3d科幻視覺衝擊（重溫史詩級經典科幻巨作）

2023-06-14 19:06:46 3

4 月 3 日，藍光加長全網最完整版《指環王》三部曲在 Bilibili 上線。時隔 18 年，這部帶有龐大世界觀與史詩格調的經典科幻電影再次重回大家視野。但即使現在回看，這部巨作的拍攝手法與特效質量仍未過時，仍能充分讓觀眾感受到各場大戰場面的壯闊感，感嘆背後特效公司水平之高超，再次重溫後也無比激動。這也激起了我們對於 AI 時代下數字特效技術將為我們帶來更多新驚喜的憧憬。

作者 | 申一帆、樊曉芳隨著全球影視產業逐步走向工業化、規模化和產業化，我們陸續看到《阿麗塔：戰鬥天使》、《盜夢空間》、《流浪地球》、《阿凡達》、《復仇者聯盟》等科幻電影因震撼的視聽感受、新穎的電影題材獲得票房、口碑雙收。現今特效技術已被廣泛應用於各類電影動畫中，工業光魔、Weta 等世界頂級視覺特效公司及大型影視製作團隊，都已嘗試使用計算機圖形圖像技術（CGI）輔助製作一些高呈現難度的數字特效。CGI 讓影視特效創作得到技術保障，讓有視野與高度的藝術創作可以盡情發揮，也讓各類本身具有新穎主題和宏大世界觀的影視作品或遊戲的美學屬性得到更大程度的表達與傳遞。

「指環王 2：雙塔奇兵」最後聖盔谷之戰甘道夫率洛汗援軍衝下大斜坡與獸人士兵正面交鋒場面數字特效的發展史可以看作是電影製作的技術發展史，在電影剛剛出現的那幾年，任何的視覺效果都是局限在相機內完成的工作，例如替換鏡頭，或簡單的幀分割技術。1896 年，法國著名魔術師及電影製片人、數字特效鼻祖、科幻電影先驅喬治·梅裡埃偶然發明了一種電影特效技術——停機再拍，仿佛可以通過控制攝像機來操控並改造畫面中的「現實」。隨後其創造的兩部畫面光怪陸離、劇情近乎夢幻的電影——「月球旅行記」與「奇幻旅程」，也作為科幻電影的坐標原點，開啟了人類對超現實主題電影與特效製作的無盡想像。

「月球旅行記」電影宣傳封面圖進入 50 年代後，隨著計算機技術的發展，特效的製作也開始藉助計算機圖形學的知識，用電腦來生成圖像（CGI），這種技術到 70 年代後逐漸成熟，出現了像《星球大戰》這樣的經典特效電影。1985 年，迪士尼公司創造了第一個使用電腦繪製的動畫角色——年輕的夏洛克·霍姆斯的彩色玻璃人。20 年之後，《指環王》和《阿凡達》的成功掀起了一場技術革命，數字虛擬角色的製作在電影當中開始靠動作捕捉技術來製作。隨著計算機技術的不斷發展，特效的製作開始走向數位化，從傳統的機內特效，特效化妝，光學洗印等物理特效手段發展至到現在的數字合成、數字繪景、流體動力學等電腦生成圖像。同時，隨著數據分析、計算機視覺、機器學習和深度學習等數據智能技術的不斷應用，提升了數字特效的自動化處理和分析的水平，賦予了數字特效更多的智能化屬性，進一步減輕了特效工作人員繁瑣的工作，降低了人力成本和時間成本。

《阿凡達》實地拍攝場面與虛擬攝像機實時預覽畫面對比機器之心希望通過本報告《世界頂級電影特效公司都在讓 AI「接管」特效製作——數字特效中人工智慧技術的應用現狀及趨勢展望》，介紹現有機器學習算法在數字特效中的應用現狀、未來技術發展及落地應用趨勢，幫助做機器學習、影視製作等相關的特效製作人員、特效團隊、視效總監、電影導演，尋找機器學習技術應用的可行性，以及為新型影視的製作策略和特效技術開發提供參考。

報告目錄

部分應用案例

4.1《復仇者聯盟 3》使用新的機器學習算法來推進人物角色面部表情捕捉過程

滅霸在《復仇者聯盟》中承擔重要的角色，特效團隊對他的定位是一個龐大而憤怒的角色，但是又同時充滿感情。所以，特效團隊更希望花心思捕捉到演員表情的微妙方面，特別是他的表情變化。負責製作滅霸的特效公司 Digital Domain 使用了一種名為假面舞會（Masquerade）的定製機器學習軟體，使動作捕捉性能看起來更自然。

首先，他們使用動作捕捉技術在演員 Brolin 的臉上放置 100 到 150 個跟蹤點，用兩個垂直方向的高清攝像頭捕獲這些跟蹤點數據。和傳統的動作捕捉不同，這是一個相當低質量的渲染，採用低解析度網絡可以讓機器學習算法判斷哪種高解析度的形狀將會是針對該鏡頭的最佳解決方案。得到電腦生成的方案後，製作人員會對效果不好的鏡頭在建模中進行調整。如果需要滅霸的眉毛或者嘴唇更高，他們會將這些調整的數據反饋給基於機器學習的人工智慧系統，系統會根據這些數據進行學習，逐步製作出符合特效團隊設想的滅霸。

接下來是一個稱為「直接驅動」的過程。它採用高解析度面罩，置於滅霸的角色模型上。然後會經歷一個和上文類似的過程，用於滅霸的表情製作。如果他的表情沒有表現的「更加驚訝」或者「感到難過」，就會針對性的做一些調整，慢慢「教會」基於機器學習算法的人工智慧系統自動調節滅霸的表情。通過不斷的調整和反饋，在下一次將相同的數據輸入到「直接驅動系統」當中的時候，將得到更加準確和符合團隊期望的結果。

導演 Joe 和 Anthony Russo 將演員帶入動作捕捉頭盔並且測試他的部分線條，試圖嘗試不同的線路以及如何在調試到最接近預想的滅霸形態的時候將其保存下來。使用這些線條能夠捕捉到他臉上幾乎難以察覺的動作和神情。在捕捉到他的眼睛和臉頰上細微的動作之後，我們可以清晰的看出來他對失去 Gamora 的沮喪或悲傷，以及他對 Tony 的憤怒。這種技術上的革命使得 CG 效果在真實感和數字虛擬人物的性格表達上更上一層。

4.4《指環王:護戒使者》使用群體模擬系統製作大規模群體數字士兵及萬人打鬥場面Weta Digital 公司負責電影《指環王：護戒使者》的 Massive 角色創建，為此篇的序幕製作了一個多達十幾萬精靈、人類以及其他生物組成的聯盟軍與黑暗魔君索隆的妖魔大軍的混戰場面。Weta Digital 公司使用了 Massive (Multiple Agent Simulation System in Virtual Environment )「虛擬環境群體模擬系統」一種計算機人工智慧動畫製作軟體，創建了戰鬥場景中的 70，000 餘個人工智慧角色，並使每一個 Massive 角色都擁有自己的「大腦」。Massive 是由軟體開發師、群體模擬人的總監史迪芬 · 瑞傑勒斯 (Stephen Regelous) 用了五年時間開發出來並逐漸完善的大型群組動畫軟體，並因此榮獲 2003 年奧斯卡科學與工程獎。原始模擬人的動作是由動作採集器 (Motion Capture) 獲得的, 動作採集小組為序曲戰鬥中的士兵們設計了跑、襲擊、刺殺、倒下、死去等動作。當把這些動作數據輸入到智能模擬人的大腦中之後，模擬人們就會自動地逐項篩選以選擇適合於他的動作。導演彼得·傑克遜在序幕戰役場景中安排了 5 萬到 10 萬人的戰爭場面, 10 多萬人的動畫調試工程量非常的大，即使利用先進的「動作採集器」( Motion Capture) 的動作捕捉技術可以獲得真正的人物動作，但也無法真正地實現數十萬個數字人之間真實的互動對抗、拼殺撕打，並且很難讓千千萬萬的不同個體人在特徵上與動作上產生千變萬化的差異。為此，12 位動畫工程師用 Maya 為主要的生物設置了關鍵幀動畫，動畫部門用 Massive 程序也為數字特技替身演員（Digital Doubles）、半獸人（咕魯）和一些基本的運動編輯了動作，並製作動作庫使角色大腦和身體的動作庫多樣化。該動作庫的準備工作花了 2 年時間。同時，也因為角色是由帶有物理特性的原模型創建的，考慮到要物理模擬，Massive 程序帶有固體動力學（Rigid Body Dynamics），這樣能使打鬥的武士落在粗糙的地面上。由於這部影片的目的就是要使每個角色（武士、妖精、數字特技替身演員）的外表和動作都與眾不同，所以，Massive 的工作人員為每一類角色都設計了多種多樣的工具、服裝和皮膚顏色。工作人員首先列出每一類型的角色，然後給他們設置特定的動作，例如武士，他們要擊打、側跨臺階、把武器向後拉並且阻擋（對方），這些動作要有變化，因為角色會出現在不同的環境中，這就意味著需要捕捉好幾百個動作。Massive 軟體能非常容易的產生變量，從而來改變幾何體或特性。每個角色都有許多變量，他的靴子上可以滿是泥濘，或者他又是非常好鬥的，Massive 可以改變骨骼的比例、shader 參數和腦部變量。一般要為每一類型的角色捕捉 150 到 350 個動作。Massive 程序帶有一個動畫混合引擎，在角色飛行中它能修改動作，例如，讓角色瞄準武器，或拽住另外的角色。角色們能用反向運動學控制他們的四肢。角色的大腦是用模塊（輸入輸出節點、控制節點和模糊邏輯節點的網絡）來創建的；通常，大腦有 6000 到 8000 個這樣的節點。角色們能"看見"渲染他們周圍的圖像的掃描線，"聽見"聲音的頻率，並確定他們所處的位置，然後做出與人類相似的反應。每個角色都有一個特殊的大腦，因此他能做出獨特的反應。他們做出反應的速度是每秒 24 幀。工作人員用 Massive 來處理影片中數千個武士——一旦從戰場上出發，角色們就會鎖定目標（敵人），然後開始「交戰」。