投身计算机的“造物”世界

王艳敏

杜甫曾在诗作《画鹰》中言：“素练风霜起，苍鹰画作殊。？身思狡兔，侧目似愁胡。”以此来形容绘画的逼真。随着时代的更迭以及计算机技术的发展，一些二维作品也逐渐打破了常规限制，走到我们面前，以立体的、三维的方式得以重现。而这些都与复杂对象的几何处理与物理模拟研究有着息息相关的联系。

在浙江大学计算机辅助设计与图形学国家重点实验室教授黄劲的介绍下，记者了解到：一直以来，复杂对象的几何处理与物理模拟方面的研究都是计算机辅助设计和图形学领域的基本问题之一，在数字影视娱乐产业，高精尖的汽车、飞机制造产业，虚拟现实、工业设计和3D打印制造等领域的前沿基础性研究中，具有重要的科学意义和应用价值。多年来，黄劲就将研究方向聚焦在这一领域中，通过计算机技术和科学的融合、虚拟与现实的交汇，将一些形体复杂的对象在计算机中进行“造物”重现，催化了许多具有社会及现实意义的科研成果诞生。

步入计算机技术研究

1978年出生的黄劲，恰好赶上了国家大力发展教育事业的时期。在这一时代背景之下，黄劲对于知识的渴望与内心深处想要不断学习的热情，也愈渐浓烈起来。21世纪初，计算机技术发展得风生水起，成为各学科发展的基础与重要推动力，在这一科技趋势之下，黄劲积极跻身于这一领域研究中，来到了浙江大学，攻读计算机博士学位。

博士期间，黄劲的主要研究工作是三维几何形变，这一方向的研究在当时是非常热的课题，被学界认为可以应用到动画制作领域。

问渠哪得清如许，为有源头活水来。具象的应用背后所隐藏的是更核心的基础原理。而黄劲一直以来，都想对这“背后的巨大原理”一探究竟。在这一科研信念的驱使之下，黄劲从未忘却自己所秉承的科研理想。因为其优秀的科研水平以及学术成果，他的博士学位论文顺利获得2008年CCF优秀博士论文。

吾生也有涯，而知也无涯。为了未来能够在研究领域寻求更大的突破，学习到更多前沿科研知识。2012—2014年，黄劲来到了美国加州理工学院进行研究访问。在这里，黄劲与合作导师，从复杂对象的几何处理与物理模拟方面的基础研究入手，亲力亲为，从细微中步入重大科学问题的研究与探索，让他对脚踏实地做科研有了更加深切的感受。这段经历为黄劲今后的科研工作开展奠定了坚实的基础。

复杂对象研究中的创新蜕变

少年易老学难成，一寸光阴不可轻。从青年时期到如今的不惑之年，黄劲积极投身于自己热爱的科研工作中，在复杂对象的几何处理与物理模拟方面的研究中深耕不辍，积累了丰富的经验。近些年来，在浙江大学计算机辅助设计与图形学国家重点实验室的支撑下，他针对这一领域存在的难解问题，积极开展相关研究工作，做出了一系列创新性科研成果。

复杂对象往往具有复杂的几何形状和物理材料性质，其物理行为可抽象为定义在复杂几何定义域上的非线性微分方程。因此，它的模拟计算涉及空间几何形状的表达构造和非线性微分方程的高效求解两大方面。如何有效克服几何和物理两方面的高度非线性，高效地构造复杂几何形体、恰当地逼近和离散化处理几何形体和连续物理方程、实现准确快速的计算是其中的关键科学问题。

面向影视娱乐、产品创新设计和模拟仿真、3D打印制造等方面的重大需求，近20年来国内外学者对复杂对象的交互自然形变模拟问题展开了深入研究，取得了很大进展，但现有技术在交互可控建模和模拟的准确性、计算效率等方面仍存在巨大挑战，严重阻碍了其实际应用。

在这一现状之下，黄劲深入系统地研究了几何和物理非线性问题的线性化逼近及其高效优化求解等问题，在国际上率先提出了微分属性保持的非线性几何形变理论和方法，高效解决了复杂网格几何模型的高质量、直观自然的交互大形变问题；创新提出了含复杂约束的网格曲面的谱特征函数构造和离散三维对称标架场的代数拓扑结构的光滑度量方法，解决了复杂形体的高质量自动四边和六面体重网格化的难题，为复杂对象的交互自然形变构造和物理模拟仿真提供了实用的技术手段。

通过多年的探索开拓，相关研究共获授权国家发明专利6项，发表高质量学术论文40余篇，其中14篇论文发表在图形学领域顶级学术期刊ACM TOG和IEEE TVCG上。研究成果得到了国际学术界的高度评价和引用，并被十余所国际著名高校的图形学相关课程和讨论班作为指定阅读和讨论文献，产生了较大的学术影响。

探索图形学中的科研奥秘

仁者乐山，智者乐水。每个人都有自己的人生志趣之所在。对于黄劲来说，投身于科研之中，每天有很多很有趣的事情可以去想就是最幸福的事情。如今，在计算机辅助设计/制造、计算机动画、科学计算可视化等方面都有重要应用的计算机图形学研究就一直引领着黄劲向新的研究阶段迈进。

一直以来，黄劲都是一位“仰望星空”的学者，从小时候起，他就对无穷的宇宙世界充满着极大的好奇心。而他最初想要从事图形研究的初衷，便是因为有人告诉他从几何到微分几何的逐步深入，后面就会逐渐与爱因斯坦的“广义相对论”产生联系。多年来深入到这一研究领域中，黄劲愈发感受到了这一领域的趣味所在，并给了他更大的向前深耕的动力与决心。

在新时期，科学计算、3D打印等新一代工业设计与制造技术的发展则对数字化模型与真实对象在几何外形和物理行为的一致性方面提出了更高的要求。人们不仅希望获得几何形状上看起来逼真的模型，更希望模型具有准确的物理属性，能高效地模拟计算其运动和形变，甚至通过打印等方式制造获得满足特定性能要求的实物。复杂物理属性的建模不仅极大地拓展了传统几何建模的范畴，而且使得计算的复杂性也大为提高。与理想刚体相比，广泛存在的柔性对象，不仅具有随时间变化的复杂几何形状，而且拥有复杂的物理属性。这些特点使得复杂柔性对象的高效建模与模拟尤为困难，带来了理论和技术上的巨大挑战。

在这一背景之下，黄劲一直希望能通过自己的研究为相关问题的解决做出贡献。2015年，黄劲的研究项目“计算机图形学”得到了国家优秀青年科学基金项目的资助。在这一研究项目的支撑下，他将围绕虚拟现实、计算机动画、产品创新设计和模拟仿真中的典型需求，在复杂柔性体高效建模和模拟计算方面获得新颖的理论分析和突破，提出灵活易用、高效可靠的几何处理和物理方程优化求解等创新方法。通过相关科研技术的研发，为影视娱乐、虚拟现实、产品创新设计和制造等领域提供解决实际应用问题的有效技術手段。

为国而研，是科学家的使命之所在。一直以来，黄劲都认为我国的科研事业是需要百花齐放的。“我们国家这么大，这么多行业都需要发展，这么多领域都需要突破，不管是从事基础性的、应用性的、商业性的工作，或者调动社会资源去做一些利国利民的事情，都是国家需要的人才。”

得十良马，不如得一伯乐。一路走来，黄劲的科研人生中遇到了很多良师益友，浙江大学CAD&CG国家重点实验室鲍虎军教授以及在美国从事科学研究时的合作者Mathieu Desbrun，他们的科研精神都对其科研之路产生了深远影响。如今，身为博士生导师，黄劲也经常和自己的学生们进行科研探讨，虽然他与现在的科研学子们出生的时代不同，但是黄劲始终认为，不管身处哪一时代，“兴趣”与“坚持”都是激发科学家科研能量的重要源泉。未来，他还将孜孜不倦深入到更多亟待开拓的研究领域，在坚实科研信念的支撑下，做出更多具有社会意义的科研成果。