相芯科技觀察 ：一文讀懂《阿麗塔》背后的CG技術(shù)

什么是CG技術(shù)?

以前，人們或許會(huì)說是“Avatar”;如今，人們也許會(huì)改口說是“Alita”了。

但不論是Avatar還是Alita，都只是CG技術(shù)的一種呈現(xiàn)。關(guān)于CG(Computer Graphics)，如果簡(jiǎn)單來理解地話，其實(shí)就是通過計(jì)算機(jī)把虛擬世界在屏幕中展現(xiàn)出來的過程。

至于如果建造虛擬世界，我們就要先來看一個(gè)方程式：

看得懂的人，請(qǐng)給自己點(diǎn)個(gè)贊;看不懂的人，也沒關(guān)系。因?yàn)橹灰獡Q張圖，你們也都懂了。

這個(gè)與初中物理“光的折射”看著很神似的圖，就包含了CG技術(shù)的萬千世界。

從現(xiàn)實(shí)到虛擬

建設(shè)一個(gè)虛擬世界，需要一個(gè)參照系，也就是真實(shí)世界。比如，現(xiàn)實(shí)中的皮球是圓形的，那虛擬世界中的皮球也應(yīng)該是圓形的，而不是方形的。

但形狀只是其中之一，現(xiàn)實(shí)中，物體的呈現(xiàn)還與環(huán)境光息息相關(guān)。不同的光打到同一物體上，人眼看到的物體形狀可能就是不一樣的。

將虛擬世界中的人、物體等，在計(jì)算機(jī)中建造出來的過程，就是CG技術(shù)的第一個(gè)重點(diǎn)——建模。

建模，說起來也簡(jiǎn)單，跟米開朗基羅雕大衛(wèi)像差不多。不同的是，整個(gè)過程被放在了計(jì)算機(jī)中進(jìn)行，而雕琢具體模型時(shí)，人需要通過計(jì)算機(jī)去一點(diǎn)一點(diǎn)地調(diào)。

要想讓虛擬物體更接近真實(shí)物體，就需要有更多的原始素材。一開始，建模師是用一組相機(jī)全方位地拍物體，盡可能地了解光照下物體的各種細(xì)節(jié)，包括紋理、凹凸、幾何形狀等。

物體尚且如此，更不用說人了。以阿麗塔為例，僅臉部就包含肌膚紋理、肌膚表層、汗毛、油脂、頭發(fā)等數(shù)不清的細(xì)節(jié)。這些單靠相機(jī)拍照去收集數(shù)據(jù)，可謂難上加難。一方面，因?yàn)橄鄼C(jī)本身的性能(分辨率、清晰度等)還有待提升，另一方面，相機(jī)只能收集二維數(shù)據(jù)，而重建人，需要更多三維數(shù)據(jù)。

于是乎，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，早期的電影CG特效中，“人”一看就是假的。

　　(電影史上第一個(gè)電腦生成的角色“彩色玻璃人”)

既然問題很明確，那就要解決唄。于是，三維掃描技術(shù)誕生了。依托三維掃描，人的各類信息可以被更好地獲取，建模的第一道坎算是跨過去了。

不過，這時(shí)候建好的模型還是白模——完全不帶紋理、汗毛、油脂等細(xì)節(jié)一個(gè)模型。有人是不是要說，這辛苦了半天，啥進(jìn)展也沒有啊?

別急，接下來就是CG技術(shù)的第二個(gè)重點(diǎn)——渲染，露臉了。渲染，就是求解上述方程式的過程。這與現(xiàn)實(shí)中的畫畫差不多，就是把人臉的各種細(xì)節(jié)給畫上去。不同的是，畫畫是可以寫意的，但渲染是要寫實(shí)的。

細(xì)到一個(gè)毛孔不像，模型也只是模型，跟“真人”半毛錢關(guān)系也沒有。這也是為什么阿麗塔會(huì)如此受大眾歡迎，因?yàn)樗黄屏?ldquo;恐怖谷效應(yīng)”，成為了影史上第一個(gè)CGI 與真人結(jié)合的類人角色。

但渲染的水，其實(shí)很深。光線不同，人呈現(xiàn)出來的信息就不同;拍攝的角度不同，人呈現(xiàn)出來的信息也會(huì)不同;人在劇烈運(yùn)動(dòng)中，所呈現(xiàn)出來的信息和靜止時(shí)也會(huì)不同……而要把這些不同全部綜合起來，就需要靠算法。

目前來看，算法越先進(jìn)，模型與真人也越像。不過，前提是收集到的信息足夠多且是準(zhǔn)確的，如果信息不準(zhǔn)確，那結(jié)果可能就是相反的。

從虛擬到現(xiàn)實(shí)

真人模型建好了，也渲染好了，接下來就是CG技術(shù)第三個(gè)重點(diǎn)——動(dòng)畫，登場(chǎng)了。

說來也神奇，相比建模與渲染，動(dòng)畫反而是最早被大眾所熟悉的。這，大概就要?dú)w功于我們從小耳濡目染的動(dòng)畫片了。不過，當(dāng)時(shí)的動(dòng)畫其實(shí)是二維的，由原畫師一幀一幀地畫出來并組合到一起而成的。

雖然現(xiàn)在也有了三維動(dòng)畫，但與真人動(dòng)畫仍是不可比擬的。其中，一個(gè)最大的不同點(diǎn)就來源于動(dòng)作捕捉設(shè)備。真人動(dòng)畫，是由真人穿上動(dòng)作捕捉設(shè)備進(jìn)行表演，并由設(shè)備設(shè)置不同的特征點(diǎn)，實(shí)時(shí)記錄人動(dòng)作的相關(guān)數(shù)據(jù)。

同時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)還會(huì)有一組攝像機(jī)拍攝下真人表演的不同角度，記錄各種細(xì)節(jié)。最后將所有信息都上傳至計(jì)算機(jī)，借助編程或動(dòng)畫制作軟件來生成一系列人物動(dòng)畫。

上面也談到，模型與真人越像的前提是收集到的信息越多、越準(zhǔn)確。這也意味著，動(dòng)捕設(shè)備必須完全貼合人的形體，并精準(zhǔn)地捕捉到人的所有動(dòng)作細(xì)節(jié)。被CG技術(shù)掩蓋了很久的硬件設(shè)備，終于C位出道了。

動(dòng)捕設(shè)備的出現(xiàn)，極大充實(shí)了CG人物動(dòng)作庫(kù)，為電影拍攝需要大量人物出現(xiàn)的宏大場(chǎng)景，節(jié)省了巨大成本。且隨著這一設(shè)備不斷普及和升級(jí)，相應(yīng)的數(shù)據(jù)量也呈幾何倍增長(zhǎng)，為建模、渲染的進(jìn)一步優(yōu)化打下了更為扎實(shí)的基礎(chǔ)。

但這些在人臉面前，則顯得稍微有點(diǎn)小兒科。人臉的微表情實(shí)在太多，比如皺眉一個(gè)動(dòng)作，就牽扯到眉毛、眼睛、鼻子、嘴巴、面部，乃至毛孔、肌膚紋理等等。這次，《阿麗塔》對(duì)人臉面部細(xì)節(jié)的精準(zhǔn)捕捉、重建和展現(xiàn)，就極大刷新了人們對(duì)CG技術(shù)極限的認(rèn)知。

當(dāng)然，這也要?dú)w根于表演捕捉設(shè)備的不斷升級(jí)，達(dá)到了人眼識(shí)別的界限，讓3D模型真的像真人了。不過，這個(gè)像是有限度的，它除了受表演捕捉設(shè)備本身的影響外，還受到拍攝設(shè)備、演員表現(xiàn)等影響，更重要的是，還受到算法的影響。

算法的好壞，直接影響到計(jì)算力的好壞，影響到呈現(xiàn)出來畫面的精準(zhǔn)度，也影響著動(dòng)畫環(huán)節(jié)的連貫性。從這個(gè)層面來說，算法決定了一個(gè)虛擬人物的成敗，更進(jìn)一步說，可能也決定了一部電影的成敗。

從現(xiàn)實(shí)到鏡像

算法與設(shè)備，是一母同胞。

早期，算法的落地大多是依托于CPU實(shí)現(xiàn)的。一臺(tái)電腦，大多也只有一個(gè)CPU。不過，隨著CG技術(shù)不斷被應(yīng)用落地，采集的數(shù)據(jù)量也越來越大，要呈現(xiàn)出好的動(dòng)畫效果，單靠CPU已顯得有點(diǎn)捉襟見肘了。

比如在《阿麗塔》中，要呈現(xiàn)一幀動(dòng)畫，平均就需要花費(fèi)100個(gè)小時(shí)來渲染。而整部電影下來，總計(jì)需要花費(fèi)4.32億小時(shí)來進(jìn)行渲染。這需要?jiǎng)佑玫阶钌?萬臺(tái)電腦?？梢哉f，每一幀動(dòng)畫都在瘋狂地?zé)X，即便是在工業(yè)級(jí)操作已經(jīng)很溜的好萊塢，也是很難承受的。

但卡梅隆已經(jīng)將人們的審美拉到了這個(gè)高度，想要再下來，怕也是很難了。于是乎，GPU就隆重登場(chǎng)了。這個(gè)專門負(fù)責(zé)圖形處理的顯卡，曾因?qū)崟r(shí)相應(yīng)慢、穩(wěn)定性不夠等原因，不被重視了很長(zhǎng)一段時(shí)間。不過，隨著虛擬世界與現(xiàn)實(shí)世界日益交融，GPU因運(yùn)算速度快、計(jì)算能力強(qiáng)等特點(diǎn)，一躍成為了虛擬世界的“主角”。

2017年，中國(guó)造出了世界首臺(tái)超越早期經(jīng)典計(jì)算機(jī)的單光子量子計(jì)算機(jī)。2018年，英偉達(dá)發(fā)布了全球首款支持8K屏、實(shí)時(shí)光線追蹤的GPU。同年，一款擁有16顆Volta GPU、可提供高達(dá)2PFLOPS的深度學(xué)習(xí)計(jì)算能力的超級(jí)計(jì)算機(jī)也正式問世。

這些于電影界乃至普通大眾而言，無疑都是重大利好。量子計(jì)算機(jī)極大代表運(yùn)算能力的提升，可減少渲染環(huán)節(jié)的計(jì)算機(jī)數(shù)量;8K屏代表信息收集將更加精準(zhǔn)，數(shù)據(jù)的獲取將更高效;實(shí)時(shí)光線追蹤代表渲染可以耗時(shí)更短，超級(jí)計(jì)算機(jī)代表制作團(tuán)隊(duì)可大量縮減。當(dāng)技術(shù)的壁壘被一層一層攻克，CG技術(shù)也迎來了第四個(gè)重點(diǎn)——人機(jī)交互。

“阿麗塔”，正在走下影壇，走向普羅大眾。近年來，從首個(gè)AI虛擬主播絆愛到首個(gè)AI合成主播“邱浩”，再到今年央視春晚的虛擬主持人團(tuán)隊(duì)、今年春節(jié)期間首次亮相的拜年“豬豬”，CG技術(shù)開始漸漸褪去“工業(yè)級(jí)”的面紗，顯露出“民用級(jí)”的真身。

目前，在工業(yè)級(jí)CG制作團(tuán)隊(duì)之外，市場(chǎng)上已有了多家主打民用級(jí)CG技術(shù)的團(tuán)隊(duì)。比如旨在為用戶打造PAI(個(gè)性化人工智能，即Personal AI)的人工智能初創(chuàng)公司ObEN，比如旨在讓每個(gè)人都擁有實(shí)時(shí)互動(dòng)、智能、個(gè)性化的3D技術(shù)內(nèi)容提供商FaceUnity(杭州相芯科技有限公司)……它們的出現(xiàn)，讓CG技術(shù)從大屏走向了小屏，為人機(jī)互動(dòng)創(chuàng)造出更多的應(yīng)用場(chǎng)景。

《失控》作者凱文·凱利曾說，在網(wǎng)絡(luò)、社交媒體之后，我們正處于第三個(gè)平臺(tái)——鏡像世界的黎明，這個(gè)平臺(tái)將使世界其他的地方數(shù)字化。而在鏡像世界里，每樣?xùn)|西都會(huì)有一個(gè)“孿生兄弟”，也就是“數(shù)字雙胞胎”。

盡管這個(gè)世界短期之內(nèi)或許不會(huì)馬上來到，但虛擬世界與現(xiàn)實(shí)世界的交融腳步卻不會(huì)停止，人們建造虛擬世界的熱情也不會(huì)停止。

阿麗塔之外，更多的阿麗塔正在大步走來。

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