摘 要：作為一種區(qū)別于其他動(dòng)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(dòng)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(diǎn)之一，也是虛擬生物類角色表現(xiàn)的重點(diǎn)，屬于特定對(duì)象模擬仿真技術(shù)的研究范疇。

關(guān)鍵詞：三維動(dòng)畫;毛發(fā)表現(xiàn);動(dòng)力學(xué)結(jié)算

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

從藝術(shù)表現(xiàn)的視角來(lái)看，毛發(fā)技術(shù)自誕生起就將傳統(tǒng)二維動(dòng)畫原理中關(guān)于運(yùn)動(dòng)規(guī)律的部分推演到了畫面的縱深部分。在傳統(tǒng)二維動(dòng)畫中，合理化的運(yùn)動(dòng)規(guī)律、力學(xué)原理讓角色夸張的造型及動(dòng)作得以被觀眾承認(rèn)和接受;而在三維動(dòng)畫中，細(xì)膩的毛發(fā)質(zhì)感、力學(xué)運(yùn)算會(huì)將觀眾對(duì)這種高假定藝術(shù)的認(rèn)同由視覺(jué)感官推向心理層面。

然而在三維動(dòng)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(diǎn)之一，也是虛擬生物類角色表現(xiàn)的重點(diǎn)，屬于特定對(duì)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(yùn)動(dòng)過(guò)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(shí)毛發(fā)所生長(zhǎng)或附著的形體運(yùn)動(dòng)變形也為毛發(fā)的運(yùn)動(dòng)結(jié)算效果帶來(lái)了更多難以預(yù)判的復(fù)雜變化。

1 三維動(dòng)畫毛發(fā)制作的常見(jiàn)方式

常見(jiàn)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(jiàn)于早期三維動(dòng)畫作品，當(dāng)時(shí)三維技術(shù)尚不足以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜精確的運(yùn)動(dòng)及渲染效果，卡通概括的造型手法能夠較為輕易地實(shí)現(xiàn)毛發(fā)整體形態(tài)的塑造與呈現(xiàn)，但基本無(wú)法表現(xiàn)毛發(fā)的真實(shí)質(zhì)感與運(yùn)動(dòng)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(fù)雜的毛發(fā)效果進(jìn)行結(jié)構(gòu)分拆，由片狀結(jié)構(gòu)疊加形成較為精細(xì)的毛發(fā)分組，再使用透明貼圖進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)單片模型上的毛發(fā)邊緣及縫隙疊加，以獲得更為細(xì)致與逼真的視覺(jué)表現(xiàn)。這種手法至今仍大量運(yùn)用于三維游戲角色和三維動(dòng)畫創(chuàng)作中，其優(yōu)勢(shì)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(huì)暴露破綻，難以實(shí)現(xiàn)較長(zhǎng)的頭發(fā)效果，運(yùn)動(dòng)形態(tài)由二級(jí)骨骼通過(guò)綁定實(shí)現(xiàn)模型層級(jí)的形變，視覺(jué)效果較為單調(diào)且控制較為復(fù)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(lái)自真實(shí)事物的再現(xiàn)，形態(tài)、運(yùn)動(dòng)、層次均能達(dá)到較好的呈現(xiàn)，但系統(tǒng)資源消耗巨大，技術(shù)實(shí)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(dòng)畫電影《玩具總動(dòng)員》上映時(shí)，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(dòng)畫短片《棋逢敵手》成為該動(dòng)畫制作機(jī)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(diǎn)，對(duì)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(jué)效果。2000年，迪士尼出品的《恐龍》上映，嘗試了實(shí)拍與三維動(dòng)畫的結(jié)合，對(duì)于視覺(jué)效果提出了較高的要求。該片中，角色的綁定技術(shù)實(shí)現(xiàn)了較大突破，同時(shí)也嘗試了更為逼真的毛發(fā)制作方式，在片中，小動(dòng)物角色的毛發(fā)制作量依然過(guò)萬(wàn)。

2001年，三維毛發(fā)制作標(biāo)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(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新，毛發(fā)的自然擺動(dòng)與角色的運(yùn)動(dòng)具有良好的聯(lián)動(dòng)性，僅單一角色的個(gè)體毛發(fā)就達(dá)到了百萬(wàn)級(jí)數(shù)量，從運(yùn)動(dòng)形態(tài)和渲染效果等方面對(duì)于制作團(tuán)隊(duì)提出了嚴(yán)苛的要求，必須對(duì)原有三維動(dòng)畫毛發(fā)的制作流程與技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新與突破。為此，皮克斯開(kāi)發(fā)了全新的Fizt仿真系統(tǒng)，在角色基礎(chǔ)動(dòng)作完成后專門用于毛發(fā)的效果結(jié)算。分階段處理動(dòng)力學(xué)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(biāo)。同一時(shí)期，作為三維動(dòng)畫史上第一個(gè)超級(jí)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(gè)劃時(shí)代標(biāo)記，6萬(wàn)根角色頭發(fā)進(jìn)行單獨(dú)的控制與渲染，每一幀畫面的渲染時(shí)間在由960臺(tái)渲染工作站構(gòu)成的渲染陣列中平均需要花費(fèi)90分鐘。同年5月，斬獲奧斯卡最佳動(dòng)畫長(zhǎng)片獎(jiǎng)的《怪物史萊克》上映，片中技術(shù)重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了毛發(fā)與環(huán)境的交互反應(yīng)、毛發(fā)著色器的流控制等技術(shù)難點(diǎn)。

2004年，迪士尼電影公司發(fā)行了《超人總動(dòng)員》。如何在三維動(dòng)畫中體現(xiàn)迪士尼傳統(tǒng)動(dòng)畫藝術(shù)的特點(diǎn)這一問(wèn)題，促使開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)在毛發(fā)與其他交互動(dòng)力學(xué)結(jié)算方面開(kāi)發(fā)了新的模擬技術(shù)，取得了較大的進(jìn)步，實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)發(fā)效果制作的初步嘗試。2007，皮克斯動(dòng)畫的第8部三維動(dòng)畫電影《美食總動(dòng)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(shí)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(dòng)畫工作室制作了三維電影《魔發(fā)奇緣》，以史無(wú)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(jìn)行了有益的探索與嘗試，一定程度上改變了計(jì)算機(jī)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(jìn)版本以解決長(zhǎng)發(fā)的動(dòng)畫可控性問(wèn)題;通過(guò)增強(qiáng)的幾何算法實(shí)現(xiàn)水流體與毛發(fā)效果的動(dòng)力學(xué)計(jì)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(shí)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(shí)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(guò)了40萬(wàn)根。2016年，迪士尼出品的《瘋狂動(dòng)物城》贏得了無(wú)數(shù)的榮譽(yù)，包括奧斯卡獎(jiǎng)、金球獎(jiǎng)、安妮最佳動(dòng)畫長(zhǎng)片獎(jiǎng)等重要獎(jiǎng)項(xiàng)。影片中的主角尼克狐和朱迪兔各自擁有約250萬(wàn)根毛發(fā)。為了精確地實(shí)現(xiàn)毛發(fā)效果的造型和編輯，軟件工程師團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了專用軟件“iGroom”、渲染團(tuán)隊(duì)在Hyperion渲染器的光線追蹤功能基礎(chǔ)上進(jìn)行了“毛發(fā)模式”的二次開(kāi)發(fā)、“Nitro”即時(shí)顯示程序可進(jìn)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(dá)64種動(dòng)物的濃密毛發(fā)外觀得以出色的實(shí)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(zhǔn)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(wàn)根頭發(fā)、2000根睫毛、近500根眉毛，甚至使用毛孔生長(zhǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了面部裸露皮膚部分的50萬(wàn)根細(xì)小絨毛的單獨(dú)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(jì)算機(jī)圖形學(xué)、數(shù)學(xué)、物理學(xué)基礎(chǔ)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(xué)科背景，是從體塊化的造型處理到照相寫實(shí)主義的現(xiàn)實(shí)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(guò)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(shì)縱深發(fā)展，“擬像”與“真實(shí)”的混合正在逐漸成為當(dāng)下及未來(lái)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(shí)價(jià)值和意義的客觀存在。在賽博世界與現(xiàn)實(shí)世界雙棲的大語(yǔ)境下，虛擬角色既是每個(gè)現(xiàn)實(shí)個(gè)體在數(shù)字世界行走與表達(dá)的化身，也是現(xiàn)實(shí)人群用于再造自我的重要媒介，更是現(xiàn)實(shí)人群用于強(qiáng)化自我認(rèn)同的真實(shí)載體。因此，圖像信息受眾對(duì)于CG“質(zhì)感”無(wú)限的需求成為三維技術(shù)開(kāi)發(fā)者、CG藝術(shù)創(chuàng)作者不斷探索新技術(shù)的動(dòng)力：從4K畫面到8K畫面、從移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的4G到5G……后工業(yè)時(shí)代的人們的閱讀方式已經(jīng)由想象真實(shí)、模擬真實(shí)發(fā)展為生產(chǎn)真實(shí)、重構(gòu)真實(shí)。

伴隨著數(shù)字引擎技術(shù)的飛速發(fā)展，實(shí)時(shí)的毛發(fā)動(dòng)力學(xué)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(huì)上，AMD游戲圖形專家發(fā)表了《UE4中新一代真實(shí)感毛發(fā)渲染》的主題技術(shù)演講，GPU加速下的細(xì)粒度毛發(fā)渲染方案包括物理加速與高質(zhì)量即時(shí)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(yàn)，并呈現(xiàn)出高質(zhì)量的圖像結(jié)果。在實(shí)時(shí)渲染逐漸強(qiáng)盛，部分替代離線渲染流程的今天，由皮克斯動(dòng)畫所創(chuàng)立的獨(dú)立結(jié)算制作流程也將迎來(lái)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(duì)于視覺(jué)世界的好奇心，也必將推動(dòng)視覺(jué)藝術(shù)的發(fā)展重構(gòu)。

參考文獻(xiàn)：

[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(qiáng).三維動(dòng)畫藝術(shù)創(chuàng)作維度研究[D].西安美術(shù)學(xué)院，2019：43.

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