《疯狂动物城》毛发技术深度解析

迪士尼工作室显然又一次惊艳了所有人，电影《疯狂动物城》再次展现出迪士尼动画非凡的进步与成就。前两年，《超级陆战队》是个巨大的成功，而《冰雪奇缘》则占据着最卖座的动画电影的席位。迪士尼动画用创造性的方式讲述了一个非常引人入胜的故事，同时他们也在艺术和技术也投入巨资--渲染器Hyperion便是强有力的证据。采取艺术和动画技术两者的优点，《疯狂动物城》，由Byron Howard和Rich Moore导演，片中有许多毛发和毛皮还有植被的主要解决方法，这些也推动了动画影片对哺乳动物处理的新高度。

精准到毛囊的水平

当然，这不是说迪士尼动画以前没有解决头发或皮毛的复杂性。当然有《长发公主》的主角，然后还有《无敌破坏王》和《冰雪奇缘》。 迪士尼实例化工具XGen（现已授权给Autodesk）广泛用于头发和皮毛。


动物城中的兔子和狐狸

但该工作室还没有任何一部作品涵盖这么多的动物，而且是不同类型的毛发--通常几个物种都在同一个框架--像《疯狂动物城》。电影讲述64种不同的物种，相当于约80个不同的人物模型。其中主角Hopps（兔子）与 Wilde（狐狸）每个都要求250万的毛发，长颈鹿角色有900万的毛发，甚至沙鼠也要48万。

然而，毛发数目相对无意义，除非有一个高效率的手段来梳理和控制。这就是迪士尼动画这次谋求做到的。但首先，他们不得不着手处理疯狂动物城中所需要的各种看上去脏兮兮的毛发和皮毛。为了做到这一点，制片方开展了一系列动物实地考察皮毛真正的样子。


毛发参考

“我们走访了很多动物公园和野生动物园”，视觉效果总监Kersavage告诉我们。“这样与动物拉近了许多，并与他们接触。我们去了自然历史博物馆，在那里你可以直接观察皮毛，甚至在显微镜下去了解皮毛是怎么组成的，和我们过去简单认知的有什么不同。” 这项研究的结果是皮毛外观分析，以及在毛囊水平如何表现。“你突然意识到，一些毛发是非常不透明的，”Kersavage指出。“在片中有只蜜獾，它有一些白色的皮毛，非常不透明。但是，也有北极熊它们的皮毛其实更多是半透明的，几乎是透明的，你看不到任何的色彩在里面。实际上更多的是光线通过北极熊的皮毛，散射到其他皮毛进而产生的白色效果。”

在过去的电影中，迪士尼成功地采用“侥幸”的手段来生成头发和皮毛。但有了这个新的毛囊级复制毛发的想法，就不会让他们的动物看起来像“毛绒玩具”，需要一种新的毛发方法。“为每一个物种重建真实毛囊，对我们来说这本来就具挑战性，”Kersavage承认说。因此，我们决定采取着色器的方法，并尝试看看是否能够通过一些着色原理，我们就可以创建一个具有正确不透明度或通过轻便方式来实现。”

头发和皮毛运动也实现了比较有限的控制。“通常情况下，”Kersavage解释说，“如果我们想实现风吹过角色皮毛的效果，我们有一些效果模式，通常采用创建噪声模式进而传递涟漪效应。我们想有更多的探索而非怎样才能更多控制，再回到毛囊层面，才能够在那一刻影响到
个体的头发。”



毛发创建和运动二者的答案基本上都是通过持续性采用迪士尼XGen工作的结果。“XGen基本上可以实现几何实例，”Kersavage陈述说。“这也是我们从材料和遮光中所得出，所以我们加入能够改变着色属性的性能。为着色器所做的工作充分利用BRDF，我们在《无敌破坏王》中也有用到。”

迪士尼还回忆了早期为梳理头发创建的工具。“这是我们在过去使用的工具，被称作iGroom，也是XGen的一部分，能够用于粒状层次。”Kersavage说。“这基本上是可以让你梳理头发，用适用于不同种类的模式，譬如说额前蓬乱的鬈发，还有不同的粗糙度和团块的动物。”


故事版

设计布局

动画

最终成像效果

再有就是Hyperion软件处理渲染。迪士尼发现路径追踪让他们足以涵盖场景中无数量限制的几何体--无论是环境还是角色。然而，毛皮和头发略有不同。“通过Hyperion的路径追踪，它要在头发内部反弹和全部分散，”Kersavage说。“这可能会非常复杂，所以团队尝试做的大的事情就是怎样优化毛发本身。”

在Hyperion，在渲染过程中，会发生散射，“然后我们会回到边际递减点，”Kersavage解释说。“我们必须解决如何平均大量的反弹到更易消化的事物上，因此效率更高。Hyperion可以做到这些所有的平均，然后我们知道在哪里切断，基于物种，一次决定头发密度。”


Yax是最复杂的毛发角色之一

复杂毛发的渲染又是另一个挑战；艺术家们看不到他们动画和毛发模拟的最终结果，直到最终渲染完成。迪士尼需要的是一种方式来获得的毛发怎么表现，以及如何影响性能--并且要很快。“在过去，”Kersavage说，“我们所做的是有一些代理基本形状。这可以做到一半，但是当你真正进入动态梳理，又毁掉了很多。” 所以迪士尼又将早期开发的工具作为资本，与Nitro GPU合力开发的硬件着色和GPU渲染。Nitro允许动画师，特别是在生成接近实时毛发动画预览进而可以得到即时反馈。 “可以说，‘给我10％的梳理或给我100％的梳理’，基于你想要得到的拍摄回放比例。”Kersavage大致说。“这可能是基于你在场景中有多少个角色--如果只有一个角色你可能一下子全部弄出来，或者如果有20个角色要处理，就需要逐一展开了。”


不同的五种毛发和毛皮的需要不同

“这真的使动画在渲染完之后是什么样子得到了很好的控制”，Kersavage补充说。“工具另一部分即毛发可以遮罩性能。如果角色微笑或皱眉时，尤其嘴角有时在皮毛下面就消失了。如果你只从固体表面看来，一切看起来很好，但只要你添加上皮毛，细微的性能就会损失。因此，通过GPU工具，我们能够提供给动画师无任何的消失，他们意识到或许他们就需要将表情推的远一点，能够通过头发本身看的表情。”

在丛林里

接下来，疯狂动物城镜头进入热带雨林，在那里Hopps和Wilde继续他们的侦探工作。森林里，有着树木和植被广阔的风景，生活区雨水稳定供应（部分来自巨头喷头）和雾交织在一起。


《疯狂动物城》里的热带雨林区

环境总是设想为密集，只是究竟要多密集？有许多方法摆在迪士尼动画艺术家们面前，持续调研，更新已创建的工具。其中特别是Bonsai--植被生成工具。该小组还在《长发公主》中使用了这一树木生产的程序。但真正改变了迪士尼对热带雨林密集处理的做法的是充分利用Hyperion的优势。

“在早期，”Kersavage说到，“我想推动Hyperion，看看我们在植被方面能做到什么程度。通过它我们可以实现多少几何体？我们做这个测试，并保持使其越来越大，接下来的事情是，我们可以做到7百万多株！这让我觉得复杂度不一定是渲染要解决的问题。复杂性确实从艺术的角度来说在能够将所有的与生产设计相一致。我们开始通过建立各个部分用树枝和设计，并将我们要的东西做大。他们会问，‘我们可以添加100多棵树吗？’，我们做到了！”


热带雨林的植被开发工具也用于《疯狂动物城》的其他部分

Kersavage也致力于树木，树叶，树枝，藤蔓，草还有所有植被，如皮毛，总是在移动。我们有一些程序性的工具，允许艺术家建立一个慢速，中速，快速，超快速的树木版本，我们从基础版本中选取，并使其在镜头中变得鲜活起来，你可以设置参数，并说，哦，我想这棵树移动得更快。这真是帮了大忙。然后我们利用的不只是在热带雨林，还有电影中的其他地方。你会看到很多的植被，无论是建筑物侧面的常春藤，或者说，移动的草--我们也使用了这一技术。

对于热带雨林的雨，迪士尼依靠容量（volumes）的想法。“我们意识到，使得任何环境中的东西看起来像特定于该区域的是空气中水蒸汽或湿气的量，”Kersavage说。“这是关于光穿过该水蒸气的方式。所以我们产生大量的容量。还有一个地方的总体积，我们可以放入一个镜头，然后具体到各个部分，一直到从树木散发的蒸汽。”

不仅如此，雨林场景单个雨滴下落的镜头各异--在不同层次的前景，中景和背景--这也帮助影片的立体呈现。“水滴实际上要打到角色身上，”Kersavage补充说，“为此，我们有水的程序池，你要去真实观察当它们流出到吊篮平台上--适用于整个热带雨林。再有就是凝聚和滴流，水滴挂在树叶时骤然停止。”

迪士尼动画毛皮/头发和植被处理，真的只是两个在《疯狂动物城》用到的科技创新的例子。可以说工作室在开拓创造，艺术和技术方法来讲述精彩故事方面前进了一大步，Kersavage也承认这一点。“每一部电影，我们都试图做得更好，更高效，更好实现艺术。随着这些事情的完成，我们更有信心，说一切皆有可能’。我们能够做到导演想要的视觉，并且知道我们可以做一些很酷且奇妙的东西。”