艾德文·卡特姆：将画布变成屏幕，开启CGI时代

名人说：路漫漫其修远兮，吾将上下而求索。—— 屈原《离骚》
创作者：Code_流苏(CSDN)（一个喜欢古诗词和编程的Coder😊）

艾德文·卡特姆：从图形算法到皮克斯的梦想工程师

一、早年生活与教育背景

1. 童年与灵感源泉

艾德文·厄尔·卡特姆（Edwin Earl Catmull）于1945年3月31日出生于美国西弗吉尼亚州帕克斯堡。在他还是孩子的时候，家人搬到了犹他州盐湖城，在那里他的父亲先后担任格兰尼特高中和泰勒斯维尔高中的校长。作为摩门教家庭中五兄弟中的长子，卡特姆在年轻时曾在20世纪60年代的纽约市地区担任传教士。

图片：艾德文·卡特姆

卡特姆早年从迪士尼电影中获得灵感，包括《小飞侠》和《木偶奇遇记》，梦想成为一名动画师。然而，他在高中毕业后并不知道如何实现这个梦想，因为当时几乎没有专门的动画学校。这种对动画的热爱与创造力将成为推动他未来事业的核心动力。

2. 大学教育与计算机图形学启蒙

面对现实，卡特姆选择发挥自己在数学方面的天赋，在犹他大学攻读物理学和计算机科学。1969年，他获得了计算机科学和物理学的学士学位。毕业后，他曾在波音公司短暂工作，但经济危机导致大规模裁员，促使他回到犹他大学继续深造。

回到犹他大学后，卡特姆选修了一门全新的计算机图形学课程，这将彻底改变他的职业方向。正如他所说："我们在计算机科学领域的前沿，而我可以制作图片，还有潜力创造艺术。就是这样，我的方向确定了。"在那里，他成为了著名计算机科学家伊万·萨瑟兰（Ivan Sutherland）的学生。

在犹他大学期间，卡特姆进行了计算机图形学的开创性研究。1971年，作为萨瑟兰教授的计算机图形学课程的一部分，卡特姆创建并动画化了他左手的模型，这被认为是最早的3D阴影计算机动画示例之一。

这项工作导致了他在ACM年会论文集中发表了第一篇学术论文。这部影片的片段后来被用于1976年理查德·赫夫隆执导的电影《未来世界》，成为首批用于故事片的计算机动画序列之一。

二、开创性的技术贡献

1. 核心图形学创新

卡特姆在计算机图形学领域的贡献是革命性的，他开发了四项关键技术：

• Z缓冲区（Z-buffering）：这是一种解决3D图形中隐藏面问题的技术，决定哪些元素相对于视点是可见的，哪些被其他元素遮挡。Z缓冲区已成为现代3D渲染的基础技术。

• 纹理映射（Texture mapping）：这项技术允许将2D图像"包裹"在3D物体表面，极大地增强了渲染图像的视觉细节和真实感。

• 细分曲面（Subdivision surface）：卡特姆与吉姆·克拉克（后来创立硅谷图形和网景）合作开发了卡特姆-克拉克细分曲面算法，这是一种通过指定较粗的多边形网格来表示平滑表面的方法，现在是电影特效和动画中最主要的表面处理技术。

• 双三次曲面快速渲染（Fast rendering of bicubic patches）：这一技术提高了复杂曲面的渲染效率。

这些创新在消除"锯齿"（早期计算机图形的标志性粗糙边缘）和实现照片级真实感图形方面发挥了关键作用。

2. 从学术到工业应用的过渡

1974年，卡特姆获得了计算机科学博士学位，并被应用科技公司（Applicon）聘用。然而仅仅几个月后，纽约理工学院（NYIT）的创始人亚历山大·舒尔（Alexander Schure）邀请他担任新成立的计算机图形实验室主任，这一邀请令卡特姆无法拒绝。

在NYIT，卡特姆组建了一个杰出的研究团队，他们开始探索将计算机图形技术应用于动画制作。即使在那时，卡特姆就梦想制作一部完全由电脑生成的动画电影。这个梦想将在20年后实现。

三、卢卡斯影业与计算机部门

1. 加入卢卡斯影业

1979年，乔治·卢卡斯看中了卡特姆的才华，邀请他加入卢卡斯影业，担任工业光魔（Industrial Light & Magic）计算机图形部门的副总裁。卡特姆组建了三个项目小组：由阿尔维·雷·史密斯（Alvy Ray Smith）领导的图形组；由安迪·莫尔（Andy Moorer）领导的音频项目；以及由拉尔夫·古根海姆（Ralph Guggenheim）领导的非线性编辑项目。

在卢卡斯影业期间，卡特姆和他的团队开发了数字图像合成技术，用于以令人信服的方式组合多个图像。他们的工作为《星球大战：绝地归来》（1983年）等电影创造了特效，并在1984年制作了动画短片《安德烈与瓦利B的冒险》，与未来的皮克斯合作者约翰·拉塞特（John Lasseter）一起完成，这一技术成就帮助推动了业界对长篇计算机动画的兴趣。

2. REYES架构与RenderMan

在卢卡斯影业，卡特姆与罗伯·库克（Rob Cook）和洛伦·卡彭特（Loren Carpenter）合作开发了REYES架构（Renders Everything You Ever Saw，渲染你所见的一切）。这一架构后来成为RenderMan系统的基础，该系统后来由帕特·汉拉汉（Pat Hanrahan）在皮克斯进一步开发。

RenderMan系统的一个关键组件是它的着色语言，这种语言允许用户扩展系统以实现更逼真的外观。这些创新的语言要求对包括OpenGL着色语言在内的着色语言的开发产生了影响，而硬件要求深刻地影响了现代图形处理单元（GPU）的开发和设计。

四、皮克斯的诞生与发展

1. 皮克斯的创立与早期发展

1986年，史蒂夫·乔布斯收购了卢卡斯影业的计算机动画部门，成立了皮克斯动画工作室，卡特姆担任总裁。卡特姆在皮克斯的首批雇员之一是帕特·汉拉汉，他们共同致力于开发革命性的计算机图形技术。

卡特姆将创造力转向使皮克斯作为一家企业获得成功。经过制作多部商业广告并将RenderMan确立为3D成像的行业标准后，皮克斯在1995年实现了卡特姆终生的梦想，推出了第一部数字动画故事片《玩具总动员》。《玩具总动员》发布一周后，皮克斯上市，成为当年最大的IPO。

2. 创造持久的创意文化

卡特姆意识到，要使皮克斯持续成功，他需要建立一种可持续的创意文化。他解释了自己的商业基本原则之一：“你吸引聪明的人，并为他们创造安全的环境以发挥创造力。如果你雇佣比你更聪明的人，这会使你更聪明…这会提升一切的水平。”

他还坚信开放性的重要性：“许多公司说，'我想保持一切秘密，这样我们就有专有优势。'我没有这样做。我们自由发表一切，公开了很多秘密。原因是秘密并不那么重要。重要的是从事这项工作的人。”

皮克斯的建筑和周围环境也专门设计用于培养创造力、创新和协作。这种对创意文化的关注成为皮克斯成功的关键因素，并在卡特姆2014年出版的著作《创造力公司：克服阻碍真正灵感的无形力量》（Creativity, Inc.）中有详细阐述。该书成为商业领导者的必读书目，甚至在2015年3月被马克·扎克伯格选为其读书俱乐部的选择。

五、迪士尼收购与领导艺术

1. 迪士尼收购皮克斯

2006年，迪士尼收购了皮克斯，卡特姆被任命为皮克斯和华特迪士尼动画工作室的总裁。在卡特姆和约翰·拉塞特的领导下，这两个工作室继续制作出获得评论界好评和商业成功的电影。

2007年6月，卡特姆和长期皮克斯数字动画师兼导演约翰·拉塞特接管了迪士尼动画工作室，这是迪士尼动画的一个部门，位于格伦代尔的独立设施中。作为总裁和首席创意官，他们负责监管迪士尼的三个独立工作室，每个工作室都有自己的制作流程：皮克斯、迪士尼动画和迪士尼动画工作室。

2. 革新迪士尼动画

根据《洛杉矶时报》的一篇文章，卡特姆在迪士尼的工作部分是允许导演作为合作者对其项目拥有更多创意控制权，并给予他们使用传统动画技术的创作自由——这是对前首席执行官迈克尔·艾斯纳决定迪士尼只做数字动画的逆转。

卡特姆的领导哲学可以追溯到他在犹他大学的经历。在他的书中，他详细描述了自己在皮克斯和华特迪士尼动画工作室的经历以及他的领导方法。这些见解已经影响了许多商业领袖和创意专业人士。

六、荣誉与遗产

1. 奖项与认可

卡特姆因其在计算机图形学领域的贡献获得了诸多荣誉：

• 2019年ACM图灵奖，这被称为"计算机界的诺贝尔奖"
• 五项奥斯卡奖，包括两项奥斯卡科学与工程奖
• 2009年电影艺术与科学学院颁发的戈登·E·索耶奖，表彰他对电影行业计算机图形领域的终身技术贡献
• ACM SIGGRAPH史蒂文·A·库恩斯奖，表彰他在计算机图形学领域的终身贡献
• 电影电视工程师协会的进步奖章和富士金奖章
• 动画行业的尤伯·伊沃克斯技术进步奖
• IEEE约翰·冯·诺依曼奖章，表彰他对计算机图形学的基础贡献和计算机动画的开创性使用
• 2008年卡内基梅隆大学娱乐技术中心（ETC）兰迪·鲍什奖
• 2013年计算机历史博物馆院士

2. 退休与持续影响

2018年10月23日，卡特姆宣布计划从皮克斯和迪士尼动画退休，并担任顾问直至2019年7月。2022年3月，Thatgamecompany宣布卡特姆加入，担任创意文化和战略增长方面的首席顾问。

截至2006年，卡特姆与妻子苏珊·安德森（Susan Anderson）和他们的三个孩子住在加利福尼亚州马林县。有趣的是，卡特姆无法在头脑中形成心理图像，这种状况被称为失幻症（aphantasia）。

卡特姆的遗产超越了他的技术创新。他创建了一种创造性的组织文化，重视人才、协作和不断创新。这种方法不仅彻底改变了动画产业，也影响了广泛的创意和技术领域。今天，他的影响力继续通过他的作品、理念和他帮助建立的机构得以延续。

七、结语：技术与艺术的完美融合者

艾德文·卡特姆的职业生涯展示了技术与艺术的完美融合。从早年对动画的热爱，到计算机图形学的开创性贡献，再到创建一家彻底改变电影制作方式的公司，卡特姆始终站在创新的前沿。

正如他所说："无论前沿在哪里，那就是我想去的地方。"他不仅找到了前沿，还重新定义了它。卡特姆对计算机图形和动画的贡献仍然是当今电影和游戏产业的基础，他在皮克斯和迪士尼建立的创意文化已经产生了20多部获得评论界好评和商业成功的影片。

通过将艺术愿景与技术专长相结合，卡特姆证明了梦想如何通过持久的努力、创新思维和协作精神成为现实。他的故事不仅仅是关于计算机和算法的故事，更是关于如何利用这些工具讲述打动人心的故事、创造美丽的图像，并建立能够继续创新的机构的故事。

在计算机科学和艺术的交叉点上，艾德文·卡特姆的贡献将继续影响和启发未来几代创造者和创新者。

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关键技术概念解释

• Z缓冲区：一种解决3D图形渲染中"隐藏面消除"问题的技术，通过存储每个像素点的深度信息来决定哪些物体应该可见，哪些应该被遮挡。

• 纹理映射：将2D图像应用到3D模型表面的技术，增加视觉细节和真实感。

• 细分曲面：一种从简单多边形网格生成平滑曲面的技术，广泛应用于现代计算机动画。

• RenderMan：皮克斯开发的高级渲染软件，成为电影工业中图像渲染的标准工具。

推荐阅读

1. 《创造力公司：克服阻碍真正灵感的无形力量》，艾德文·卡特姆与艾米·华莱士著
2. 《皮克斯的故事》，劳伦斯·列维著
3. 《史蒂夫·乔布斯传》，沃尔特·艾萨克森著（包含关于皮克斯历史的章节）
4. 《计算机图形学原理》，詹姆斯·D·福利等著

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