Jernej Barbič: Žal nam je oskarja speljala Gravitacija

Kaj druži fantazijske like iz filmske trilogije o Hobitu, matematične modele dreves in načrtovanje letalskih motorjev? Matematik in računalnikar Jernej Barbič je ta področja združil v računalniški grafiki in s svojimi dosežki prepričal velike animacijske studie (Pixar, Disney ...), ki uporabljajo njegove iznajdbe. Danes je uveljavljen znanstvenik in profesor računalniške grafike na Univerzi Južne Kalifornije v ZDA.

Začelo se je z newtonovskim prebliskom. Jernej Barbič je odraščal v mali vasici blizu Mosta na Soči in je že v otroštvu med potjo v šolo rad opazoval drevesa, saj ga je privlačilo njihovo gibanje v vetru, upogibanje krošenj in migotanje listov. Ko je po maturi vpisal študij matematike, je v njihovem gibanju začel prepoznavati kompleksne matematične vzorce in pomislil je, da bi lahko nekoč izdelal natančen matematičen model drevesa. A je vedel, da za takšen podvig še nima dovolj matematičnega in računalniškega znanja.

Želja po takšnem matematičnem modeliranju narave je močno vplivala na Barbičeve prihodnje študijske in poklicne odločitve. Po diplomi se je odpravil na podiplomski študij računalništva v ZDA, kjer je matematično znanje usmeril v računalniško grafiko, mehaniko in numerične metode. Danes je profesor računalniške grafike na Univerzi Južne Kalifornije in uveljavljen strokovnjak za trirazsežno modeliranje in »hitro fiziko«. Med drugim je sodeloval pri snemanju drugega dela filmske trilogije o Hobitu (Hobit: Smaugova pušča) in so ga tehnološke revije že nekajkrat uvrstile med najbolj obetavne mlade računalniške znanstvenike v ZDA. Med iskanjem drevesnega algoritma pa je nekdanji zlati maturant zelo dobro spoznal tudi ameriški izobraževalni sistem in se naučil praktično uporabljati svoje teoretsko znanje.

Velikemu fiziku Isaacu Newtonu so se posvetili gravitacijski zakoni, ko mu je med počivanjem pod drevesom padlo jabolko na glavo, pravi ena najbolj znanih znanstvenih legend. Je tudi vam moralo kaj pasti na glavo, preden ste v drevesih opazili matematične modele?

Ni bilo tako dramatično (smeh). Drevesa in gozdovi so samo eden izmed mojih projektov. Vedno sem bil obdan z gozdovi in zelo rad sem opazoval drevesa, kako se nežno gibljejo, ječijo ali se upogibajo v močnem vetru. V osnovni in srednji šoli sem bil predvsem opazovalec. Ko sem začel študirati matematiko, pa sem med hojo po domačem gozdu začel razmišljati, ali bi lahko gibanje drevesa opisal v matematičnem modelu. Ta problem me je zelo pritegnil, ampak ga še nisem znal rešiti, saj je gibanje celotnega drevesa izjemno kompleksno. Vsaka veja in list se gibljeta drugače, njihovo premikanje je odvisno od vetra, terena in vpliva vsakega sosednjega lista. Gibanje je kaotično, a mora hkrati upoštevati fizikalne zakone, in zato ni čisto poljubno. Vedel sem, da bi ga bilo mogoče modelirati, a je bila takšna naloga zame v srednji šoli in potem na dodiplomskem študiju še preveč zahtevna.

Ste na študiju pridobili potrebna matematična orodja?

Študij matematike je bil zame izjemno dragocen, saj sem pridobil zelo veliko teoretskega znanja. Vendar me je abstraktna algebra vse manj zanimala. Star sem bil štiriindvajset let, veljal sem za izjemno uspešnega študenta, fakulteta za matematiko mi je ponudila mesto mladega raziskovalca, a sem bil kljub temu v zelo težkem življenjskem obdobju. Iskal sem načine, kako bi teorijo uporabil v praksi in matematiko združil z računalniškim programiranjem, a prehod na računalništvo je bil zelo težak, praktično nemogoč. Mikala me je akademska kariera in nisem hotel zavrniti ponudbe fakultete, vendar sem čutil, da ne morem nadaljevati z algebro in teoretično matematiko, ker ne bom mogel uresničiti svojih raziskovalnih želja. Zato sem se prijavil na podiplomski študij računalništva v ZDA in sprejeli so me na vrhunski univerzi Carnegie Mellon.

Kljub temu, da ste bili matematik?

Najprej se moram zahvaliti svojim slovenskim profesorjem matematikom, ki so že pred mano študirali na univerzi Carnegie Mellon in drugod v ZDA in Kanadi ter tam navdušili ameriške profesorje. Zato so mi lahko napisali kakovostna priporočilna pisma, ki so jih Američani vzeli resno. Prvi dve leti na Carnegie Mellon sta bili izjemno naporni, saj sem moral dohiteti računalnikarje, če sem hotel slediti zahtevnemu študiju. Vendar nisem nikoli občutil, da bi me profesorji zaradi matematične izobrazbe obravnavali drugače kot ostale. Za ameriške razmere je bila moja karierna pot precej običajna, saj študenti pogosto menjajo študijska področja. V Sloveniji je to bilo težko. Od študentov pričakujemo, da bodo izbrali en študij, ga poglobili na magisteriju in doktoratu ali se po diplomi zaposlili v svoji stroki. To pričakovanje se mi ne zdi realno. Kako naj pri osemnajstih letih vem, kaj me zares zanima in kaj bi rad počel vse življenje? Življenje ni statično, ampak se spreminja. Moji interesi so se med študijem spremenili in raje ne pomislim, kaj bi se zgodilo z menoj, če bi ostal na teoretični matematiki. V ZDA sem se naučil, da je interdisciplinarnost izjemno pomembna, saj študentom omogoči precej lažjo menjavo študijske poti in kariere. Ni hujšega kot obtičati v poklicu, ki ti ne ustreza več – samo zato, ker ne moreš več spremeniti srednješolske odločitve.

Ste se z računalništvom približali uresničenju svoje stare želje – matematičnemu modelu drevesa?

Temu idealu sem se že zelo približal, saj mi je uspelo združiti matematične in fizikalne modele drevesa ter jih združiti z računalniško grafiko, predvsem trirazsežno animacijo.

Na predavanjih radi pokažete vaše animacije dreves, ki se gibljejo v vetru. Podobne videe lahko že dolgo vidimo v animiranih filmih in računalniških igrah. Zakaj so vaša drevesa tako posebna?

Preproste animacije drevesa ni težko izdelati. Računalniški risar nariše drevo, nato animator izbere veje in liste ter jim določi nekaj različnih tipov gibanja. Če površno pogledate takšno animacijo, boste sicer videli učinek gibanja drevesa, vendar se bodo veje in listki ves čas gibali »robotično«, po nekem nerealističnem vzorcu. Tako gibanje bo zmotilo že laika, ki se ne spozna na animacijo, in je primerno kvečjemu za manj zahtevne projekte. Za pravo modeliranje drevesa ali celo gozda pa moramo upoštevati pravilne enačbe mehanike prožnih teles. Gibanje mojih dreves se natančno odziva na zunanje dejavnike – denimo smer in moč vetra. Če spremenimo te dejavnike, se samodejno prilagodi tudi gibanje drevesa: krošnje, vej in listov. Ker moj sistem pravilno modelira fiziko, lahko pravilno gibanje izračuna v nekaj sekundah, medtem ko prejšnje metode zahtevajo več ur ročnega dela za enako natančno gibanje. S svojo raziskovalno skupino sem ravnokar že modeliral manjši gozd, v katerem je več kot dvajset dreves. Tako kompleksnega modela trenutno ne razvija nobena druga skupina raziskovalcev.

Kaj nam lahko pove takšen model? Pomaga napovedati učinek hudega žleda, ki je pozimi opustošil skoraj četrtino gozda?

Takšni modeli so lahko zelo koristni za vse države, kjer imajo veliko gozda. Kanadski profesorski kolega mi je pred kakim mesecem namignil, da bi ga zanimala izdelava simulacije, s katero bi pokazali, kako se obnaša sneg na drevesih: kako se prijemlje, kdaj se stopi, kako zdrsi po vejah in kako se pri tem upogibajo določene drevesne vrste. Povedal je, da bi bila takšna ponazoritev zelo koristna za njihove gozdarje, saj bi morda pomagala zmanjšati škodo zaradi nepredvidenih okoljskih in vremenskih dejavnikov. Podobne modele je mogoče izdelati tudi za žled, erozijo, viharje, neurja, potrese in druge naravne pojave, ki vplivajo na umetna prožna telesa – denimo mostove in nebotičnike. Zato so izjemno uporabni v gradbeništvu in pri razvoju novih materialov, pa tudi pri modeliranju človeškega telesa in notranjih organov.

Katere industrijske panoge najbolj zanimajo vaši modeli?

Ravno letos sem pridobil pol milijona dolarjev za razvoj sistema za modeliranje letalskih motorjev in drugih komponent v letalski industriji. Takšni modeli so za industrijo zelo koristni, saj omogočajo hitro in razmeroma poceni preizkušanje kompleksnih prototipov v navidezni resničnosti. Največji uporabniki računalniške grafike in animacije pa ostajajo industrija računalniških iger, filmski studii in vojska, ki virtualno resničnost zelo veliko uporablja za urjenje pilotov in pripadnikov posebnih enot. Poleg vojske se takšni simulatorji uporabljajo tudi v civilnem letalstvu, kjer za učenje niso dovolj samo lepo narisane kulise.

Je natančnost gibanja tudi v igri ali filmu postala tako pomembna, da morajo animatorji uporabljati modele? Ne bi bilo dovolj samo narisati ozadij in drugih likov, na katere gledalci niso tako pozorni?

Ljudje zelo hitro opazimo nenaravno gibanje – tudi če nanj nismo pozorni. Preprosto vemo, da nekaj ni čisto prav, ko gledamo deset let stare posebne učinke z animiranimi dinozavri, naravo in živalmi. Še bolj nas zmoti nepravilno človeško gibanje in premalo prepričljiva obrazna mimika. Filmska produkcija je postavila izjemno visoka merila in za vsako minuto posebnih učinkov v novem hollywoodskem spektaklu se potegujejo najboljši studii za računalniško animacijo, z vsega sveta. Projekte dobijo samo tisti, ki ponudijo ali najnižjo ceno ali pa najbolj kvalitetno novo tehnologijo. Z novo tehnologijo se lahko producenti pohvalijo pred tekmeci ali navdušijo oskarjevsko žirijo za posebne učinke. Ko sem svoje modele predstavil na največjem srečanju računalniških grafikov Siggraph 2011, sem izpolnil obe merili: v računalniško animacijo sem vključil realno gibanje, moj postopek pa je bil približno stokrat hitrejši od tistega, ki so ga uporabljali drugi animatorji.

So vas takrat opazili ustvarjalci filmske trilogije o Hobitih?

Po predstavitvi sta me nagovorila dva inženirja iz podjetja Weta Digital, ki ga je soustanovil režiser Peter Jackson in je razvijalo posebne učinke za njegovega Hobita. Povabila sta me na Novo Zelandijo in naslednje leto sem pri njih preživel nekaj poletnih mesecev, kjer sem sodeloval z ekipo, ki je animirala fantazijska bitja, živali in pošasti.

Pošasti zahtevajo posebno ekipo animatorjev?

Podjetja za specialne efekte imajo za vsako področje posebne razvojne ekipe. Nekateri razvojniki se ukvarjajo z animacijo gibanja tekočin, drugi so strokovnjaki za gibanje ljudi in živali. Fantazijska bitja so še posebej zanimiva, saj je treba izračunati prepričljivo gibanje za zelo nenavadne like in pošasti. Orki v gospodarju prstanov imajo velike trebuhe in drugačne telesne proporce kot ljudje, škrati ali hobiti. Roke, noge in mišice se na takšnem telesu obnašajo čisto drugače kot pri ljudeh. Vse to je treba modelirati s pomočjo matematike in fizike, sicer gibanje in videz nista realistična in filma ne more biti. Moj fizikalni model so uporabili za izračunavanje njihovega gibanja in lahko smo ga uporabili v standardnem programu za trirazsežno animacijo, ki ga uporabljajo skoraj vsi digitalni umetniki. Izkušnja je bila izjemno dragocena, saj so me filmi in računalniške igre privlačili že v srednji šoli, zdaj pa sem lahko čisto zares sodeloval z vrhunskimi mojstri posebnih učinkov. Žal se ne morem pohvaliti z oskarjem, ker nam je letošnji kipec za posebne učinke speljala Gravitacija (nasmešek).

Kako pomembna so takšna sodelovanja za vašo profesorsko kariero? Jih vaša univerza spodbuja?

Na fakulteti imam profesuro za nedoločen čas, vendar smo profesorji v ZDA plačani samo devet mesecev na leto, kolikor trajata študijska semestra. Preostali trije meseci so odvisni od nas. Če hočemo, lahko gremo na počitnice ali si sami poiščemo dodatno delo: raziskovalne projekte, svetovanja, delo za industrijo in podobno. Med bivanjem na Novi Zelandiji nisem prejemal profesorske plače, ampak sem za dva meseca sklenil pogodbo z Weta Digitalom. Na fakulteti ne nasprotujejo takšnemu sodelovanju, ampak ga zelo spodbujajo – če si le ne nakopljete toliko dela, da začnejo trpeti vaše profesorske obveznosti. Praktične izkušnje so zelo pomembne pri delu s študenti, saj se na naš študijski program vpisujejo posamezniki, ki jih zanima kariera v računalniški animaciji in igrah. Seveda taki študenti radi vidijo, če jih uči profesor, ki se lahko pohvali z imenom v odjavni špici velike filmske uspešnice. Takšne reference so na mojem področju skoraj tako pomembne kot objave v strokovnih publikacijah in zbiranje točk.

Vas je kdaj zamikalo delo v finančnem sektorju? Predstavniki ameriških tehnoloških podjetij in univerz so v preteklosti večkrat potarnali, da je Wall Street pokupil vse najboljše matematike in fizike, saj so jim ponudili šestmestno plačo za razvoj trgovalnih algoritmov.

Njihovi lovci na kadre so bili res izjemno prepričljivi. Ko sem zaključeval doktorat, sem se zanimal za službo pri investicijski družbi D. E. Shaw, pa tudi za svetovalno mesto pri analitski družbi McKinsey. Delo se mi je zdelo zanimivo, saj bi lahko v finančnih in ekonomskih analizah zelo dobro uporabil svoje matematične možgane, pa tudi reševanje praktičnih problemov in delo z vodilnimi menedžerji me je mikalo. Na koncu sem se odločil za akademsko kariero, vendar odločitev ni bila lahka.

Čeprav bi si lahko v času finančnega balona pri njih nabrali precej denarja?

Verjetno res. Moj nekdanji sošolec je sprejel ponudbo Wall Streeta in kar dobro poznam njegovo zgodbo. Prišel je iz Armenije, v srednji šoli se je udeleževal matematičnih olimpijad in tam prejel srebrno medaljo. Spoznala sva se med doktorskim študijem računalništva. Njegova začetna letna bruto plača algoritemskega trgovalca je bila 200.000 dolarjev, na koncu leta pa je lahko računal še na nagrado, ki je znašala od 50.000 do celo pol milijona dolarjev – odvisno od poslovnega leta in vrednosti sklada, s katerim je trgoval. Vendar tak življenjski slog ni za vsakogar. V službo je prišel ob šestih zjutraj in delal do osmih zvečer. Ko je prišel domov, se je pogosto spet priključil na trgovalni računalnik. Ozračje v njegovem podjetju je izjemno napeto. Vsi nihajo med evforijo, ko služijo denar, in obupom, ko ga izgubljajo. Vsi tekmujejo z vsemi, med zaposlenimi ni sodelovanja. Težko se je navezati ali spoprijateljiti s sodelavcem, če pa ga lahko že naslednji dan odpustijo zaradi slabših trgovalnih rezultatov. Le redki zdržijo v taki službi več kot nekaj let. Moj prijatelj je zdržal šest let, zdaj pa se seli v Chicago. Moja soseda tukaj v Santa Monici je bila petnajst let borzna posrednica v New Yorku, dokler ni napisala odpovedi, se preselila na drugi konec Amerike in se začela šolati za medicinsko sestro, ker je hotela delati nekaj družbeno koristnega.

Ameriški publicist in podjetnik Christopher Steiner je v knjigi o razvoju algoritmov Automate This zapisal, da so začeli številni znanstveniki v finančnem sektorju kmalu pogrešati občutek, da počnejo nekaj družbeno koristnega. Kljub visoki plači.

Ta misel bi tudi mene zmotila. Ne verjamem, da je toliko vrhunskih matematičnih, inženirskih in programerskih talentov smiselno porabiti za razvijanje trgovalnih algoritmov. Če bi se vprašali, kakšen je njihov realen prispevek ameriškemu gospodarstvu, nikoli ne bi mogli upravičiti tako visokih plač in nagrad, kar velja za celoten finančni sektor. Ker pa so finančni lobiji vplivni, bomo verjetno v ZDA še dolgo naprej tratili znanstveni in tehnološki potencial. Zanimivo pa je, da so ZDA še vedno največja tehnološka velesila – kljub temu da zapravlja toliko mladega talenta. Ob tem se sprašujem, kaj drugi delamo še bolj narobe, da tako zelo zaostajamo za njimi.

Kako dolgo bodo filmski režiserji še potrebovali človeške igralce?

Najboljši animatorji znajo izdelati tako prepričljive človeške like, da jih običajni gledalci na platnu ne bi več ločili od pravih igralcev. Sedanji generaciji hollywoodskih zvezdnikov se še ni treba bati računalniških dvojnikov, njihove naslednike pa skoraj zagotovo čakajo digitalni nadomestki.

Ki ne bodo zahtevali večmilijonskega honorarja za vlogo?

Zelo zanimivo bo videti, kaj bodo računalniški liki pomenili za zvezdniški sistem - v filmu, glasbi in na drugih področjih umetnosti. V računalniški grafiki se zelo hitro razvija računalniška umetnost. Najbolj znan in preprost primer so fotografski filtri v instagramu, ki digitalne mobilniške posnetke spremenijo v starinske filmske fotografije. Naprednejši algoritmi že znajo spremeniti fotografijo v zelo prepričljivo impresionistično sliko ali ilustracijo, ki jo še strokovnjaki težko ločijo od človeškega slikarskega izdelka. Upam pa, da s temi orodji ne bomo hoteli predvsem zamenjati ljudi in nižati stroške dela, ampak jih bomo namenili spodbujanju človeške ustvarjalnosti. Zelo dvomim, da je mogoče človeka v celoti zamenjati z računalnikom.

Česa morda ne bomo nikoli znali modelirati? Čustev?

Prava čustva so povezana z zavestjo o sebi, izkušnjami in doživljanjem lastnega telesa in sveta okoli njega, kar je za stroje zelo težko. Vendar bomo lahko kljub temu izdelali zelo natančne človeške modele. Računalniški animatorji in robotiki že znajo zelo prepričljivo posnemati človeška čustva – obrazno mimiko, izraze in čustvene odzive. Algoritme lahko naučimo prepoznavati žalost, veselje in jezo ter se nanje zelo človeško odzvati, zato si lahko predstavljam robotske varuške, terapevte, morda nekoč tudi odvetnike in igralce. Verjetno bomo imeli nekoč dovolj računske moči, da bomo znali izdelati popolnoma natančne digitalne kopije ljudi z vsako celico, nevronsko povezavo ali atomom. S takšnimi modeli bomo spoznavali fiziološke procese, analizirali potek bolezni in preizkušali nova zdravila. Možnosti so izjemne in se bodo verjetno uresničile že v tem stoletju. Si pa težko predstavljam, da bi se zaljubil v obraz, ki ga upravlja čustveni algoritem, saj predobro vem, kaj se skriva za vrsticami računalniškega programa (nasmešek).

Kaj pa tisti, ki ne znajo brati programskih vrstic?

Danes smo že tako obdani z računalništvom, da si, posebej mlada generacija, ne bo več mogla privoščiti takšne nepismenosti. Računalniki, aplikacije in človekoidni roboti izpolnjujejo ukaze programerjev. Seveda ne more vsakdo biti seznanjen z detajli programiranja, je pa dobro poznati njihovo osnovno logiko.

Kaj boste matematiki pustili za prihodnje stoletje?

Morda simulacije celotnega vesolja in modeliranje preteklosti.

Modeliranje preteklosti?

Nisem prepričan, da se bo mogoče kdaj prestaviti na neko določeno ulico v starogrških Atenah in opazovati, kaj so se pogovarjali prebivalci in kako so živeli. Ali izdelati natančno rekonstrukcijo umora, ki se je zgodil pred tednom dni. Za tako modeliranje bi morda morali prekršiti zakone fizike, česar še ne znamo in morda to nikoli ne bo mogoče.

Na svoji spletni strani ste že pred več kot desetimi leti objavili izčrpno navodilo, kako se uspešno prijaviti na ameriško univerzo. Se je obisk vašega zapisa povečal, odkar so se začeli mladi pogosteje odločati za študij v tujini?

Če sklepam po prejetih pismih, se mladi v Sloveniji v zadnjih dveh letih res pogosteje odločajo za študij in delo v tujini. Vendar se težko strinjam s tistimi, ki v statistikah vidijo samo beg možganov in krivdo izključno v razmerah v Sloveniji. Vi najbrž niste iz Ljubljane?

Nisem. V Ljubljano sem prišel študirat.

Tudi jaz. Za mojo generacijo gimnazijcev – maturiral sem leta 1995 – je bilo samoumevno, da mnogi ne bomo ostali v domači vasi, ampak se bomo z obrobja preselili nekam, kjer bomo lahko študirali, raziskovali in delali v svojem poklicu. Takrat je to zame pomenilo selitev iz Mosta na Soči v Ljubljano. Danes pa so našim najboljšim študentom dosegljive univerze v EU, ZDA in Aziji. Nekoč se je talent selil iz obrobja držav v središče, danes pa se seli iz manjših držav v večje svetovne centre. To je naraven proces in je posledica globalizacije, kjer Slovenija ne more biti izjema. Za nadarjenega mladega človeka je takšna možnost izjemno dragocena, saj lahko v mednarodnem prostoru pridobi znanja, izkušnje in mentorje, ki jih doma ni. Vprašanje je le, kaj bo slovenska družba naredila s tem potencialom in mladimi državljani sveta. Ga bo znala koristno uporabiti in privabiti nazaj ali bo le nemočno opazovala, kako z begom mladih izginja dragocen človeški kapital …

Je mogoče preprečiti takšno odtekanje?

Ne verjamem v preprečevanje, ampak me bolj zanima, kako ga oplemenititi – kako znanje, pridobljeno v tujini, uporabiti za razvoj domače znanosti in gospodarstva. Morda za začetek potrebujemo le malo več samozavesti in zavedanja, da doma ni vse tako slabo. Včasih se pošalim, da sem živa reklama za kvaliteto slovenskega šolstva: zlati maturant in desetkar, ki se je uveljavil tudi v mogočnih ZDA (nasmešek). Takih je lahko med mladimi Slovenci še veliko, če jih bomo le spodbujali, jim odpirali nova znanstvena in poklicna obzorja ter jim omogočili, da v Sloveniji dobijo primerne zaposlitve in položaje. Domači kadri morda sprva ne bodo veseli takih tekmecev, vendar bomo dolgoročno pridobili vsi.