本文首發(fā)于極客電影，已獲得授權(quán)轉(zhuǎn)載

《阿麗塔：戰(zhàn)斗天使》是一部相當(dāng)“炫技”的電影。帶著詹姆斯·卡梅隆“光環(huán)”，導(dǎo)演羅德里茲格聯(lián)手維塔工作室，給觀眾們展現(xiàn)出電影視覺(jué)幻術(shù)的最高技藝。

我看到幾個(gè)在電影特效技術(shù)上很“顯功力”的場(chǎng)景，想給大家一一拆解，讓你們也感受到我的震撼（有點(diǎn)“魔術(shù)揭秘”的意思）。帶著這些背景知識(shí)再看《阿麗塔》，你肯定會(huì)有不同的感觸。

張心欣

本文作者

簡(jiǎn)介：加拿大 UBC 大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)博士，前皮克斯工程師，曾在維塔工作室參與《霍比特人3》等影片的特效算法研發(fā)，還曾任 Lytro 高級(jí)算法工程師；在北京電影學(xué)院高精尖未來(lái)影像創(chuàng)新中心，開(kāi)發(fā)針對(duì)影視應(yīng)用的大規(guī)模并發(fā)式物理仿真程序。（微博/知乎 @張心欣）

細(xì)致到令人震驚的大眼睛

CGI 眼睛的渲染和制作非常困難，因?yàn)閺难矍虮诘窖苣さ揭暰W(wǎng)膜，每一層結(jié)構(gòu)都要制作和渲染。

人類的眼珠不是一個(gè)單純的球體，為了復(fù)現(xiàn)它復(fù)雜的光學(xué)表現(xiàn)，需要計(jì)算光線在其中復(fù)雜的光路運(yùn)動(dòng)。

另外， 眼珠內(nèi)部的幾何結(jié)構(gòu)也十分復(fù)雜，此次阿麗塔的眼珠特寫(xiě)鏡頭運(yùn)用到了 830 萬(wàn)多邊形數(shù)量的幾何建模， 并使用自主研發(fā)的算法進(jìn)行了復(fù)雜的光路追蹤。

“眼睛”是傳達(dá)情感、感染觀眾最重要的窗口。很多人看完電影都覺(jué)得，阿麗塔的“大眼睛”深深印在自己的腦海里、揮之不去，她從純真到成熟的變化都映射到眼神的變化上——看來(lái)這些努力沒(méi)白費(fèi)。

看似簡(jiǎn)單卻充滿炫耀感的 CG 毛衣

CGI 衣服里面最難制作的就是毛衣，因?yàn)槊碌奈锢硇巫兩婕暗胶軓?fù)雜的微觀物理交互，除非仿真程序的模擬細(xì)致到了每一根線頭，否則無(wú)法仿真出真實(shí)的毛衣布料形態(tài)。

而阿麗塔恰恰就選擇在登場(chǎng)的時(shí)候穿了一件——毛衣。

這樣的 CG 毛衣市面上沒(méi)有現(xiàn)成軟件可以完成，應(yīng)該是維塔自己開(kāi)發(fā)軟件制作的，筆者以為，這大約是維塔在炫耀他們領(lǐng)先的仿真程序（開(kāi)玩笑啦）~

這個(gè)算法是魔鬼嗎？真的連每一根毛線都模擬啊1

“毛衣仿真技術(shù)”源自 2017 年由華人科學(xué)家蔣陳凡夫等人合作發(fā)表于 SIGGRAPH 2017 上的論文。

被水浸泡的頭發(fā)

長(zhǎng)期以來(lái)，“毛發(fā)模擬”和“液體模擬”在電影特效真實(shí)感的營(yíng)造中起著至關(guān)重要的作用。電影中有一處場(chǎng)景，阿麗塔縱深跳入水中，找到水底戰(zhàn)艦上的“狂戰(zhàn)士鎧甲”。

畫(huà)面中她的頭發(fā)因?yàn)榻菰谒?，發(fā)絲被打濕耷拉下來(lái)，呈現(xiàn)出從頭到腳濕漉漉的觀感。

這短短幾分鐘，逼真的模擬出了“頭發(fā)”和“液體”之間的相互作用，是相當(dāng)有技術(shù)含量的。

毛發(fā)和液體之間的作用是一種跨越多個(gè)空間尺度的物理現(xiàn)象。當(dāng)毛發(fā)完全浸沒(méi)在液體中時(shí)，它呈現(xiàn)為一種多孔介質(zhì)，而且可以對(duì)周圍液體流動(dòng)產(chǎn)生拖曳效應(yīng)。

當(dāng)把毛發(fā)從液體中提出來(lái)后，毛發(fā)上會(huì)粘連一定量的液體，這些液體會(huì)沿發(fā)束流動(dòng)、并最終滴落。

同時(shí)，潮濕的毛發(fā)相互之間不僅會(huì)發(fā)生碰撞，而且表面液體也會(huì)產(chǎn)生液體橋，表面張力效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致毛發(fā)凝聚成團(tuán)塊。

對(duì)于這樣復(fù)雜的物理現(xiàn)象，設(shè)計(jì)出最合適的模型是關(guān)鍵。

通常來(lái)說(shuō)，大塊液體可以用仿射粒子胞元法（Affine Particle-in-Cell）來(lái)模擬，而毛發(fā)可以用離散彈性棒（Discrete Elastic Rods）來(lái)建模。

為模擬毛發(fā)表面較薄的液體，我們?cè)诿l(fā)表面再增加一個(gè)液體的高度場(chǎng)，同時(shí)用淺水方程來(lái)計(jì)算表面液體流動(dòng)。

展示毛發(fā)內(nèi)液體僅為作對(duì)比，形態(tài)是不模擬的

在為頭發(fā)、大塊液體和薄層液體都建立了物理模型之后，通過(guò)引入碰撞和黏連模型，就可以模擬出濕毛發(fā)之間的內(nèi)聚現(xiàn)象。

同時(shí)通過(guò)計(jì)算水下毛發(fā)與它周圍流體之間的拖曳力，就可以生成毛發(fā)和液體互相拖曳的效果。

最后，再建立一組算法來(lái)模擬大塊液體被頭發(fā)捕獲成為薄層液體，以及薄層液體匯流、滴落成為大塊液體的過(guò)程。

此處貢獻(xiàn)者費(fèi)云（Raymond）2

這樣，才能實(shí)現(xiàn)出最終《阿麗塔》電影里那種“濕頭發(fā)”的自然視效。

充滿技術(shù)含量的驚鴻一吻

有沒(méi)有被阿麗塔和男主角接吻的畫(huà)面感動(dòng)到？我也是，但理由可能不大一樣：因?yàn)?CG 人物和真人接吻，在電影特效上真的很！難！搞！

接吻時(shí)需要調(diào)用面部的 146 塊肌肉（群），為真實(shí)再現(xiàn)接吻的動(dòng)作，就有可能需要真實(shí)地再現(xiàn)這些肌群的運(yùn)動(dòng)；嘴唇肌肉是軟的，而里面的骨骼和肌肉卻較為硬，所以在仿真程序需要能夠處理這些不同的材質(zhì)的碰撞和形變。

接下來(lái)我要在技術(shù)上物理拆解“接吻”這件事，溫馨提示：圖可能有點(diǎn)驚悚...

下面是人類接吻的 X 光拍攝, 注意其中所展現(xiàn)的該行為的復(fù)雜度: 面部肌肉驅(qū)動(dòng)剛體的骨骼和牙齒運(yùn)動(dòng), 而柔軟地皮膚相互碰撞擠壓產(chǎn)生復(fù)雜的形變。

維塔的獨(dú)門絕技之一，從骨骼到肌肉到脂肪層、再到皮膚和毛發(fā)的有限元仿真程序，以制作出逼真的數(shù)字角色。

維塔的肌肉仿真工具從人猿星球的早期就開(kāi)始研發(fā)，經(jīng)歷了多個(gè)制作的錘煉。

《阿麗塔》中的親吻鏡頭完成度之高，以致于它甩開(kāi)了被認(rèn)為是同級(jí)別制作水平的作品幾條街！

在技術(shù)上同樣被認(rèn)為是世界頂級(jí)的皮克斯（迪士尼），接吻鏡頭也不敢做特寫(xiě)，《阿麗塔》的接吻鏡頭，居然就敢做成特寫(xiě)！

CG 人和真人的對(duì)手戲怎么演

表演捕捉本身是常規(guī)操作, CG 數(shù)字角色與實(shí)拍結(jié)合也也是常規(guī)操作。

然而能把這件事做到爐火純青之境界的, 特別的是能熟練地進(jìn)行數(shù)字角色和真人高難度動(dòng)作戲拍攝而絲毫看不出破綻的, 有很多常規(guī)中的不常規(guī)。

表演捕捉方面，維塔工作室歷經(jīng)了《指環(huán)王》系列、《猩球崛起》系列和《阿凡達(dá)》等多個(gè)項(xiàng)目的洗禮，積累下豐富的制作經(jīng)驗(yàn)。

《猩球崛起3》動(dòng)捕演員安迪·瑟克斯

在阿麗塔中，充滿了這樣的表演捕捉，其中數(shù)字角色單獨(dú)出現(xiàn)的表演捕捉制作難度并不是特別大， 更具有挑戰(zhàn)的是數(shù)字角色和真人會(huì)產(chǎn)生互動(dòng)的表演捕捉。

在表演捕捉與真人結(jié)合的拍攝中， 同一場(chǎng)戲，即使一條過(guò)，也至少得拍兩遍。

第一遍：表演捕捉。實(shí)拍演員與捕捉演員一起表演一遍，目的是為了捕捉下捕捉演員與實(shí)拍角色互動(dòng)的真實(shí)感。

阿麗塔動(dòng)捕演員羅莎·薩拉查

第二遍：實(shí)拍演員獨(dú)自表演。此次拍攝又稱為“clean plate”，目的是為了得到?jīng)]有任何遮擋情況下實(shí)拍演員的畫(huà)面。

然后才能是合成。將表演捕捉得到的數(shù)字動(dòng)作賦予數(shù)字角色后，再往 clean plate 上去合成，才得到了我們最終看到的畫(huà)面。

整個(gè)操作的原理不難，然而能使最后的畫(huà)面看起來(lái)毫無(wú)破綻，就有大量的制作經(jīng)驗(yàn)與手段的千錘百煉，就好像魔術(shù)一般，即使知道了原理，也并不是每個(gè)人都能變的。

結(jié)語(yǔ)

最后想說(shuō)，《阿麗塔：戰(zhàn)斗天使》是一部完成度高超的科幻電影，而用于制作以及完成它的畫(huà)面表現(xiàn)的科學(xué)技術(shù)和藝術(shù)家的技藝、其中物理學(xué)、數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)的研發(fā)與制作緊密結(jié)合的思路， 對(duì)當(dāng)前的中國(guó)影視制作能力來(lái)說(shuō)，也可謂是很“科幻”了。

慶幸我們從《流浪地球》走出了第一步，更希望我們能從《阿麗塔》中看到我們前進(jìn)的方向。

我不敢妄稱專家，我是一個(gè)極客，也是一個(gè)影視熱愛(ài)者，也是數(shù)字化影視制作的萬(wàn)千研發(fā)和實(shí)踐者之一，以下僅從個(gè)人所熟悉之專業(yè)來(lái)提供一份觀點(diǎn)，希望能成為諸位極客影迷們看阿麗塔時(shí)的佐餐良菜。

1.《Anisotropic Elastoplasticity for Cloth, Knit and Hair Frictional Contact》

Chenfanfu Jiang, University of Pennsylvania & Jixie Effects inc.

Theodore Gast, University of California, Los Angeles & Jixie Effects inc.

Joseph Teran, University of California, Los Angeles & Jixie Effects inc.

2.《A Multi-Scale Model for Simulating Liquid-Hair Interactions》

Yun (Raymond) Fei and Henrique Teles Maia, Columbia University

Christopher Batty, University of Waterloo

Changxi Zheng and Eitan Grinspun, Columbia University

Source Code and Data Assets（GitHub）

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文/張心欣 來(lái)源/極客電影