三维毛发表现技术发展刍议

    摘 要：作为一种区别于其他动画表现类型的重要特征、一种微观化的高精技术表现，三维动画的制作中，毛发效果的表现一直是技术突破的难点之一，也是虚拟生物类角色表现的重点，属于特定对象模拟仿真技术的研究范畴。

    关键词：三维动画;毛发表现;动力学结算

    2019年，电影《狮子王》上映，导演乔恩·费儒忠实地还原了1994年迪士尼原版同名电影的镜头语言，但却用极其强大的三维技术混淆了“动画”与“现实”之间的边界，片中最引人注目的便是各种野生动物的毛发表现。

    从艺术表现的视角来看，毛发技术自诞生起就将传统二维动画原理中关于运动规律的部分推演到了画面的纵深部分。在传统二维动画中，合理化的运动规律、力学原理让角色夸张的造型及动作得以被观众承认和接受;而在三维动画中，细腻的毛发质感、力学运算会将观众对这种高假定艺术的认同由视觉感官推向心理层面。

    然而在三维动画的制作中，毛发效果的表现一直是技术突破的难点之一，也是虚拟生物类角色表现的重点，属于特定对象模拟仿真技术的研究范畴。由于毛发单体的数量巨大，在运动过程中不但存在整体的形态变化，也必然出现单体元素的形变以及由大量碰撞关系引起的交互形变与延展变化，同时毛发所生长或附着的形体运动变形也为毛发的运动结算效果带来了更多难以预判的复杂变化。

    1 三维动画毛发制作的常见方式

    常见的三维毛发效果的表现方式有三种：第一，形体概括的模型表现方式。这种方式多见于早期三维动画作品，当时三维技术尚不足以实现复杂精确的运动及渲染效果，卡通概括的造型手法能够较为轻易地实现毛发整体形态的塑造与呈现，但基本无法表现毛发的真实质感与运动状态。第二，透明贴图与面片表现方式。这种方式的构成原理为将复杂的毛发效果进行结构分拆，由片状结构叠加形成较为精细的毛发分组，再使用透明贴图进一步实现单片模型上的毛发边缘及缝隙叠加，以获得更为细致与逼真的视觉表现。这种手法至今仍大量运用于三维游戏角色和三维动画创作中，其优势在于以尽量少的资源消耗获取较为丰富的结构层次效果且易于操作，其弊端在于面片毛发在特定角度会暴露破绽，难以实现较长的头发效果，运动形态由二级骨骼通过绑定实现模型层级的形变，视觉效果较为单调且控制较为复杂。第三，专用的毛发生成方式。由软件模拟出仿真的毛发单体形态，再形成整体形态，由于其构造原理完全来自真实事物的再现，形态、运动、层次均能达到较好的呈现，但系统资源消耗巨大，技术实现难度高。

    2 三维毛发表现技术的发展

    1995年，世界上首部三维动画电影《玩具总动员》上映时，片中的主角并未出现毛发效果的呈现，作为配角出现的人类角色的头发是使用模型概括的方式完成的。1997年，皮克斯出品的动画短片《棋逢敌手》成为该动画制作机构的第一部以人类为主角的电影。片中将人类角色的表现作为技术突破的重点，对皮肤的渲染质感和布料的模拟有重要的突破，主角老人的眉毛与头发也使用了面片结合透明贴图的方式呈现出了较好的视觉效果。2000年，迪士尼出品的《恐龙》上映，尝试了实拍与三维动画的结合，对于视觉效果提出了较高的要求。该片中，角色的绑定技术实现了较大突破，同时也尝试了更为逼真的毛发制作方式，在片中，小动物角色的毛发制作量依然过万。

    2001年，三维毛发制作标志性电影作品《怪物公司》上映。皮克斯公司在这部电影5年的制作周期中完成了多项技术创新，毛发的自然摆动与角色的运动具有良好的联动性，仅单一角色的个体毛发就达到了百万级数量，从运动形态和渲染效果等方面对于制作团队提出了严苛的要求，必须对原有三维动画毛发的制作流程与技术进行创新与突破。为此，皮克斯开发了全新的Fizt仿真系统，在角色基础动作完成后专门用于毛发的效果结算。分阶段处理动力学制作的技术流程路线至此被确立，成为一种生产制作的技术指标。同一时期，作为三维动画史上第一个超级拟真效果的虚拟角色阿基·罗斯出现在电影《最终幻想：灵魂深处》中，虽然票房惨淡，但堪称三维技术的一个划时代标记，6万根角色头发进行单独的控制与渲染，每一帧画面的渲染时间在由960台渲染工作站构成的渲染阵列中平均需要花费90分钟。同年5月，斩获奥斯卡最佳动画长片奖的《怪物史莱克》上映，片中技术重点实现了毛发与环境的交互反应、毛发着色器的流控制等技术难点。

    2004年，迪士尼电影公司发行了《超人总动员》。如何在三维动画中体现迪士尼传统动画艺术的特点这一问题，促使开发团队在毛发与其他交互动力学结算方面开发了新的模拟技术，取得了较大的进步，实现了长发效果制作的初步尝试。2007，皮克斯动画的第8部三维动画电影《美食总动员》，为了表现片中主要角色老鼠特有的身体拉伸变形效果，采用了创新的晶格变形技术，同时也需要毛发的精确控制技术与之相适配。[1]2010年，迪士尼动画工作室制作了三维电影《魔发奇缘》，以史无前例的成本完成制作。这部电影在CG图像与传统绘画艺术的结合上进行了有益的探索与尝试，一定程度上改变了计算机图像技术工程化的既有局限，“使用了毛发模拟程序Dynamic wire的改进版本以解决长发的动画可控性问题;通过增强的几何算法实现水流体与毛发效果的动力学计算”。[2]

    2013年，容纳了大量毛发、流体变形技术在内的《冰雪奇缘》上映并实现了众多的技术突破，片中制作软件Toniz毛发制作软件实现了毛皮服装与头发的制作，其中主要角色艾尔莎的头发数量超过了40万根。2016年，迪士尼出品的《疯狂动物城》赢得了无数的荣誉，包括奥斯卡奖、金球奖、安妮最佳动画长片奖等重要奖项。影片中的主角尼克狐和朱迪兔各自拥有约250万根毛发。为了精确地实现毛发效果的造型和编辑，软件工程师团队开发了专用软件“iGroom”、渲染团队在Hyperion渲染器的光线追踪功能基础上进行了“毛发模式”的二次开发、“Nitro”即时显示程序可进行更直观的精微效果显示。在这些技术创新的支持下，影片中多达64种动物的浓密毛发外观得以出色的实现。2019年，《阿丽塔：战斗天使》将虚拟数字角色的制作水准提升到了阶段性顶峰，片中角色阿丽塔的毛发系统包括47种，包括13万根头发、2000根睫毛、近500根眉毛，甚至使用毛孔生长技术，实现了面部裸露皮肤部分的50万根细小绒毛的单独放置。在角色肌肤的质感表现方面，在原有光线追踪和次表面反射技术之上又完成了质的突破。

    3 三維毛发表现技术的新阶段

    建立在计算机图形学、数学、物理学基础上的三维毛发技术依托于现代数字艺术的综合学科背景，是从体块化的造型处理到照相写实主义的现实再现。三维技术是继照相术、摄影之后又一次制造完全拟真图像的历史创造者，更是文明史上从未有过的、完全“凭空”创造高度拟真景象的技术革命。随着图像技术往沉浸式、佩戴式、感官式的趋势纵深发展，“拟像”与“真实”的混合正在逐渐成为当下及未来的客观世界图景，而虚拟化的角色也逐渐转化为一种有着真实价值和意义的客观存在。在赛博世界与现实世界双栖的大语境下，虚拟角色既是每个现实个体在数字世界行走与表达的化身，也是现实人群用于再造自我的重要媒介，更是现实人群用于强化自我认同的真实载体。因此，图像信息受众对于CG“质感”无限的需求成为三维技术开发者、CG艺术创作者不断探索新技术的动力：从4K画面到8K画面、从移动网络的4G到5G……后工业时代的人们的阅读方式已经由想象真实、模拟真实发展为生产真实、重构真实。

    伴随着数字引擎技术的飞速发展，实时的毛发动力学及GPU渲染技术也已渐趋成熟。2019年，在上海举行的Epic Games年度行业盛会上，AMD游戏图形专家发表了《UE4中新一代真实感毛发渲染》的主题技术演讲，GPU加速下的细粒度毛发渲染方案包括物理加速与高质量即时渲染，集成化的工具包可以为创作者提供更为友好的使用体验，并呈现出高质量的图像结果。在实时渲染逐渐强盛，部分替代离线渲染流程的今天，由皮克斯动画所创立的独立结算制作流程也将迎来游戏物理引擎的技术挑战。技术历史的每一次迭代更新都源自创作者对于视觉世界的好奇心，也必将推动视觉艺术的发展重构。

    参考文献：

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

    [2] 邓强.三维动画艺术创作维度研究[D].西安美术学院，2019：43.

    作者简介：薛峰（1978—），男，江苏如皋人，博士，教授，研究方向：动画和数字媒体艺术。