,引用率也不高。 网友们在围观之后也纷纷表示:渊鸣大神太强了。 图形+系统+编译,真是创世的快乐。 88行代码模拟真实物理环境 正如胡同学本人所说,99行代码很短,背后的技术故事却很长。 故事的开头,要从Material Point Method(物质点法)说起。 MPM是一种在影视特效领域广受青睐的模拟连续介质方法,迪士尼的《冰雪奇缘》就用到了这项技术。 但在早期,MPM的运行速度非常慢,比如《冰雪奇缘》里安娜过雪地的镜头,据说要在集群上跑整整一个星期。 为了提高MPM的运行速度和性能,在大四毕业的那个暑假,胡渊鸣投入了Moving Least Squares MPM(MLS-MPM)的研究。 胡渊鸣的灵感是,用移动最小二乘法统一AIPC(The Affine Particle-In-Cell Method)中的仿射梯度场(affine velocity field)和MPM中的变形梯度更新(deformation gradient update)两种离散化。 在宾夕法尼亚大学蒋陈凡夫教授的指导下,胡渊鸣等人完成了移动最小二乘物质点法(MLS-MPM)方法的研究,不仅实现了新的应力散度离散化,使MPM的运行速度快了两倍,还成功模拟了MPM此前并不支持的各种新现象。 比如材料切割: 刚性体的双向耦合: 这项成果最终发表在了SIGGRAPH 2018上。 为了进一步证明MLS-MPM的简易性,胡渊鸣用88行C++代码实现了MLS-MPM的demo。(代码详情请戳文末 taichi_mpm 项目链接)。 这个88行版本后来也成为了入门MPM的必备参考实现。 乾坤(ChainQueen)可微物理引擎 2017年的夏天结束之后,胡渊鸣正式进入MIT读博。 这时候,胡渊鸣又迸发了新的灵感:求出MLS-MPM的导数。有了导数,就能只用梯度下降来优化神经网络控制器。 在这一思想的指导下,ChainQueen诞生了。 胡渊鸣解释说,chain是为了纪念他在求导过程中被链式法则折磨的经历,而ChainQueen则与乾坤谐音。 乾坤基于MLS-MPM,是一种针对可变形对象的、实时的可微混合拉格朗日-欧拉物理模拟器。该模拟器在前向仿真和反向梯度计算中均实现了高精度。 这项研究发表在了ICRA 2019上,胡渊鸣也以此完成了硕士论文。 DiffTaichi 随后,胡同学将工作又推进一步,提出了可微分编程DiffTaichi,被ICLR 2020收录。 在这篇文章的代码中,胡同学创建了10个不同的物理模拟器,并根据现有基准对其性能进行基准测试。 Taichi中的可微分编程,可以通过蛮力的梯度下降有效地优化神经网络控制器,而不必使用强化学习。 10种可微分模拟器中的大多数模型可以在2-3小时内实现,而且大部分不需要GPU。这些示例中,弹性体、刚体、流体、光线的折射、弹性碰撞,常见物理环境应有尽有。 第一个示例可微分弹性对象模拟器,经过我们的实测,在2017版13寸的MacBook Pro上也能运行,而且完成优化只需不到十分钟的时间: 不仅是2D,更复杂的3D弹性体也能模拟: 还有可微分的3D流体模拟器,经过450步的梯度下降迭代,已经非常逼真: DiffTaichi模拟水对光线折射的渲染器,一张图片经过它的渲染,甚至能骗过图像分类器。经过测试,VGG16将带有水波纹的松鼠图片当做金鱼,而且认为概率为99.91%。 在强化学习的模拟环境中,刚体机器人很常见,DiffTaichi也能模拟: DiffTaichi还能模拟多个物体的复杂场景,比如台球: 用Taichi语言编写的模拟器大大简化了代码,可微分弹性对象模拟器只用了110行代码,而直接用CUDA编写则需要490行。 同时,Taichi的速度还很快,相比CUDA版本几乎没有什么损失,比TensorFlow快了188倍,比PyTorch快13.4倍。 而且神经网络控制器一般只需要几十次迭代,即可完成优化。 为何做Taichi 谈到为何要做Taichi,计算机图形学一直缺乏像TensorFlow那样的通用工具,每个要从事开发的人都必须了解基本原理,才能去做编程。 这和深度学习领域形成了鲜明的对比。 近年来,甚至有中学生,利用TensorFlow或者PyTorch,写一点代码,优化几个模型,就可以在一些顶会上发表论文,许多人看来,这是件坏事,因为让深度学习论文的含金量大大降低。 但胡渊鸣看到了另一面。他认为,深度学习这些年之所以能发展快、门槛低,就是因为有简单易用的好工具,计算机图形学让人望而却步,就是因为缺乏类似的工具,因此他开发了Taichi。 本来Taichi要做成一种单独的编程语言,但是为了方便大家使用,胡渊鸣用了一句import taichi as ti把Taichi语言假装成Python。 改成基于Python,这样做的好处不仅是降低学习门槛,还能使用很多现成的Python IDE,与numpy、matplotlib等工具库无缝衔接。 经过几个月的努力,胡渊鸣终于把Taichi改成了pypi安装包,让不同配置不同操作系统的机器都能顺利运行图形学的程序。 高一保送清华,博一6篇paper 说起胡渊鸣,这又是一位从少年时代起就熠熠闪光的“大神级”选手。 高一保送清华,竞赛生涯中,拿下APIO 2012、NOI 2012、ACM-ICPC 2013长沙区域赛、ACM-ICPC上海区域赛四块金牌,其中APIO 2012成绩是全场第一名。 2013年进入清华姚班,胡渊鸣与陈立杰、范浩强等人成为同班同学,这群年轻人的才华在这里汇聚、碰撞,与“姚班”二字相互成就。 本科期间,胡渊鸣先后前往东京大学、斯坦福大学访学,并曾于微软亚洲研究院实习,从事深度学习和计算机图形学研究。本科便有多篇论文中选CVPR、SIGGRAPH等国际顶会。 2017年,胡渊鸣进入MIT读博。入学13个月后,完成硕士论文ChainQueen,拿到MIT硕士学位。博一期间,共发表6篇顶会论文。 最后,如果想了解这99行代码背后更多的研究历程,不妨读一读胡渊鸣本人的知乎专栏文章。大神不仅代码写得好,码字和蒸鸡蛋也是好手呢~ 传送门 胡渊鸣知乎原文: https://zhuanlan.zhihu.com/p/97700605 论文地址: https://arxiv.org/abs/1910.00935 太极项目地址: https://github.com/yuanming-hu/taichi taichi_mpm项目地址: https://github.com/yuanming-hu/taichi_mpm 作者系网易新闻·网易号“各有态度”签约作者 — 完 —