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浅谈曲面参数化 - 算法和理论 (I)


2017年寒假期间,老顾游历了中国大陆的很多城市,包括武汉、南京、合肥、金华、青岛、郑州、北京、大连,同时访问了许多大学,和很多领域的专家学者探讨了学术问题,给了一些演讲,从基础数学至计算机科学,再到具体应用。青年学者们的求知热情非常令人感动。因为每次演讲都是蜻蜓点水,无法将内容讲解透彻,因此老顾计划撰写几篇博文,将相关主题深入探讨。


从历史的全局观点来看,工程技术的发展不停地对纯粹科学提出挑战,从而促进理论的发展,同时反过来理论的建立指导着技术实践,为技术的进一步发展指明了方向。历史就是这样循环往复,螺旋上升。


并且,实际情形非常复杂,历史洪流经常有回旋湍流,泥沙俱下,渺小的个人被裹挟其中,经常身不由己,迷失方向,无可奈何中随波逐流,蹉跎岁月。


在过去的科研教学中,老顾与纯粹数学家和计算机科学家都有长期合作,他们知识结构不同,价值观念迥异,在很大程度上分别代表了科学和技术两种文化理念。工程技术人员非常注重算法工艺的开发,强调实用价值,目的在于改变当前社会,推动时代的发展。其研究方法侧重于经验的积累,唯象方法的总结;基础科学家则专注于深刻理论的建立,忽视短期的经济回报,强调长远的价值,推动整体文明的发展。其研究方法侧重抽象理论的建构,苛求严格性,永恒性。


老顾经常遇到计算机科学背景的学生和基础数学背景的学生,他们不同的知识结构和职业训练给了他们非常不同的价值取向和审美品位。很多计算机科学的学生刻意磨炼动手能力,经常陶醉于自己实现的算法程序,追求能够创业的新颖想法,但是对于算法的严格性、算法所依据的理论完备性,没有苛求;基础数学的学生注重磨炼抽象思维能力,对于深刻宏大的理论孜孜以求,对于各种数学结构及其内在联系非常敏感,并且能够产生深刻的审美体验,但是对于如何将抽象的理论应用于实践有所忽视。老顾在清华大学,大连理工大学和首都师范大学都教授过计算共形几何课程。有很多计算机科学系的学生非常热衷学习并实现各种算法,但是比较抵触拓扑和几何理论;也有数学系的学生专注而热切地学习相应的理论,但是对于算法部分嗤之以鼻。其实,这些学生都是缺乏人生阅历的年轻人,所处的相对单纯的人文环境塑造了相对狭窄的学术视野。同时,年轻人所面临的学位就业压力,所在领域的价值取向,使得他们无法自由地向学术纵深探索。例如,有一位计算机图形学领域的博士生,他的博士专题是曲面参数化。他花费了巨大的精力研读了计算机图形学领域顶级期刊中所有的相关文章,由此构建了他这一方面的知识结构,并且将个人的改进创造融合到时下最为时髦的方法之中,发表在计算机科学的期刊上,得到了学术界的认可,获取了博士学位。但是,他所发明的算法依然停留在经验性方法阶段,他没有真正深究其后的理论,一方面是因为其知识结构的不足,无法真正在理论方面有所突破,另一方面也由于工程界忽视理论的严密性,完全认可经验性的方法,同时更是为生活压力所迫,力求尽早拿到学位。


老顾也经常遇到社会地位稳定的学者们,他们对于技术-理论的问题的态度更为成熟而深邃。很多功成名就的计算机科学家,他们最大的遗憾就是自己的发明创造被时代所抛弃。比如,计算机图形学领域的泰斗级学者Tom Sederberg教授,有一次告诉老顾他的亲身经历。Sederberg教授刚出道时,计算机的存储和计算能力都非常有限,曲面的主要表示方法是样条曲面(Spline Surface),图形学中曲面渲染(Rendering)的主要方法是光线跟踪法(Ray Tracing)。光线跟踪法需要计算一条射线和曲面的交点,射线的方程是

,这里
代表相机的光心和射线方向;样条曲面是一种参数表示,
,需要被转换成所谓的隐式表示
,从而和射线方程联立,求得交点。Sederberg教授的成名作就是用代数几何中的结式(resultant)方法将样条曲面隐式化(implicification)。但是,依随时代的发展,计算机存储和计算能力的提高,在数字媒体、电影游戏领域曲面都是用三角网格来表示,曲面渲染算法主要是用OpenGL,即便用光线跟踪法,样条曲面也是用三角网格来逼近。Sederberg教授的隐式化方法迅速被遗忘,并且一度被评为几何建模领域十大无用算法之首。这件事情曾经深深地刺激了Sederberg教授,使得他发愤图强,发明了现在被广泛应用的T-样条理论和算法。也有一些计算机科学家在某个领域独领风骚,发明了影响深远的算法,但是却苦恼于无法深刻理解所研究现象的本质,和其算法的适用范围。更多的计算机科学家也忧虑自己的发明具有鲜明的时效性,无法长久传世。纯粹数学家相对较少怀疑自身研究成果的恒久价值,但是苦恼于无法被普罗大众所理解,距离国计民生过于遥远。


在大连理工大学演讲时,罗钟铉教授大发感慨:“中国现在是大国,但是还不是强国。中国有着数千年的历史,发明过璀璨的技术,但是没有发展出完备成熟的理论体系。因此许多技术在近代失传。目前的社会比较急功近利,在喧嚣浮躁中更加需要追求深刻追求永恒的精神。”


如果我们将眼光放长远,考察科技发展历史,我们的确能够看到技术和理论相辅相成,相互促进的发展历程。在计算机图形学中有一个非常独特的领域:曲面参数化,其二十年的发展历程佐证了技术和理论相互作用的历史发展观。我们计划首先介绍如何用工程方法来研究曲面参数化问题,然后介绍从古典几何理论如何理解这一问题,最后介绍如何基于古典理论来建立现代离散理论。





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