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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》,网友:大神碉堡

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。

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:

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。

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。

胡渊鸣的灵感是,用移动最小二乘法统一APIC(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:

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。

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。

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~