大神碉堡!99 行代码实现的神奇效果
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
写在最后
「逆锋起笔」专注程序员综合发展,分享Java、Python、编程技术资讯、职业生涯、行业动态的互联网平台,实现技术与信息共享,关注即送全网最新视频教程。
推荐阅读
-
大神碉堡!99 行代码实现的神奇效果
-
Grid++Report 锐浪报表开发常见问题解答集锦-报表设计 问:怎样在设计时打印预览报表? 答:为了及时查看报表的设计效果,Grid++Report 报表设计应用程序提供了四种查看视图:普通视图、页面视图、预览视图与查询视图。通过窗口下边的 Tab 按钮可以在四种视图中任意切换。在预览视图中查看报表的打印预览效果,在查询视图中查看报表的查询显示效果。如果在报表的记录集提供了数据源连接串与查询 SQL,在进入预览视图与查询视图时会利用数据源连接串与查询 SQL 从数据源中自动取数,否则 Grid++Report 将自动生成模拟数据进行模拟打印预览与查询显示。注意:在预览视图与查询视图中看到的报表运行结果有可能与在你程序中的最终运行结果有差异,因为在报表的生成过程中我们可以在程序中对报表的生成行为进行一定的控制。 问:怎样用 Grid++Report 设计交叉表? 答:Grid++Report 没有提供专门实现交叉表的功能,其它的报表构件提供的交叉表功能一般也比较死板和功能有限。利用 Grid++Report 的编程接口可以做出灵活多变,功能丰富的交叉表。示例程序 CrossTab 就是一个实现交叉表的例子程序,认真领会此例子程序,你就可以做出自己想要各种交叉表,并能提取一些共用代码,便于重复使用。 问:怎样设置整个报表的缺省字体? 答:设置报表主对象的字体属性,也就是设置了整个报表的缺省字体。如果改变报表主对象的字体属性,则没有专门的设置字体属性的子对象的字体属性也跟随改变。同样每个报表节与明细网格也有字体属性,他们的字体属性也就是其拥有的子对象的缺省字体。 问:怎样在打印时限制一页的输出行数? 答:设定明细网格的内容行的‘每页行数(RowsPerPage)’属性即可。另外要注意‘调节行高(AdjustRowHeight)’属性值:为真时根据页面的输出高度自动调整行的高度,使整个页面的输出区域充满。为假时按设计时的高度输出行。 问:怎样显示中文大写金额? 答:将对象的“格式(Format)”属性设为 “$$” 及可,可以设置格式的对象有:字段(IGRField)、参数(IGRParameter)、系统变量(IGRSystemVarBox)与综合文字框(IGRMemoBox),其中综合文字框是在报表式上设格式。 问:能否实现自定义纸张与票据打印? 答:Grid++Report 完全支持自定义纸张的打印,只要在报表设定时在页面设置中选定自定义纸张,并指定准确的纸张尺寸。当然要在最终输出时得道合适的打印结果,输出打印机必须支持自定义纸张打印。Windows2000/XP/2003 操作系统上可以在打印机上定义自定义纸张,也可以采用这种方式实现自定义纸张打印。 问:怎样实现 0 值不打印? 答:直接设置格式串就可以,在“数字格式”设置对话框中选定“0 不显示”,就会得到合适的格式串。也可以通过直接录入格式串来指定 0 不显示,但格式串必须符合 Grid++Report 的规定格式。另一种实现办法是在报表获取明细记录数据时,在 BeforePostRecord 事件中将值为零的字段设为空,调用字段的 Clear 方法将字段置为空。 问:怎样实现多栏报表? 答:在明细网格上设‘页栏数(PageColumnCount)’属性值大于 1 即可。通过 Grid++Report 的“页栏输出顺序”还可以指定多栏报表的输出顺序是“先从上到下”还是“先从左到右”。 问:如何实现票据套打? 答:Grid++Report 为实现票据套打做了很多专门的安排:报表设计器提供了页面设计模式,按照设定的纸张尺寸显示设计面板,如果将空白票据的扫描图设为设计背景图,在定位报表内容的输出位置会非常方便。报表部件可以设定打印类别,非套打输出的内容在套打打印模式下就不会输出。 问:Grid++Report 有没有横向分页功能? 答:回答是肯定的,在列的总宽度超过打印页面的输出宽度时,Grid++Report 可以另起新页输出剩余的列,如果左边存在锁定列,锁定列可以在后面的新页中重复输出,这样可以保证关键数据列在每一页都有输出。仔细体会 Grid++Report 提供的多种打印适应策略,选用最合适的方式。Grid++Report 的多种打印适应策略为开发动态报表提供了很好的支持。 问:怎样实现报表本页小计功能? 答:定义一个报表分组,将本分组定义为页分组,在本分组的分组头与分组尾上定义统计。页分组就是在每页产生一个分组项,在每页的上端与下端都会分别显示页分组的分组头与分组尾,页分组不用定义分组依据字段。 报表运行 问:怎样与数据库建立连接? 答:如果在设计报表时指定了数据集的数据源连接串与查询 SQL 语句,Grid++Report 采用拉模式直接从数据源取得报表数据,Grid++Report 利用 OLE DB 从数据源取数,OLE DB 提供了广泛的数据源操作能力。如果 Grid++Report 的数据来源采用推模式,即 Grid++Report 不直接与数据库建立连接,各种编程语言/平台都提供了很好的数据库连接方式,并且易于操作,应用程序在报表主对象(IGridppReport)的 FetchRecord 事件中将数据传入,例子程序提供了各种编程语言填入数据的通用方法,对C++Builder 和 Delphi 还进行了专门的包装,直接关联 TDataSet 对象也可以将 TDataSet 对象中的数据传给报表。 问:打印时能否对打印纸张进行自适应?支持表格的折行打印吗? 答:Grid++Report 在打印时采用多种适应策略,通过设置明细网格(IGRDetailGrid)的‘打印策略(PrintAdaptMethod)’属性指定打印策略。(1)丢弃:按设计时列的宽度输出,超出范围的内容不显示。(2)绕行:按设计时列的宽度输出,如果在当前行不能完整输出,则另起新行进行输出。(3)缩放适应:对所有列的输出宽度进行按比例地缩放,使总宽度等于页面的输出宽度。(4)缩小适应:如果列的总宽度小于页面的输出宽度,对所有列的输出宽度进行按比例地缩小,使总宽度等于页面的输出宽度。(5)横向分页:超范围的列在新页中输出。(6)横向分页并重复锁定列。 问:如何改变缺省打印预览窗口的窗口标题? 答:改变报表主对象的‘标题(Title)’属性即可。 问:利用集合对象的编程接口取子对象的接口引用,但不是自己期望的结果。 答:Grid++Report中所有集合对象的下标索引都是从 1 开始,另按对象的名称查找对象的接口引用时,名称字符是不区分大小写的。 问:怎样在运行时控制报表中各个对象的可见性?即怎样在运行时显示或隐藏对象? 答:在报表主对象(GridppReport)的 SectionFormat 事件中设定相应报表子对象的可见(Visible)属性即可。 问:报表主对象重新载入数据,设计器中为什么没有反映新载入的数据? 答:应调用 IGRDesigner 的 Reload 方法。 问:怎样实现不进入打印预览界面,直接将报表打印出来?