Patrick Hanrahan: od tri Oskara do Turingove nagrade

Patrick Hanrahan, istaknuti kompjuterski naučnik, jedini koji je dobio prestižnu Turingovu nagradu za kompjuterske nauke („Nobel” za kompjuterske nauke) i čak tri Oskara. I to je sva tri Oskara dobio prije Turingove nagrade. Odigrao je ključnu ulogu u razvoju kompjuterske grafike, posebno u industriji zabave i naučnoj vizualizaciji. Njegov rad obuhvata razvoj sistema poput Pixarovog Rendermana i kompanije Tableau, koja je utemeljila široko korišteni softver za vizualizaciju podataka. Bio je uključen i u stvaranje Pixarove Toy story, ali i Parka iz doba jure.

Turingovu nagradu je dobio 2019. za „za fundamentalne doprinose trodimenzionalnoj kompjuterskoj grafici i uticaj kompjuterski generisanih slika (CGI) u filmskoj industriji i drugim primjenama”, kako piše u objašnjenju.

Od fizičara do pionira računalne grafike

Patrik Hanrahan je čovjek neobično blagog izgleda, uvijek pomalo sanjalačkog pogleda, okrenutog pomalo u oblake. Upoznala sam ga na Heidelberg laureate Forumu i osim intervjua, imala sam priliku s njim malo i popričati na koktelima. I zaista je jako prijazan, pristupačan i drag, sigurna sam da ću ga pamtiti po dobrom.

Rođen je 8. maja 1955.  u Milwaukeeju, savezna država Wisconsin. Hanrahanov put do računalne grafike započeo je njegovim obrazovanjem u fizici i to sa diplomom iz nuklearnog inženjerstva. Dakle sa svojim prvim usmjerenjem, mogao je biti naučnik u nukelarnoj centrali, ili raditi u vladinim institucijama za nuklearnu energiju. Pa ipak, došao je do nečega potpuno drugačijeg – kompjuterske grafike. On je zapravo otac kompjuterske grafike – CGI.

„Počeo sam kao fizičar i, iskreno, nisam ni znao da se računalna grafika kao polje tek razvija,” prisjeća se. Kao fizičar, Hanrahan je bio upoznat s konceptima kao što su svjetlosna propagacija i optika, što je odigralo presudnu ulogu u njegovom kasnijem radu na simulaciji svjetlosti i sjena. „Svi fizički zakoni koje sam učio na fakultetu postali su ključni za moj rad – kad simulirate svijet, razumijevanje fizike je neprocjenjivo.”

Kao pionir u ovom polju, Hanrahan je iskusio mnoge izazove u istraživačkom okruženju koje tada nije bilo razvijeno. „Postojao je neobjašnjiv entuzijazam zbog nove tehnologije, ali nismo imali pojma da će računalna grafika postati tako važna. Bila je to kombinacija naučnog istraživanja i kreativnog eksperimentisanja,” objašnjava on.

Hanrahan ističe i radove naučnika na koje se on naslonio i sa kojima je radio. Dr. Ed Catmull, inspirisan radom Ivana Sutherlanda, pionira u oblasti kompjuterske grafike, počeo je razvijati interes za 3D grafiku na Univerzitetu Utah. Pat Hanrahan se pridružio Catmullu u Pixar-u 1986. godine, gdje su obojica usmjerili svoje inovacije ka što realističnijem prikazu 3D površina i scena. Catmull je razvio algoritme za prikaz zakrivljenih površina i osmislio Z-buffer algoritam, koji omogućava određivanje vidljivih objekata u sceni. Takođe, razvili su i metode teksturiranja koje se koriste i danas.

Jedan od ključnih doprinosa Catmulla, zajedno sa Rob Cookom i Loren Carpenterom, jeste REYES arhitektura (skraćeno od “Renders Everything You Ever Saw” ili “Renderuje sve što ste ikada vidjeli”). REYES je postala temelj za RenderMan, koji je Hanrahan dalje razvio u Pixar-u, čineći ga standardom u renderovanju slika za filmove.

Renderman: Alat za oživljavanje animacije

Jedan od najvažnijih Hanrahanovih doprinosa bio je rad na Pixarovom Rendermanu, softverskom sistemu za renderovanje koji je omogućio kreiranje digitalnih slika i animacija kakve danas poznajemo. „Najvažniji dio mog rada u Pixaru bio je rad na Rendermanu, koji omogućava umjetnicima da transformišu scene iz datoteka u digitalne slike,” objašnjava Hanrahan. „Softver pretvara upute kao što su lokacije svjetla i objekata u slike, poput JPEG-a, koje zatim postaju dijelovi animacije.”

„Renderman funkcioniše ovako – umjetnik dizajnira scenu u animaciji, i on ima fajl koji kaže, recimo, ovdje je sfera, ovdje je svjetlo. Ja sam napravio softver koji pretvara te podatke u sliku, kao JPEG sliku. To je, dakle, interesantan problem. Mogao bih vam pričati koliko god želite o različitim aspektima tog problema, ali sam se time bavio mnogo tokom svoje karijere, i svi moji Oskari su vezani za takve projekte. Pored toga, radio sam dosta na vizualizaciji. To je jedan od razloga zašto sam se vratio na univerzitet – pomislio sam da bi kompjuterska grafika mogla imati primjenu i van zabavne industrije. Mislim, zabava je sjajna primjena, ali želio sam da pronađem više funkcionalne svrhe, kao što su pomoć ljudima da riješe važne probleme vezane za posao ili donesu odluke. Počeo sam karijeru kao fizičar i tokom školovanja sam se mnogo bavio analizom podataka.“ istakao Hanrahan.

Sjećate se lampe koja skače na Pixarovim filmovima? E, pa i za nju je Hanrahan dobio Oskara

Zahvaljujući svom radu, Hanrahan je osvojio tri nagrade Akademije za doprinos u filmskoj industriji, a 2019. godine dobio je i prestižnu Turingovu nagradu, koja se smatra Nobelovom nagradom u računalnim naukama. “Osjećam se pomalo kao riba izvan vode kada sam među naučnicima koji me vide kao dio filmskog svijeta, ali istovremeno među filmskim radnicima sam naučnik,” kaže uz osmijeh. “Nadam se da će moj rad na algoritmima i GPU-ovima nastaviti da inspiriše i računalne naučnike i filmske stvaraoce.”

Na Wikipedia piše sljedeće:

„Godine 1993. Hanrahan i drugi osnivači Pixar-a dobili su naučno i inženjersko priznanje za RenderMan. U 2004. godini, zajedno sa Stephenom R. Marschnerom i Henrikom Wann Jensenom, podijelio je nagradu za tehničko dostignuće za istraživanje simulacije potkožnog raspršivanja svetlosti u providnim materijalima. U 2014. godini, sa Mattom Pharrom i Gregom Humphreysom, osvojio je još jednu nagradu za tehničko dostignuće za formalizaciju i referentnu implementaciju koncepata iza fizički baziranog renderovanja, kao što su predstavili u svojoj knjizi Physically Based Rendering”.

No, šta to znači?

Prisjećajući se pionirskih dana, Hanrahan se osvrće na probleme u kreiranju prvih kompjuterskih animacija: „Kada smo radili sa Pixarom, Luxo Jr. animacija lampe koja skače po ekranu bila je nevjerovatno izazovna – nismo ni znali kako da kreiramo sjene!” Prva animacija razvijena u Pixaru postala je ikonična upravo zbog sposobnosti softvera da simulira dinamičke sjene, što je tada bio pravi tehnički podvig.

Pitala sam Hanrahana za šta je tačno dobio Oskare. Dakle, prvog je dobio s timom iz Pixara za razvoj sistema kompjuterske grafike, za Renderman.

„Onda me je interesovao problem kako prikazati kožu, Zapravo kada svjetlost uđe pod kožu ona se raspršuje i stvaraju se sjene i prelazi, te boja kože. No kako to prikazati pomoću kompjuterske grafike? E to je bio problem. Trebalo je prevesti na jezik koda, prikazati matematički“, kazao je.

Hanrahan je objasnio izazove u stvaranju realističnih slika pomoću 3D modeliranja. „Ljudi misle da je sve moguće sa današnjom tehnologijom, ali 3D grafika i dalje ima svoja ograničenja,” kaže. “Kada radimo sa materijalima poput kože i kose, to nije samo stvar crtanja – moramo simulirati kako svjetlost reaguje sa tim materijalima. Na primjer, koža reflektuje svjetlost kroz fenomen koji nazivamo subsurface scattering, gdje svjetlost ulazi ispod površine, raspršuje se i izlazi na drugom mjestu.”

Ova tehnika omogućila je da Pixar i drugi studiji postignu visoki stepen realizma u svojim filmovima, ali je proces vrlo zahtjevan i zahtijeva mnogo računalne snage i resursa. „Računalna grafika je danas zapanjujuće napredna, ali i dalje je vrlo složen i naporan proces,” ističe on.

Trećeg Oskara je dobio zapravo za prikazivanje ponašanja sjene, i kako se sjene rasprostiru i ponašanju kod objekta koji se kreće i kod kojeg se mijenja smjer svjetla… da, to je upravo ona lampa, za one koji ne znaju, zove se Luxo Jr. Lampa u Pixarovim filmovima nije napravljena da bi bila maskota, logo i duhoviti džingl nego kako bi se istražilo ponašanje svjetlosti i sjena koje iz te igre svjetlosti proizilaze.

Rekla sam mu „Pa gospodine Hanrahan, Vi ste praktično uradili ono što je radio Leonardo da Vinci u Trattato della pittura kada je govorio o teorijskim osnovama slikanja, kako slikati oblak, kako se svjetlo rasprostire…”

Hanrahan se nasmijao i rekao kako je zahvalan što sam to primijetila. „Nekako sam i ja uvijek zamišljao da idem da Vincijevim stopama, samo u digitalnoj eri.”  Nauka i umjetnost koje koračaju zajedno.

Tablaeu i vizualizacija podataka

Tokom svoje karijere, Hanrahan je uvidio da primjena računalne grafike može nadmašiti okvire zabavne industrije. “Vratio sam se na univerzitet jer sam vjerovao da kompjuterska grafika može imati praktične primjene u analizi podataka i donošenju odluka,” objašnjava. Na temelju tog uvjerenja osnovao je Tableau, kompaniju koja je razvila softver za vizualizaciju podataka široko korišćen danas u poslovnom svijetu. „Želio sam da pomognem ljudima u pregledu i analizi podataka kako bi lakše donosili odluke,” ističe Hanrahan. Tableau je postao jedan od najpopularnijih softverskih alata za poslovnu analitiku, a njegova upotreba raširena je među profesionalcima širom svijeta.

Algoritmi, hardver i GPU revolucija s Nvidia

Pored rada na softveru, Hanrahan je bio dio revolucionarnih promjena u razvoju grafičkih procesorskih jedinica (GPU, Graphics Processing Unit). „U to vrijeme, NVIDIA je bila mala kompanija, a ljudi nisu mislili da će GPU imati velikog značaja,” prisjeća se Hanrahan. „Ali stvaranje kvalitetne slike zahtijeva mnogo procesorske snage, skladištenja i mrežnog protoka.” Jedan od njegovih studenata sa Stanforda kasnije je radio na implementaciji CUDA tehnologije (Compute Unified Device Architecture), ključne softverske platforme, layera koji omogućava NVIDIA GPU-ovima da izvode složene proračune, proširujući njihovu primjenu daleko izvan grafičkih prikaza, uključujući polja kao što su mašinsko učenje i naučno modeliranje.

Naime, CUDA je tehnologija koju je razvila kompanija NVIDIA, omogućavajući programerima da koriste snagu GPU-a za paralelno procesiranje, ne samo za grafiku, već i za opšte računarske zadatke. Prije nego što je CUDA uvedena, GPU-ovi su uglavnom korišteni isključivo za renderovanje grafike. CUDA omogućava pristup grafičkoj procesorskoj jedinici kao računarskom procesoru za složene matematičke proračune, što je revolucioniziralo oblasti poput mašinskog učenja, simulacija i analitike podataka.

Za one koji ne znaju, ovaj slijed događaja s razvojem Nvidia i CUDA bio je ključan za skok u napretku u razvoju umjetne inteligencije. Zapravo pritisak na razvoj industrije zabave, gaming industrije i složenog CGI koji je zahtijevao jače grafičke kartice, implicirao je indirektno i kreiranje platforme pogodne za razvoj AI.

Jednostavnost i kreativnost u tehnologiji: budućnost vizualizacije

Jedan od ključnih ciljeva Hanrahanovog rada bio je pojednostaviti procese za buduće kreatore. “Svi imamo kamere na telefonima i možemo lako da fotografišemo. Bilo bi sjajno kada bi se ista lakoća primijenila na kreiranje animiranih filmova i video-igara, tako da, na primjer, srednjoškolci mogu napraviti sopstvenu igru ili nezavisni film,” objašnjava on. Uprkos nevjerojatnom napretku u grafici, Hanrahan naglašava da je svaki korak i dalje intenzivan i vrlo složen: “Svaki pokret u animaciji, svaki efekat, sve zahtijeva namještanje brojnih parametara i ručno podešavanje. Iako to djeluje kao magija, taj proces je i dalje daleko od automatizacije.”

Vizija “prolaza u virtualni svijet” i fizička suština grafike: iluzija dovoljnih detalja

Hanrahan smatra da je veliki dio inspiracije za rad u računalnoj grafici dolazio iz želje da se ekran koristi kao prolaz u virtuelni svijet, čime se prenosi iskustvo gledatelja u potpuno novu dimenziju. “Na neki način, pokušavamo simulirati svijet, ali bez potpune realnosti – stvaramo samo iluziju dovoljno uvjerljivu da obmanemo gledatelja,” kaže Hanrahan. “Trik je u tome da stvorimo samo onoliko koliko je potrebno da gledatelj vjeruje da je scena stvarna.”

U toj igri između stvarnog i imaginarnog Hanrahan vidi ljepotu kompjuterske grafike: “Često, ono što radimo nije nužno potpuno realistično, ali kreiramo dovoljno uvjerljive fasade.” Potemkinova sela novog digitalnog doba.

Hanrahanov rad u računarskoj grafici predstavlja spoj nauke, kreativnosti i inovacije. Njegovi doprinosi, od Rendermana do Tableaua i GPU tehnologije, oblikovali su kako ljudi danas koriste računalnu grafiku, od zabave do naučnih primjena.