IT計算技術(shù)下的《阿凡達》

文 樹子

這個幾乎完全虛擬的科幻世界吸引了全世界的目光，而在它身后，則是Weta Digital龐大的計算集群和虛擬設(shè)備。

>> 《阿凡達》背后擁有眾多高科技IT技術(shù)。

160分鐘、14年、2.3億美元的制作成本、總成本超過5億美元、3000多個特效鏡頭、僅37名真人演員卻擁有2000名幕后工作人員、800個為CGI服務的特效人員……在這個冬天，卡梅隆花費14年時間打造出的科幻巨作《阿凡達》點燃了整個中國所有電影院的火爆場面。幾乎每一個走出電影院的觀眾都認為，雖然老套的劇情并沒有什么出彩之處，大團圓的結(jié)局也讓人少了些許回味，但是長達160分鐘的電影依然沒有“Run to pee”的時間，每一個情節(jié)和場面都讓人不忍站起身來。

這個幾乎完全虛擬的科幻世界吸引了全世界的目光，而在它身后，則是Weta Digital龐大的計算集群和虛擬設(shè)備。事實上，由于《阿凡達》大量采用了數(shù)字特技，因此對于計算和傳輸?shù)囊蠓浅８?。卡梅隆也多次表示，之所以這一劇本醞釀10多年才投入拍攝，是因為此前計算機軟硬件的條件無法達到特技效果所需要的水平。

那么，究竟是怎樣的IT技術(shù)在背后支撐著《阿凡達》的拍攝呢？

虛擬攝影機完成不可能任務

《阿凡達》使用兩臺索尼HDCF950 HD攝像機進行拍攝，這兩臺攝影機可以拍出不同角度的畫面，用來模擬雙眼觀看事物的感覺，提供不同視角的畫面。因為裝配不同的濾鏡，當被攝物體進入鏡頭時圖像的一部分會被分別遮住，這樣一來，傳遞給大腦的就是一種視差錯覺，最終得到三維視角的畫面。

卡梅隆花了10年時間研究虛擬3D攝影機，在用上了傳感器捕捉系統(tǒng)之后，卡梅隆可以在影片最終完成之前就看到實際的效果。虛擬攝影機本身并沒有鏡頭，只有一個LCD顯示屏以及從傳感器獲取演員位置及動作信息的接收器。演員穿上特制的帶有傳感器的服裝在布景中表演，卡梅隆就可以在虛擬攝像機的LCD顯示屏上看到已經(jīng)與CG背景畫面合成的畫面效果。

另外一個在拍攝中被使用的高清攝像機集群是用來精確地捕捉演員的每一個動作，甚至包括每一次揚起眉毛。新系統(tǒng)比以往的動態(tài)捕捉精確度高出數(shù)倍，這一系統(tǒng)的核心是一個距離演員面部僅幾英寸距離的微縮高清攝影頭，用以記錄演員面部細微表情，然后把95%面部動作傳送給計算機內(nèi)的虛擬角色，將這些表情“貼”在經(jīng)電腦加工后的納威人臉上。

除了運用“動作捕捉(Motion Capture)”技術(shù)拍攝沒有實際場景的演員表演之外，攝影棚內(nèi)還同時架設(shè)一套“協(xié)同工作攝像機(Simulcam)”。這套系統(tǒng)由攝影棚頂部的140個數(shù)字攝像機組成，攝像機通過追蹤現(xiàn)場LED燈打出的近紅外光譜反射，將捕捉到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎慵褐?，再將光譜的反射與演員的運動進行組合分析，得出整個鏡頭的立體模型。這一模型將被被映射到后期的渲染場景中，使最終的場景更加接近真實世界。

使用虛擬攝像機還可以根據(jù)卡梅隆的需求隨意作出各種不可能的鏡頭動作。比如在最后的大戰(zhàn)中，攝像機一直跟著主角在空中飛行，傳統(tǒng)攝像機很難完成如此宏大的場景拍攝，但是虛擬攝像機可以根據(jù)導演的需求在空中隨意移動，整個過程的運動軌跡能夠被系統(tǒng)捕捉下來并合成到后期的畫面處理中。

圖形計算軟硬兼施

Weta Digital是卡梅隆的幕后英雄，這家由著名導演彼得·杰克遜創(chuàng)建的數(shù)字工作室完成了《阿凡達》電影中800多個CG人物和大量逼真場景。在整個CG視覺特效歷史上，《阿凡達》第一次把需要的單元數(shù)量從百萬級別提高到了十億級別，由此產(chǎn)生的光線追蹤及變化渲染工作將是不可估量的。

2009年3月，Weta Digital首席技術(shù)官Paul Ryan、渲染調(diào)研負責人Luca Fascione和NVIDIA Research高級架構(gòu)師Jacopo Pantaleoni認為，他們需要一個全新的、靈活的光線追蹤渲染方案為《阿凡達》服務。隨后，NVIDIA為Weta Digital設(shè)計開發(fā)了一個全新的計算光線追蹤引擎PantaRay，大大加速了CG制作和渲染過程。

NVIDIA表示，PantaRay光線追蹤渲染處理器在Tesla S1070 GPU計算服務器的執(zhí)行速度比在普通CPU服務器上最多能快上25倍。Weta研發(fā)部主管Sebastian Sylwan甚至夸張地稱，這種方式與傳統(tǒng)方式的速度差異“可能達到100倍”。

在計算架構(gòu)方面，卡梅隆選擇了由著名的Pixar公司開發(fā)的、名為Alfred的多任務階梯式架構(gòu)，把一個大任務分成數(shù)千個獨立的小單元來處理。每當在整個計算集群中有CPU完成任務，就會被隨機分配新的任務。在高峰時段，這一計算集群每天要為《阿凡達》處理1萬多個任務，約1300萬～1400萬個單元。

>> Weta Digital完成了絕大部分的3D畫面渲染。

數(shù)據(jù)中心的堅實保障

虛擬攝像機也好，圖形渲染工作也罷，沒有強勁的數(shù)據(jù)中心是不可能實現(xiàn)的。由于Weta Digital由構(gòu)建物理模型的Weta工作室和進行實際運算的Weta數(shù)據(jù)中心兩部分組成，因此Weta Digital在提供了制作技術(shù)的同時也提供了擁有強大運算能力的數(shù)據(jù)中心。

根據(jù)Weta Digital的相關(guān)人員介紹，他們在2008年重新配置了1萬多平方米的機房。新的系統(tǒng)由4個超級計算集群組成，使用了1280臺HP BladeSystem BL2x220c刀片服務器，累積峰值計算性能高達205萬億次浮點運算/秒。這一改進使得Weta Digital的處理能力提高了一倍，使其不僅能夠提高處理能力，而且無需擴建數(shù)據(jù)中心或者支付冷卻新增刀片服務器所需的費用。這些服務器通過光纖連接讀寫大約3PB（1PB=1024TB）的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)存放在BlueArc和NetApp的存儲上，數(shù)據(jù)傳輸使用光纖通道，而操作系統(tǒng)使用Linux。這一計算集群在當年的全球TOP 500超級計算機中排在200名以內(nèi)。

在網(wǎng)絡連接方面，計算集群之間的連接采用萬兆以太網(wǎng)。因為在高速計算中，數(shù)據(jù)流要求絕對穩(wěn)定，運算速度要求也很高，不能有絲毫的延遲，所以只能通過本地機房網(wǎng)絡以高帶寬完成數(shù)據(jù)交換。不過，相比3PB的原始數(shù)據(jù)，電影完成后的數(shù)據(jù)量相對來說并不多，一幀的數(shù)據(jù)量為12 MB，每分鐘的數(shù)據(jù)為17.28GB，整部電影的數(shù)據(jù)為2.8TB，僅為原始數(shù)據(jù)的千分之一左右。

另外，由于機房使用了大量計算設(shè)備，其產(chǎn)生的熱量相當大。為保持機房平穩(wěn)運轉(zhuǎn)，Weta Digital數(shù)據(jù)中心使用了多種方式進行散熱，其中包括裝配強制水冷設(shè)備，提升地板以增強散熱等等。最好的情況下，這個數(shù)據(jù)中心可以比同等規(guī)模的常規(guī)機房節(jié)省40%制冷成本。