@張心欣 :《阿麗(lì)塔:戰鬥天使》是一(yī)部相當「炫技」的電影。帶着詹姆斯·卡梅隆「光(guāng)環」,導演羅德裏茲格聯手維塔工(gōng)作(zuò)室,給觀衆們展現出電影視(shì)覺幻術(shù)的最高技藝。
我看(kàn)到幾個在電影特效技術(shù)上(shàng)很(hěn)「顯功力」的場景,想給大家一(yī)一(yī)拆解,讓你們也感受到我的震撼(有點「魔術(shù)揭秘」的意思)。帶着這(zhè)些背景知識再看(kàn)《阿麗(lì)塔》,你肯定會有不同的感觸。
CGI 眼睛的渲染和(hé)制作(zuò)非常困難,因為(wèi)從(cóng)眼球壁到血管膜到視(shì)網膜,每一(yī)層結構都(dōu)要(yào)制作(zuò)和(hé)渲染。
人(rén)類的眼珠不是一(yī)個單純的球體,為(wèi)了(le)複現它複雜(zá)的光(guāng)學表現,需要(yào)計算光(guāng)線在其中複雜(zá)的光(guāng)路運動。
另外(wài),眼珠內(nèi)部的幾何結構也十分複雜(zá),此次阿麗(lì)塔的眼珠特寫鏡頭運用到了(le)830萬多邊形數(shù)量的幾何建模,并使用自(zì)主研發的算法進行(xíng)了(le)複雜(zá)的光(guāng)路追蹤。
「眼睛」是傳達情感、感染觀衆最重要(yào)的窗口。很(hěn)多人(rén)看(kàn)完電影都(dōu)覺得,阿麗(lì)塔的「大眼睛」深深印在自(zì)己的腦海(hǎi)裏,揮之不去,她從(cóng)純真到成熟的變化都(dōu)映射到眼神的變化上(shàng)。看(kàn)來這(zhè)些努力沒白費(fèi)。
CGI 衣服裏面最難制作(zuò)的就是毛衣,因為(wèi)毛衣的物(wù)理形變涉及到很(hěn)複雜(zá)的微(wēi)觀物(wù)理交互,除非仿真程序的模拟細緻到了(le)每一(yī)根線頭,否則無法仿真出真實的毛衣布料形态。
而阿麗(lì)塔恰恰就選擇在登場的時(shí)候穿了(le)一(yī)件毛衣。
這(zhè)樣的 CG 毛衣市面上(shàng)沒有現成軟件可(kě)以完成,應該是維塔自(zì)己開(kāi)發軟件制作(zuò)的,筆(bǐ)者以為(wèi),這(zhè)大約是維塔在炫耀他(tā)們領先的仿真程序~
△ 這(zhè)個算法是魔鬼嗎?真的連每一(yī)根毛線都(dōu)模拟*
長(cháng)期以來,「毛發模拟」和(hé)「液體模拟」在電影特效真實感的營造中起着至關重要(yào)的作(zuò)用。電影中有一(yī)處場景,阿麗(lì)塔縱身跳(tiào)入水中,找到水底戰艦上(shàng)的「狂戰士铠甲」。
畫(huà)面中她的頭發因為(wèi)浸泡在水中,發絲被打濕耷拉下(xià)來,呈現出從(cóng)頭到腳濕漉漉的觀感。
這(zhè)短短幾分鐘(zhōng),逼真的模拟出了(le)「頭發」和(hé)「液體」之間(jiān)的相互作(zuò)用,是相當有技術(shù)含量的。
毛發和(hé)液體之間(jiān)的作(zuò)用是一(yī)種跨越多個空間(jiān)尺度的物(wù)理現象。當毛發完全浸沒在液體中時(shí),它呈現為(wèi)一(yī)種多孔介質,而且可(kě)以對周圍液體流動産生拖曳效應。
當把毛發從(cóng)液體中提出來後,毛發上(shàng)會粘連一(yī)定量的液體,這(zhè)些液體會沿發束流動,并最終滴落。
同時(shí),潮濕的毛發相互之間(jiān)不僅會發生碰撞,而且表面液體也會産生液體橋,表面張力效應會導緻毛發凝聚成團塊。
對于這(zhè)樣複雜(zá)的物(wù)理現象,設計出最合适的模型是關鍵。
通(tōng)常來說,大塊液體可(kě)以用仿射粒子胞元法(Affine Particle-in-Cell)來模拟,而毛發可(kě)以用離散彈性棒(Discrete Elastic Rods)來建模。
為(wèi)模拟毛發表面較薄的液體,我們在毛發表面再增加一(yī)個液體的高度場,同時(shí)用淺水方程來計算表面液體流動。
△ 展示毛發內(nèi)液體僅為(wèi)作(zuò)對比,形态是不模拟的
在為(wèi)頭發、大塊液體和(hé)薄層液體都(dōu)建立了(le)物(wù)理模型之後,通(tōng)過引入碰撞和(hé)黏連模型,就可(kě)以模拟出濕毛發之間(jiān)的內(nèi)聚現象。
同時(shí)通(tōng)過計算水下(xià)毛發與它周圍流體之間(jiān)的拖曳力,就可(kě)以生成毛發和(hé)液體互相拖曳的效果。
最後,再建立一(yī)組算法來模拟大塊液體被頭發捕獲成為(wèi)薄層液體,以及薄層液體彙流、滴落成為(wèi)大塊液體的過程。
△ 此處貢獻者費(fèi)雲(Raymond)
這(zhè)樣,才能(néng)實現出最終《阿麗(lì)塔》電影裏那(nà)種「濕頭發」的自(zì)然視(shì)效。
有沒有被阿麗(lì)塔和(hé)男(nán)主角接吻的畫(huà)面感動到?我也是,但(dàn)理由可(kě)能(néng)不大一(yī)樣:因為(wèi) CG 人(rén)物(wù)和(hé)真人(rén)接吻,在電影特效上(shàng)真的很(hěn)難搞。
接吻時(shí)需要(yào)調用面部的146塊肌肉(群),為(wèi)真實再現接吻的動作(zuò),就有可(kě)能(néng)需要(yào)真實地(dì)再現這(zhè)些肌群的運動。嘴唇肌肉是軟的,而裏面的骨骼和(hé)肌肉卻較為(wèi)硬,所以在仿真程序需要(yào)能(néng)夠處理這(zhè)些不同的材質的碰撞和(hé)形變。
接下(xià)來我要(yào)在技術(shù)上(shàng)物(wù)理拆解「接吻」這(zhè)件事。下(xià)面是人(rén)類接吻的X光(guāng)拍攝,注意其中所展現的該行(xíng)為(wèi)的複雜(zá)度:面部肌肉驅動剛體的骨骼和(hé)牙齒運動,而柔軟地(dì)皮膚相互碰撞擠壓産生複雜(zá)的形變。
維塔的獨門絕技之一(yī),從(cóng)骨骼到肌肉到脂肪層,再到皮膚和(hé)毛發的有限元仿真程序,以制作(zuò)出逼真的數(shù)字角色。
維塔的肌肉仿真工(gōng)具從(cóng)人(rén)猿星球的早期就開(kāi)始研發,經曆了(le)多個制作(zuò)的錘煉。
《阿麗(lì)塔》中的親吻鏡頭完成度之高,以緻于它甩開(kāi)了(le)被認為(wèi)是同級别制作(zuò)水平的作(zuò)品幾條街。
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在技術(shù)上(shàng)同樣被認為(wèi)是世界頂級的皮克斯(迪士尼),接吻鏡頭也不敢做(zuò)特寫,《阿麗(lì)塔》的接吻鏡頭,居然就敢做(zuò)成特寫。
表演捕捉本身是常規操作(zuò),CG 數(shù)字角色與實拍結合也是常規操作(zuò)。
然而能(néng)把這(zhè)件事做(zuò)到爐火(huǒ)純青之境界的,特别的是能(néng)熟練地(dì)進行(xíng)數(shù)字角色和(hé)真人(rén)高難度動作(zuò)戲拍攝而絲毫看(kàn)不出破綻的,有很(hěn)多常規中的不常規。
表演捕捉方面,維塔工(gōng)作(zuò)室曆經了(le)《指環王》系列、《猩球崛起》系列和(hé)《阿凡達》等多個項目的洗禮,積累下(xià)豐富的制作(zuò)經驗。
△ 《猩球崛起3》動捕演員(yuán)安迪·瑟克斯
在阿麗(lì)塔中,充滿了(le)這(zhè)樣的表演捕捉,其中數(shù)字角色單獨出現的表演捕捉制作(zuò)難度并不是特别大,更具有挑戰的是數(shù)字角色和(hé)真人(rén)會産生互動的表演捕捉。
在表演捕捉與真人(rén)結合的拍攝中,同一(yī)場戲,即使一(yī)條過,也至少(shǎo)得拍兩遍。
第一(yī)遍:表演捕捉。實拍演員(yuán)與捕捉演員(yuán)一(yī)起表演一(yī)遍,目的是為(wèi)了(le)捕捉下(xià)捕捉演員(yuán)與實拍角色互動的真實感。
△ 阿麗(lì)塔動捕演員(yuán)羅莎·薩拉查
第二遍:實拍演員(yuán)獨自(zì)表演。此次拍攝又稱為(wèi)「clean plate」,目的是為(wèi)了(le)得到沒有任何遮擋情況下(xià)實拍演員(yuán)的畫(huà)面。
然後才能(néng)是合成。将表演捕捉得到的數(shù)字動作(zuò)賦予數(shù)字角色後,再往 clean plate 上(shàng)去合成,才得到了(le)我們最終看(kàn)到的畫(huà)面。
整個操作(zuò)的原理不難,然而能(néng)使最後的畫(huà)面看(kàn)起來毫無破綻,就有大量的制作(zuò)經驗與手段的千錘百煉,就好像魔術(shù)一(yī)般,即使知道(dào)了(le)原理,也并不是每個人(rén)都(dōu)能(néng)變的。
最後想說,《阿麗(lì)塔:戰鬥天使》是一(yī)部完成度高超的科幻電影,而用于制作(zuò)以及完成它的畫(huà)面表現的科學技術(shù)和(hé)藝術(shù)家的技藝,其中物(wù)理學、數(shù)學、計算機科學的研發與制作(zuò)緊密結合的思路,對當前的中國(guó)影視(shì)制作(zuò)能(néng)力來說,也可(kě)謂是很(hěn)「科幻」了(le)。
慶幸我們從(cóng)《流浪地(dì)球》走出了(le)第一(yī)步,更希望我們能(néng)從(cóng)《阿麗(lì)塔》中看(kàn)到我們前進的方向。
我不敢妄稱專家,我是一(yī)個極客,也是一(yī)個影視(shì)熱(rè)愛者,也是數(shù)字化影視(shì)制作(zuò)的萬千研發和(hé)實踐者之一(yī),以上(shàng)僅從(cóng)個人(rén)所熟悉之專業來提供一(yī)份觀點,希望能(néng)成為(wèi)諸位極客影迷們看(kàn)阿麗(lì)塔時(shí)的佐餐良菜。
△ 張心欣—本文作(zuò)者
簡介:加拿(ná)大 UBC 大學計算機科學博士,前皮克斯工(gōng)程師(shī),曾在維塔工(gōng)作(zuò)室參與《霍比特人(rén)3》等影片的特效算法研發,還曾任 Lytro 高級算法工(gōng)程師(shī);在北京電影學院高精尖未來影像創新中心,開(kāi)發針對影視(shì)應用的大規模并發式物(wù)理仿真程序。