清华姚班毕业生开发新特效编程语言,99 行代码实现《冰雪奇缘》,...-技术圈

作者：边策、鱼羊
来自：量子位

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/taichitaichi_mpm 项目地址:
https://github.com/yuanming-hu/taichi_mpm

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