深度解析维塔强大的毛发修饰工具Barbershop(上)
最近一些电影中最令人惊叹的数字毛发和皮毛工作——如《猩球崛起:黎明之战》中的Caesar, Maurice以及数以百计的猩猩,《霍比特人》三部曲中的中土生物,《丁丁历险记》中的狗狗Snowy——都出自维塔数码,部分要归功于该工作室的Barbershop毛发修饰系统。该工具集目前获得了奥斯卡科学技术奖Sci-tech Award,这篇文章就Barbershop在维塔数码的使用和发展对获奖者进行了相关采访。
Barbershop最引人注意的方面不是渲染时图像的外观有多棒——尽管毫无疑问,他们做的确实很棒——而是维塔数码的工作团队写出来的软件,确实就是设计师们在雕塑和设计角色毛发时想要的效果,最让人不可思议的是出现在屏幕上一模一样的角色。这似乎不会引起 奥斯卡的注意,但基于这样一个显而易见的基本概念,这个项目必须做一些非常熟练的工作,以便于设计师能够直接控制Caesar身上每一根湿毛发,以及当他站起来俯视旧金山时——Caesar的每一根毛发看起来也都要一样。
![深度解析维塔强大的毛发修饰工具Barbershop(上)](http://107cine.cdn.cinehello.com/20150304/1425445545_61626.jpg)
毛发、布料、火和水的动画在计算机绘图的基础就是模拟。这类事物进行动画处理太复杂,所以我们通常创建一个系统,运行,然后看结果。以布料模拟为例,设计师将布“剪”为衬衫的形状,然后我们运行这个模拟,它就会下落、沉降并折叠为这个数字角色的轮廓。燃烧的大楼进行了分裂模拟,模拟数据就会缓存,就像水或其他模拟一样,然后被渲染。对于毛发的模拟,应该使用同样的逻辑,毛发的长度、样式和颜色都应被定义,然后运行模拟,看效果如何。全是建模非常好的飘逸毛发,但如果第二个角色翻转再运行毛发模拟,就意味着重力摧毁了毛发,失去了躯体,就会弹跳起来,这个镜头就毁了。是什么使Barbershop变得如此强大?暂且不说其他的,你能确切的对毛发的外观进行建模——使用像梳子这类熟悉的工具,或者将毛发剪到特定长度,然后使用类似从检测工具,在线性水平工具通道“识别修饰”信息,使得模拟或动画不会从基础上改变修饰的外观。Barbershop本身不做最终的模拟或渲染工作,而是为这些功能提供参数,但是是以一种保留修饰完整性的方式这样做的。
有了Barbershop,可以直接控制毛发中的每一根毛发。不像有些系统,有了引导毛发,然后往上增加,比如说在渲染时间,从10000最终增加到100000根毛发,Barbershop让设计师能够看到所有毛发的最终设置。为了调整一根毛发或一丛毛发,不需要重新定义程序参数,设计师只需要改变毛发,一切就都运行正常了。该系统不是建立在普通的流程图或节点链上。如果设计师想让一条腿后边的一团毛发看起来像前臂上的毛发一样,他们就能用一个克隆工具,将它们“画”上去。如果猩猩需要污垢或干泥,该项目中可以添加,分布于皮毛上。当然,这两个例子中的毛皮都不是在二维感概念上画的,更像是在Mudbox中,设计师能够直接控制3D,泥也不是直接混入的,而是移入到皮毛的毛发中,可能是完全复杂的数字“弹性杆”。这并不是说设计师们就需要担心。设计师们只需要使皮毛看起来又湿又脏。毛发的凝聚只是为设计师们完成,他们可以不通过引导毛发来调整一根毛发、一丛或一个区域的头发,而是通过直接的控制调整。
“我们试图用Barbershop做的是,”Weta Digital公司的Marco Revelant说,“让视觉发展(美容,阴影等)一方从模拟的一方分离。换句话说,我们试着将美容和模拟概念之间的联系打破。”
如果你认为刚才设计师控制的单丛湿毛发更像是一种3D的头发/Photoshop工具,在这些场景后面,Barbershop需要确保这一点毛发什么时候被传递到最终的毛发模拟,那时,复杂的算法、重力、表面张力、接触力等都会产生一丛与设计师设计的完全相同的毛发。此外,当渲染器实施全真的基于物理的灯光解决方案时,Barbershop必须要确保最终的内折射反射波和颜色属性都是一致的,使头发在最终的Manuka渲染器中和设计师将泥土添加到其中一丛中的时候一样又厚又密集。但有趣的是,Barbershop对动态学一无所知。与许多毛皮系统不同——Barbershop不保留生成给定毛发装饰所必须的操作列表。该系统对待毛发的方式更像Photoshop对待图像的方式。毛发是使用雕刻工具放在既定位置的——一旦工作完成——就不再需要了。因此,在某种意义上——头发可以被视为它自己的实体,不依赖于任何操作或表面。Barbershop对着色器和照明也一无所知。然而,它尽可能多的为着色器提供信息。魔法般的照明是由着色器完成的。
![深度解析维塔强大的毛发修饰工具Barbershop(上)](http://107cine.cdn.cinehello.com/20150304/1425445558_62949.jpg)
Barbershop的强大到可以在拉丁表达中捕捉到,“firmitas,utilitas et venustas”或者说强度、效用和美丽。该项目对毛发直接控制,而不是近似控制,它太有用了,而且已经用于《阿凡达》之后维塔数码几乎所有的电影中,尤其是《丁丁历险记》和《猩球黎明》电影中——它简单中蕴含着美丽:“你在预览中看到的就是你在渲染中得到的”。作为一名设计师想要什么非常“明显”,为了得到结果,很容易跳过必须要做的事情。
最近的电影《霍比特人》中的小矮人就是一个很好的例子——他们的头发很复杂,编成辫子,而且要求在电影中对数字替身进行数字复制。这类复杂的发型在很多毛发程序包中会极其困难,正如在《猩球崛起》电影中有潮湿、乱蓬蓬的毛发的猩猩一样。
该项目是在Revelant和Alasdair Coull的电影《金刚》和《阿凡达》之后,在维塔数码中构想的。Revelant见证了维塔数码用不同的方式实现了相同的事,而且系统会更强大,更简单。Coull是第一个对这种解决方案开始编码的,而且很快加入了Shane Cooper初始设计的建筑和工程设计。从发展的高度来说,是一个五人团队在研究它,但维塔数码很多设计师们都为设计理念和系统的测试做了贡献。
代码很稳固,核心库独立于渲染器或模拟器。这就意味着,尽管该系统是作为Maya的一个插件运行,最初设计在RenderMan中工作,但核心代码是完全独立的,相对来说,转换到新的Manuka渲染器中比较简单。
维塔数码使用了很多解决方案来做毛发的模拟,包括使用“离散弹性杆”模型,其数学遗产可归功于19世纪中期到末期。这些都基于一个事实,即头发(如细棒)是三维的,但与第三维度相比,有二维的。所得毛发模型有曲度,而且这种扭曲相对于每个预定“杆”来说都是恒定的。结果,发束的形状就是分段螺旋,且具有有限的自由度。然后利用拉格朗日力学原理对该模型进行动画制作。自然地,该模型就属于典型的非线性发型行为,其弯曲和扭曲变形模式也是如此。它也适当的处理了自然卷曲,模拟了头发卷曲的动态。
深度解析维塔强大的毛发修饰工具Barbershop(下)
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Barbershop最引人注意的方面不是渲染时图像的外观有多棒——尽管毫无疑问,他们做的确实很棒——而是维塔数码的工作团队写出来的软件,确实就是设计师们在雕塑和设计角色毛发时想要的效果,最让人不可思议的是出现在屏幕上一模一样的角色。这似乎不会引起 奥斯卡的注意,但基于这样一个显而易见的基本概念,这个项目必须做一些非常熟练的工作,以便于设计师能够直接控制Caesar身上每一根湿毛发,以及当他站起来俯视旧金山时——Caesar的每一根毛发看起来也都要一样。
![深度解析维塔强大的毛发修饰工具Barbershop(上)](http://107cine.cdn.cinehello.com/20150304/1425445545_61626.jpg)
毛发、布料、火和水的动画在计算机绘图的基础就是模拟。这类事物进行动画处理太复杂,所以我们通常创建一个系统,运行,然后看结果。以布料模拟为例,设计师将布“剪”为衬衫的形状,然后我们运行这个模拟,它就会下落、沉降并折叠为这个数字角色的轮廓。燃烧的大楼进行了分裂模拟,模拟数据就会缓存,就像水或其他模拟一样,然后被渲染。对于毛发的模拟,应该使用同样的逻辑,毛发的长度、样式和颜色都应被定义,然后运行模拟,看效果如何。全是建模非常好的飘逸毛发,但如果第二个角色翻转再运行毛发模拟,就意味着重力摧毁了毛发,失去了躯体,就会弹跳起来,这个镜头就毁了。是什么使Barbershop变得如此强大?暂且不说其他的,你能确切的对毛发的外观进行建模——使用像梳子这类熟悉的工具,或者将毛发剪到特定长度,然后使用类似从检测工具,在线性水平工具通道“识别修饰”信息,使得模拟或动画不会从基础上改变修饰的外观。Barbershop本身不做最终的模拟或渲染工作,而是为这些功能提供参数,但是是以一种保留修饰完整性的方式这样做的。
有了Barbershop,可以直接控制毛发中的每一根毛发。不像有些系统,有了引导毛发,然后往上增加,比如说在渲染时间,从10000最终增加到100000根毛发,Barbershop让设计师能够看到所有毛发的最终设置。为了调整一根毛发或一丛毛发,不需要重新定义程序参数,设计师只需要改变毛发,一切就都运行正常了。该系统不是建立在普通的流程图或节点链上。如果设计师想让一条腿后边的一团毛发看起来像前臂上的毛发一样,他们就能用一个克隆工具,将它们“画”上去。如果猩猩需要污垢或干泥,该项目中可以添加,分布于皮毛上。当然,这两个例子中的毛皮都不是在二维感概念上画的,更像是在Mudbox中,设计师能够直接控制3D,泥也不是直接混入的,而是移入到皮毛的毛发中,可能是完全复杂的数字“弹性杆”。这并不是说设计师们就需要担心。设计师们只需要使皮毛看起来又湿又脏。毛发的凝聚只是为设计师们完成,他们可以不通过引导毛发来调整一根毛发、一丛或一个区域的头发,而是通过直接的控制调整。
“我们试图用Barbershop做的是,”Weta Digital公司的Marco Revelant说,“让视觉发展(美容,阴影等)一方从模拟的一方分离。换句话说,我们试着将美容和模拟概念之间的联系打破。”
如果你认为刚才设计师控制的单丛湿毛发更像是一种3D的头发/Photoshop工具,在这些场景后面,Barbershop需要确保这一点毛发什么时候被传递到最终的毛发模拟,那时,复杂的算法、重力、表面张力、接触力等都会产生一丛与设计师设计的完全相同的毛发。此外,当渲染器实施全真的基于物理的灯光解决方案时,Barbershop必须要确保最终的内折射反射波和颜色属性都是一致的,使头发在最终的Manuka渲染器中和设计师将泥土添加到其中一丛中的时候一样又厚又密集。但有趣的是,Barbershop对动态学一无所知。与许多毛皮系统不同——Barbershop不保留生成给定毛发装饰所必须的操作列表。该系统对待毛发的方式更像Photoshop对待图像的方式。毛发是使用雕刻工具放在既定位置的——一旦工作完成——就不再需要了。因此,在某种意义上——头发可以被视为它自己的实体,不依赖于任何操作或表面。Barbershop对着色器和照明也一无所知。然而,它尽可能多的为着色器提供信息。魔法般的照明是由着色器完成的。
![深度解析维塔强大的毛发修饰工具Barbershop(上)](http://107cine.cdn.cinehello.com/20150304/1425445558_62949.jpg)
Barbershop的强大到可以在拉丁表达中捕捉到,“firmitas,utilitas et venustas”或者说强度、效用和美丽。该项目对毛发直接控制,而不是近似控制,它太有用了,而且已经用于《阿凡达》之后维塔数码几乎所有的电影中,尤其是《丁丁历险记》和《猩球黎明》电影中——它简单中蕴含着美丽:“你在预览中看到的就是你在渲染中得到的”。作为一名设计师想要什么非常“明显”,为了得到结果,很容易跳过必须要做的事情。
最近的电影《霍比特人》中的小矮人就是一个很好的例子——他们的头发很复杂,编成辫子,而且要求在电影中对数字替身进行数字复制。这类复杂的发型在很多毛发程序包中会极其困难,正如在《猩球崛起》电影中有潮湿、乱蓬蓬的毛发的猩猩一样。
该项目是在Revelant和Alasdair Coull的电影《金刚》和《阿凡达》之后,在维塔数码中构想的。Revelant见证了维塔数码用不同的方式实现了相同的事,而且系统会更强大,更简单。Coull是第一个对这种解决方案开始编码的,而且很快加入了Shane Cooper初始设计的建筑和工程设计。从发展的高度来说,是一个五人团队在研究它,但维塔数码很多设计师们都为设计理念和系统的测试做了贡献。
代码很稳固,核心库独立于渲染器或模拟器。这就意味着,尽管该系统是作为Maya的一个插件运行,最初设计在RenderMan中工作,但核心代码是完全独立的,相对来说,转换到新的Manuka渲染器中比较简单。
维塔数码使用了很多解决方案来做毛发的模拟,包括使用“离散弹性杆”模型,其数学遗产可归功于19世纪中期到末期。这些都基于一个事实,即头发(如细棒)是三维的,但与第三维度相比,有二维的。所得毛发模型有曲度,而且这种扭曲相对于每个预定“杆”来说都是恒定的。结果,发束的形状就是分段螺旋,且具有有限的自由度。然后利用拉格朗日力学原理对该模型进行动画制作。自然地,该模型就属于典型的非线性发型行为,其弯曲和扭曲变形模式也是如此。它也适当的处理了自然卷曲,模拟了头发卷曲的动态。
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