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從玩具總動員到與數(shù)學結緣





  阿凡達、納尼亞、哈利波特與死亡圣杯、加勒比海盜4、丁丁歷險記等這些美國大片的特效看得人震撼,而浙江大學城市學院2009屆信計專業(yè)畢業(yè)生張心欣就在研發(fā)這類計算機軟件小組中工作過。目前,他攜全獎攻讀世界著名高等學府加拿大不列顛哥倫比亞大學(UniversityofBritishColumbia))計算機科學博士,從事的研究是自己最熱愛的計算機圖形學中的基于物理的流體動力學。他所在的研究小組,是世界該領域的核心小組,他的導師也是此領域最著名的科學家之一。
  張心欣介紹,他們研究小組從事數(shù)值數(shù)學、偏微分方程、流體力學的基礎科研、發(fā)展出最新的算法和數(shù)學理論、并將這些算法編寫成計算機軟件,這些軟件和計算機算法及程序被用在了諸多好萊塢大片中,通過藝術家的雙手創(chuàng)造出了令人窒息的效果。比如阿凡達、X-men、猩球崛起等……這些軟件、算法以及計算機程序,也同樣是好萊塢的超級工作室的技術之寶,比如工業(yè)光魔,weta數(shù)字,皮克斯,doublenegativedeng等等。
  他將與學弟學們分享他是如何進入這個研究小組的,這些離不開他在世界知名的CG工作室以及科研中心Pixar(皮克斯)的實習經(jīng)歷(也是他生平的第一份工作),美國科學院院士的推薦信,以及明確的研究目標、慷慨的個人陳述。他希望他的經(jīng)歷和 “奇遇”能夠給大家一些啟發(fā)。
  皮克斯科研實習機會
事實證明生活比小說更加狗血,孤注一擲者得到了最大的回報。
  因為我的研究興趣和研究方向,能進入位于好萊塢世界頂級的特效工作室的工程部門從事軟件開發(fā)及科研工作是十分理想的。我在美國紐約大學攻讀碩士學位時期的第一個暑假,就有這樣一個機會出現(xiàn)在了眼前。當時美國電影工業(yè)藝術與科技學院 (也就是頒發(fā)奧斯卡獎的組委會)在全美知名大學的計算機科學、工程學、數(shù)學等研究生部舉行了一個暑期實習招募活動,在美國范圍內(nèi)選出5個應聘者,成功者將進入位于好萊塢的頂級工作室從事科研實習。這些工作室包括喬治盧卡斯的工業(yè)光魔、皮克斯、夢工廠、Rythm&Hues、TechniColor。我們需要遞交個人簡歷、過往科研經(jīng)歷的作品集,來自教授的推薦信以及個人陳述。在焦急的三四個月的等待后,一天晚上我在街上漫無目的地走著的時候,突然接到了來自組委會的電話,告訴我,我成功了。我將會進入皮克斯工作,當時的我難耐興奮,在街上就叫了起來,這不僅意味著我暑假找到實習了,還意味著我多年來的努力,從小的夢想,都將在這一個暑假得到實現(xiàn)!
  事實上,當時的我,為了能于暑假進入這些公司實習,除了向這個項目投遞了一套簡歷以外,沒有對任何其它公司 (如谷歌、微軟、華爾街的金融公司、IT公司等)投遞任何簡歷,并且也拒絕了一些可能的工作機會。也就是說,如果這里失敗了,迎接我的將是一個失敗至極的暑假。但是事實也證明生活比小說更加狗血,孤注一擲者得到了他最大的回報。
  人生中最大的一次挑戰(zhàn)
在最后做展示時,開發(fā)小組的人此起彼伏地喊著我的名字,我覺得自己就是個英雄。
  懷著興奮的心情到達了皮克斯,安頓下來后,我得到了人生中最大的一個挑戰(zhàn)。我的負責人向我介紹了此次來需要完成的任務,這來自于一個最前沿的計算幾何和曲面細分技術的科研成果。
  微軟的科學家和皮克斯的全職科學家經(jīng)過多年的積累,已經(jīng)完成了這個曲面細分技術的DirectX11.0的實現(xiàn)版本,但皮克斯所有的計算機都是在大型的Linux機器上運行的,并且如果想要開源這一個軟件包賺取更大的利益,我們就必須保證這項技術的跨平臺性以及穩(wěn)健性,所以他們希望我能開發(fā)出原型代碼,把這一整個技術在OpenGL4.0和OpenCL環(huán)境下實現(xiàn)出來,他們的小組斷斷續(xù)續(xù)地做了1年,并沒取得什么突破型的進展。但是如果成功,那么拿著這個原型代碼,他們就可以對項目進行評估,然后讓軟件工程師去實現(xiàn)出具有商業(yè)穩(wěn)定性的版本,從而將整個技術免費提供給全世界的圖形應用開發(fā)商使用,包括視頻游戲,cg動畫領域。這個龐大的復雜的集合了現(xiàn)在所有研究成果的系統(tǒng),它考慮到了各種多邊形以及條件,各種邊界情況以及各種特殊情況,再也不是同我以前做的那些研究項目那樣。
  以前我只是為了研究和實驗一個算法和寫程序,可以有各種簡化假設來減少自己的工作量,從而掌握核心技術。這一次,我需要將很多人很多年的技術和成果的集大成都一并實現(xiàn)出來。在從事這個項目兩周后,我發(fā)現(xiàn)了我的負責人以及小組之前實現(xiàn)上思路的錯誤,以及他對原來那篇論文的一些誤解。事實上,這個小組之前只有他一個人,此項目一度被擱淺,并且為了保密,工程部的其它同事都是在這個項目已經(jīng)見到曙光的時候才知道我們的特殊任務的。我便同他一起討論,一起整理思路,并且通過對DirectX11版本實現(xiàn)的代碼的分析,我逐步整理出了這一整個系統(tǒng)的計算流程和算法,當時由于負責這個科研的科學家休假去了,他一度不敢相信我的理解竟然和他的理解如此相去甚遠。直到幾天后那位科學家回來,終于證實了我的所有推算和細節(jié)都符合他們算法的實情。我出去拿了點東西吃 (皮克斯有各種好吃的隨時隨便拿來吃),回來后我的對桌告訴我,我的負責人跟他說, “這小子竟然能這么快就吃透這個東西,我看到曙光了!”在之后的八個星期里,我半天玩半天干活,終于把這一整套系統(tǒng)都給實現(xiàn)成功了。在我走之前的最后一次工程組組會上,我的負責人榮耀地向整個組展示了這個項目,工程組我的朋友們此起彼伏的大喊著我的名字,我當時就覺得自己是個英雄。我當時寫下的原型代碼,也就是今年 2012年皮克斯震驚整個業(yè)界的新工具———OpenSubdiv的前身。
  美國科學院院士的推薦信
“你所完成的東西所求解的問題的規(guī)模以及速度是我在這個領域內(nèi)從沒有見過的,如果你想申請博士需要推薦信的話,我很樂意幫你寫?!?br>  ZUCC畢業(yè)后,我被美國紐約大學計算機科學院錄取成為碩士研究生。計算機科學院隸屬于克朗應用數(shù)學院,也就是美國數(shù)一數(shù)二的應用數(shù)學院,而更有幸的是,我感興趣的研究領域的核心內(nèi)容———流體動力學以及數(shù)值數(shù)學,在這里乃是當之無愧的美國第一、世界第一??死蕯?shù)學院以克朗命名,他是著名的應用數(shù)學家,數(shù)學大師希爾伯特的學生。而克朗數(shù)學院秉承了他的遺志和傳統(tǒng),百年來凝聚了世界最強的流體力學以及數(shù)值數(shù)學、微分幾何、應用數(shù)學、偏微分方面的首屈一指的學者,一幢13層的大樓,坐著18個美國科學院院士。而他們中的每一個,除了科研外,每個學期都會親自教授課程,將最好的數(shù)學思想,最前沿的研究課題以及最基礎的數(shù)學理論傳授給本科生和研究生博士生,為延續(xù)克朗的榮耀以及鞏固美國的應用數(shù)學科研力量打下了扎實的基礎。幾乎是從報到的第一天起,我就決定能不選計算機系的課就不選計算機系的課,我似乎天生地對那些學了后就能找份安身立命的工作的課程沒有絲毫興趣。我告訴自己,既然有機會來到這里,我就要學會玄門正宗的內(nèi)功心法,為將來的科研以及走更遠的路打下扎實的基礎。
  所以除了幾節(jié)計算機系必修的課程之外,我無所畏懼地全部選修了數(shù)學院的課,而我的這種做法,是我身邊的來自于中國知名大學的計算機系的同學們都不敢做的———他們畏懼數(shù)學,而我知道,畏懼數(shù)學的計算機人,是只能去做IT。我不想做IT,不想去投行或者網(wǎng)絡公司浪費我的生命。
  機緣巧合之下,我選修了一節(jié)由美國科學院院士教授的數(shù)學課,這是一門研究型的計算數(shù)學課程,主要是研究在上個世紀70年代發(fā)明的數(shù)值算法 “浸入式邊界法” (immersed鄄boundarymethod)在求解不可壓流體力的納威爾斯托克斯模型以及復雜邊界交互問題時候的數(shù)學理論以及計算機算法。他本人就是這個緣起于70年代算法的發(fā)明人。當然了,正如每一個英雄的故事都少不了的那句 “由于xxx在這節(jié)課上的出色表現(xiàn),xxx獲得了這位教授的青睞,并獲得了他的推薦信”。是的,當時我完成的課程項目,把他的整個算法實現(xiàn)到了圖形顯卡上去,利用顯卡的高速并行運算能力,以超快的速度求解了超大規(guī)模的流體問題。他在點評時說道, “你所完成的東西所求解的問題的規(guī)模 (2048^2)以及速度 (在一天一夜的時間內(nèi)計算機模擬出血管壁流體開合的過程)是我在這個領域內(nèi)從沒有見過的,如果你想申請博士需要推薦信的話,我很樂意幫你寫”。
慷慨的個人陳述
在紐約大學之前城院時期通過課余時間所做的研究和算法實現(xiàn),也是當初我能進入皮克斯實習的重要道具之一。
  在我申請UBC的PhD時候,我所使用的個人陳述和我當年申請皮克斯的實習時候的是一樣的,一樣的慷慨激昂,一樣的讓人看出字里行間的堅持與信念。
  我說,我從10歲那年第一次看到玩具總動員一時,就很好奇這種技術是怎么實現(xiàn)的。直到初中第一次玩三維軟件,當時隱約覺得那些三角形的旋轉(zhuǎn)和透視以及曲面的切割背后有很高深的數(shù)學,但是我的知識根本不足以理解這一切是怎么做到的。直到我大學的時候選擇了相關專業(yè),高等數(shù)學、解析幾何、線性代數(shù)、讓我終于能理解到這一切一切的背后全是數(shù)學、全是計算,而將計算機程序與枯燥的網(wǎng)頁、IT、數(shù)據(jù)庫等區(qū)別開去追求藝術與科技的結合則成了我的理想。它的美妙在于將人們的審美理解總結到物理和數(shù)學上去,從而使得人們可以編寫計算機程序讓計算機能夠通過數(shù)值計算來產(chǎn)生圖像、正如文藝復興時代的達芬奇所做的事情一般———他是個偉大的畫家,但,誰敢說,他的畫作之所以美妙,不是來源于他的光學、解剖學、人體構造、顏色、視覺等的科學和理性的理解呢?
  個人陳述再慷慨,如果沒有在這個領域深刻的研究程度和扎實的理論基礎,也是不會得到導師的青睞的。正如我說的,我在皮克斯的研究經(jīng)歷,我在紐約大學時期的研究經(jīng)歷,以及我進入紐大之前一直從事的研究,早在我的簡歷上堆了滿滿的兩頁。他們不必是巨大的成果,但都是當時的前沿領域和深度問題,從而能夠見到我對這個領域的一直關注以及我在自我興趣趨勢下所具有的毅力和自我學習、自我研究的能力。而我在紐約大學之前城院時期通過課余時間所做的研究和算法實現(xiàn),也是當初我能進入皮克斯實習的重要道具之一。
  數(shù)學,數(shù)學,還是數(shù)學
大學,你需要一場不后悔的戀愛,同時也需要一次義無反顧地為自己理想奮斗的青春。
  大學是一個讓我們展開自己興趣、探索未知、創(chuàng)造無限可能的地方,就僅僅是計算機科學,他的研究領域就有計算數(shù)學 (科學計算)、人工智能、機器學習、機器人、計算機圖形學、計算生物學,它不僅僅是一份工作,不僅僅是那個被人們稱為IT的東西。
  而你想在所有這些領域有所建樹,他們的基礎就是數(shù)學、數(shù)學、還是數(shù)學。這些數(shù)學包括微積分、數(shù)學分析、線性代數(shù)、復分析、實分析、變分、常微分、偏微分、概率論、統(tǒng)計學、數(shù)值數(shù)學、離散數(shù)學、解析幾何、微分幾何……等等不勝枚舉。你要解決的實際問題越難,你需要用的數(shù)學工具也就越復雜,越高深,而你開發(fā)出來的工具的價值也就越大。大學,你需要一場不后悔的戀愛,同時也需要一次義無反顧地為自己理想奮斗的青春。
短評:如果要為張心欣的成功寫上腳注的話,我會寫 “找到自己感興趣的領域,然后義無反顧地投身其中,直到望見勝利的曙光!”
  從08年國際數(shù)模競賽一等獎到世界知名的CG工作室、Pixar(皮克斯)的實習經(jīng)歷,再到獲得美國科學院院士的推薦信,張心欣用自己的熱情,勇敢與信念書寫了輝煌。
  對未來,他有最清晰的方向。走上科研之路,他要在自己最愛的領域--流體動力學以及數(shù)值數(shù)學領域做出成績;對眼前的機會,他會緊緊抓住。為了夢寐以求的皮克斯實習經(jīng)歷,他傾盡所有的時間和精力,在機遇前孤注一擲;對挑戰(zhàn),他微笑著面對,他用短短一個暑假的時間開發(fā)出了曾讓整個皮克斯為難的原型代碼。在他所有成績的背后是他對數(shù)學這個領域深刻的研究和扎實的理論基礎,正如他自己所說的: “再慷慨激昂的個人陳述,如果沒有簡歷上滿滿當當?shù)膬身撗芯砍晒际菬o法得到別人認可的”。
  失敗的人生各有不同,但成功的經(jīng)歷總是有很多相似點。張心欣的成功應該可以為還在大學里學習的你我?guī)砗芏鄦⑹景桑。S寧璐)