三維毛發(fā)表現(xiàn)技術(shù)發(fā)展芻議

摘 要：作為一種區(qū)別于其他動畫表現(xiàn)類型的重要特征、一種微觀化的高精技術(shù)表現(xiàn)，三維動畫的制作中，毛發(fā)效果的表現(xiàn)一直是技術(shù)突破的難點之一，也是虛擬生物類角色表現(xiàn)的重點，屬于特定對象模擬仿真技術(shù)的研究范疇。

關(guān)鍵詞：三維動畫;毛發(fā)表現(xiàn);動力學結(jié)算

2019年，電影《獅子王》上映，導演喬恩·費儒忠實地還原了1994年迪士尼原版同名電影的鏡頭語言，但卻用極其強大的三維技術(shù)混淆了“動畫”與“現(xiàn)實”之間的邊界，片中最引人注目的便是各種野生動物的毛發(fā)表現(xiàn)。

從藝術(shù)表現(xiàn)的視角來看，毛發(fā)技術(shù)自誕生起就將傳統(tǒng)二維動畫原理中關(guān)于運動規(guī)律的部分推演到了畫面的縱深部分。在傳統(tǒng)二維動畫中，合理化的運動規(guī)律、力學原理讓角色夸張的造型及動作得以被觀眾承認和接受;而在三維動畫中，細膩的毛發(fā)質(zhì)感、力學運算會將觀眾對這種高假定藝術(shù)的認同由視覺感官推向心理層面。

然而在三維動畫的制作中，毛發(fā)效果的表現(xiàn)一直是技術(shù)突破的難點之一，也是虛擬生物類角色表現(xiàn)的重點，屬于特定對象模擬仿真技術(shù)的研究范疇。由于毛發(fā)單體的數(shù)量巨大，在運動過程中不但存在整體的形態(tài)變化，也必然出現(xiàn)單體元素的形變以及由大量碰撞關(guān)系引起的交互形變與延展變化，同時毛發(fā)所生長或附著的形體運動變形也為毛發(fā)的運動結(jié)算效果帶來了更多難以預判的復雜變化。

1 三維動畫毛發(fā)制作的常見方式

常見的三維毛發(fā)效果的表現(xiàn)方式有三種：第一，形體概括的模型表現(xiàn)方式。這種方式多見于早期三維動畫作品，當時三維技術(shù)尚不足以實現(xiàn)復雜精確的運動及渲染效果，卡通概括的造型手法能夠較為輕易地實現(xiàn)毛發(fā)整體形態(tài)的塑造與呈現(xiàn)，但基本無法表現(xiàn)毛發(fā)的真實質(zhì)感與運動狀態(tài)。第二，透明貼圖與面片表現(xiàn)方式。這種方式的構(gòu)成原理為將復雜的毛發(fā)效果進行結(jié)構(gòu)分拆，由片狀結(jié)構(gòu)疊加形成較為精細的毛發(fā)分組，再使用透明貼圖進一步實現(xiàn)單片模型上的毛發(fā)邊緣及縫隙疊加，以獲得更為細致與逼真的視覺表現(xiàn)。這種手法至今仍大量運用于三維游戲角色和三維動畫創(chuàng)作中，其優(yōu)勢在于以盡量少的資源消耗獲取較為豐富的結(jié)構(gòu)層次效果且易于操作，其弊端在于面片毛發(fā)在特定角度會暴露破綻，難以實現(xiàn)較長的頭發(fā)效果，運動形態(tài)由二級骨骼通過綁定實現(xiàn)模型層級的形變，視覺效果較為單調(diào)且控制較為復雜。第三，專用的毛發(fā)生成方式。由軟件模擬出仿真的毛發(fā)單體形態(tài)，再形成整體形態(tài)，由于其構(gòu)造原理完全來自真實事物的再現(xiàn)，形態(tài)、運動、層次均能達到較好的呈現(xiàn)，但系統(tǒng)資源消耗巨大，技術(shù)實現(xiàn)難度高。

2 三維毛發(fā)表現(xiàn)技術(shù)的發(fā)展

1995年，世界上首部三維動畫電影《玩具總動員》上映時，片中的主角并未出現(xiàn)毛發(fā)效果的呈現(xiàn)，作為配角出現(xiàn)的人類角色的頭發(fā)是使用模型概括的方式完成的。1997年，皮克斯出品的動畫短片《棋逢敵手》成為該動畫制作機構(gòu)的第一部以人類為主角的電影。片中將人類角色的表現(xiàn)作為技術(shù)突破的重點，對皮膚的渲染質(zhì)感和布料的模擬有重要的突破，主角老人的眉毛與頭發(fā)也使用了面片結(jié)合透明貼圖的方式呈現(xiàn)出了較好的視覺效果。2000年，迪士尼出品的《恐龍》上映，嘗試了實拍與三維動畫的結(jié)合，對于視覺效果提出了較高的要求。該片中，角色的綁定技術(shù)實現(xiàn)了較大突破，同時也嘗試了更為逼真的毛發(fā)制作方式，在片中，小動物角色的毛發(fā)制作量依然過萬。

2001年，三維毛發(fā)制作標志性電影作品《怪物公司》上映。皮克斯公司在這部電影5年的制作周期中完成了多項技術(shù)創(chuàng)新，毛發(fā)的自然擺動與角色的運動具有良好的聯(lián)動性，僅單一角色的個體毛發(fā)就達到了百萬級數(shù)量，從運動形態(tài)和渲染效果等方面對于制作團隊提出了嚴苛的要求，必須對原有三維動畫毛發(fā)的制作流程與技術(shù)進行創(chuàng)新與突破。為此，皮克斯開發(fā)了全新的Fizt仿真系統(tǒng)，在角色基礎動作完成后專門用于毛發(fā)的效果結(jié)算。分階段處理動力學制作的技術(shù)流程路線至此被確立，成為一種生產(chǎn)制作的技術(shù)指標。同一時期，作為三維動畫史上第一個超級擬真效果的虛擬角色阿基·羅斯出現(xiàn)在電影《最終幻想：靈魂深處》中，雖然票房慘淡，但堪稱三維技術(shù)的一個劃時代標記，6萬根角色頭發(fā)進行單獨的控制與渲染，每一幀畫面的渲染時間在由960臺渲染工作站構(gòu)成的渲染陣列中平均需要花費90分鐘。同年5月，斬獲奧斯卡最佳動畫長片獎的《怪物史萊克》上映，片中技術(shù)重點實現(xiàn)了毛發(fā)與環(huán)境的交互反應、毛發(fā)著色器的流控制等技術(shù)難點。

2004年，迪士尼電影公司發(fā)行了《超人總動員》。如何在三維動畫中體現(xiàn)迪士尼傳統(tǒng)動畫藝術(shù)的特點這一問題，促使開發(fā)團隊在毛發(fā)與其他交互動力學結(jié)算方面開發(fā)了新的模擬技術(shù)，取得了較大的進步，實現(xiàn)了長發(fā)效果制作的初步嘗試。2007，皮克斯動畫的第8部三維動畫電影《美食總動員》，為了表現(xiàn)片中主要角色老鼠特有的身體拉伸變形效果，采用了創(chuàng)新的晶格變形技術(shù)，同時也需要毛發(fā)的精確控制技術(shù)與之相適配。[1]2010年，迪士尼動畫工作室制作了三維電影《魔發(fā)奇緣》，以史無前例的成本完成制作。這部電影在CG圖像與傳統(tǒng)繪畫藝術(shù)的結(jié)合上進行了有益的探索與嘗試，一定程度上改變了計算機圖像技術(shù)工程化的既有局限，“使用了毛發(fā)模擬程序Dynamic wire的改進版本以解決長發(fā)的動畫可控性問題;通過增強的幾何算法實現(xiàn)水流體與毛發(fā)效果的動力學計算”。[2]

2013年，容納了大量毛發(fā)、流體變形技術(shù)在內(nèi)的《冰雪奇緣》上映并實現(xiàn)了眾多的技術(shù)突破，片中制作軟件Toniz毛發(fā)制作軟件實現(xiàn)了毛皮服裝與頭發(fā)的制作，其中主要角色艾爾莎的頭發(fā)數(shù)量超過了40萬根。2016年，迪士尼出品的《瘋狂動物城》贏得了無數(shù)的榮譽，包括奧斯卡獎、金球獎、安妮最佳動畫長片獎等重要獎項。影片中的主角尼克狐和朱迪兔各自擁有約250萬根毛發(fā)。為了精確地實現(xiàn)毛發(fā)效果的造型和編輯，軟件工程師團隊開發(fā)了專用軟件“iGroom”、渲染團隊在Hyperion渲染器的光線追蹤功能基礎上進行了“毛發(fā)模式”的二次開發(fā)、“Nitro”即時顯示程序可進行更直觀的精微效果顯示。在這些技術(shù)創(chuàng)新的支持下，影片中多達64種動物的濃密毛發(fā)外觀得以出色的實現(xiàn)。2019年，《阿麗塔：戰(zhàn)斗天使》將虛擬數(shù)字角色的制作水準提升到了階段性頂峰，片中角色阿麗塔的毛發(fā)系統(tǒng)包括47種，包括13萬根頭發(fā)、2000根睫毛、近500根眉毛，甚至使用毛孔生長技術(shù)，實現(xiàn)了面部裸露皮膚部分的50萬根細小絨毛的單獨放置。在角色肌膚的質(zhì)感表現(xiàn)方面，在原有光線追蹤和次表面反射技術(shù)之上又完成了質(zhì)的突破。

3 三維毛發(fā)表現(xiàn)技術(shù)的新階段

建立在計算機圖形學、數(shù)學、物理學基礎上的三維毛發(fā)技術(shù)依托于現(xiàn)代數(shù)字藝術(shù)的綜合學科背景，是從體塊化的造型處理到照相寫實主義的現(xiàn)實再現(xiàn)。三維技術(shù)是繼照相術(shù)、攝影之后又一次制造完全擬真圖像的歷史創(chuàng)造者，更是文明史上從未有過的、完全“憑空”創(chuàng)造高度擬真景象的技術(shù)革命。隨著圖像技術(shù)往沉浸式、佩戴式、感官式的趨勢縱深發(fā)展，“擬像”與“真實”的混合正在逐漸成為當下及未來的客觀世界圖景，而虛擬化的角色也逐漸轉(zhuǎn)化為一種有著真實價值和意義的客觀存在。在賽博世界與現(xiàn)實世界雙棲的大語境下，虛擬角色既是每個現(xiàn)實個體在數(shù)字世界行走與表達的化身，也是現(xiàn)實人群用于再造自我的重要媒介，更是現(xiàn)實人群用于強化自我認同的真實載體。因此，圖像信息受眾對于CG“質(zhì)感”無限的需求成為三維技術(shù)開發(fā)者、CG藝術(shù)創(chuàng)作者不斷探索新技術(shù)的動力：從4K畫面到8K畫面、從移動網(wǎng)絡的4G到5G……后工業(yè)時代的人們的閱讀方式已經(jīng)由想象真實、模擬真實發(fā)展為生產(chǎn)真實、重構(gòu)真實。

伴隨著數(shù)字引擎技術(shù)的飛速發(fā)展，實時的毛發(fā)動力學及GPU渲染技術(shù)也已漸趨成熟。2019年，在上海舉行的Epic Games年度行業(yè)盛會上，AMD游戲圖形專家發(fā)表了《UE4中新一代真實感毛發(fā)渲染》的主題技術(shù)演講，GPU加速下的細粒度毛發(fā)渲染方案包括物理加速與高質(zhì)量即時渲染，集成化的工具包可以為創(chuàng)作者提供更為友好的使用體驗，并呈現(xiàn)出高質(zhì)量的圖像結(jié)果。在實時渲染逐漸強盛，部分替代離線渲染流程的今天，由皮克斯動畫所創(chuàng)立的獨立結(jié)算制作流程也將迎來游戲物理引擎的技術(shù)挑戰(zhàn)。技術(shù)歷史的每一次迭代更新都源自創(chuàng)作者對于視覺世界的好奇心，也必將推動視覺藝術(shù)的發(fā)展重構(gòu)。

參考文獻：

[1] Anne Neumann . Ratatouille Edit Bay Visit！[DB/OL]. https：//www.comingsoon.net/movies/features/19939-ratatouille-edit-bay-visit，2007-04-25.

[2] 鄧強.三維動畫藝術(shù)創(chuàng)作維度研究[D].西安美術(shù)學院，2019：43.

作者簡介：薛峰（1978—），男，江蘇如皋人，博士，教授，研究方向：動畫和數(shù)字媒體藝術(shù)。