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從3A游戲到實時渲染的動畫電影，他們是怎么做到的？

2018-05-15 13:05 作者:三文娛 0人讀過 | 我要投稿

實時渲染讓3A大作呈現(xiàn)出絕佳的表現(xiàn)力，這種技術(shù)做的動畫能帶來怎樣的啟發(fā)？

高精度建模在游戲的動畫中如何優(yōu)化，錄制的動畫又該如何渲染？

在周末舉行的Unite 2018大會上，Unity的技術(shù)美術(shù)總監(jiān)、曾在皮克斯擔任材質(zhì)師的江毅冰分享了她的技術(shù)方案。

近幾年，《神秘海域4》等大作中，無限接近電影級別的畫面表現(xiàn)令人驚艷，這樣的畫質(zhì)意味著游戲的表現(xiàn)力正在進入到嶄新的層面。

在江毅冰看來：

實時渲染將會取代傳統(tǒng)的動畫渲染，實時渲染技術(shù)在材質(zhì)、燈光等方面大幅度減少了渲染消耗時間，從而可以使得創(chuàng)作者將精力聚集在制作漂亮的畫面上。藝術(shù)指導(dǎo)可以在第一時間看到成品，更容易更改畫面。對于動畫的制作方來說，實時渲染減少了對人員、時間的消耗，從而大量減少了開支。

高品質(zhì)的游戲畫質(zhì)和電影畫質(zhì)主要差距在于材質(zhì)、光影和抗鋸齒三個方面，突破這幾點游戲畫面就能呈現(xiàn)出電影級別的表現(xiàn)力。

屏幕類之間的陰影和屏幕間的全局光照，正在逐漸廣泛地運用到3A游戲中，讓實時渲染的陰影看起來更真實；半像素抗鋸齒越來越好，正在大幅縮小實時渲染和離線渲染的差距。

在處理人物頭發(fā)等比較棘手的建模問題時，可以嘗試用不透明的貼圖來做頭發(fā)的模型，再加入條紋來模擬發(fā)絲；可以把頭發(fā)編成辮子來解決排序問題、把頭發(fā)做成深色來規(guī)避陰影問題。

原演講題目為《從3A游戲到實時渲染的動畫電影》，以下為江毅冰演講實錄，本實錄來自游戲葡萄。

大家好，非常榮幸在這里和大家分享一部正在制作的的實時渲染動畫電影《發(fā)條樂師》。演講會涉及四個方面：1、動畫電影的制作現(xiàn)狀。2、如何實現(xiàn)實時電影的品質(zhì)。3、制作實時電影的挑戰(zhàn)。4、實力的展示。

我從小的夢想，便是有一天能夠進入像迪士尼一樣的動畫公司創(chuàng)作最好的動畫片，追尋這個夢想的路程并非簡單。因為我的父母希望我從事醫(yī)生、律師和工程師相關(guān)職業(yè)。我進入了理工大學，但是我不愿意放棄我的動畫夢，一有時間我就自學動畫。

大學期間我創(chuàng)作了6部獨立短片，其中1部是3D動畫，那時候只能晚上熬夜在學校的實驗室進行創(chuàng)作。直到有一天，我收到ACCAD實驗室的一封來信，這所實驗室的一位老師在網(wǎng)絡(luò)上看到了我制作的短片很感興趣，希望我能報考他們學校。雖然只是一封郵件，但是對我來說，雪中送炭。因為我從來沒有專業(yè)人士肯定過我的作品，我一直以為做動畫僅僅是一個夢，遙不可及。

在收到多所大學的通知書后，我選擇了紐約視覺藝術(shù)大學。接下來的二年時間，就像電影里面的情節(jié)一樣，只能租得起紐約最便宜的地段，不斷搬家。直到我被迪士尼天才培養(yǎng)計劃選中隨后進入夢工廠實習，最終被皮克斯錄取，終于如愿以償進入了全世界最好的動畫公司。

皮克斯聚集了世界各地的動畫精英，就像一個小的聯(lián)合國一般。在這里有人專攻色彩、有人專攻動畫、有人專攻電影特效。甚至有一部分人，很難定義他們是干什么的，我們稱他們?yōu)槟g(shù)師，在傳統(tǒng)的動畫制作上沒有他們的職位，而隨著計算機圖形學的發(fā)展，他們就如虎添翼一樣，單槍匹馬就能創(chuàng)作出之前需要幾十個人才能完成的作品。我從這些人身上學習到了很多東西。

我在皮克斯的職位是材質(zhì)師，參與創(chuàng)作了二部電影。很快我就發(fā)現(xiàn)，材質(zhì)師如果用傳統(tǒng)的動畫流程，大部分時間就在等渲染，如果按錯了一個鈕，等很長時間取消。很多人遇到同樣的問題，都在尋求新的方法進行改進。

2012年，我參加了美國計算機圖形學的一個會議，其中有一個演講中使用的模型和《勇氣》有著相同的畫質(zhì)，其中畫面中的云、樹林、山脈全部是用代碼寫的，而且是實時渲染。

如果實時渲染能達到這種畫面，為什么我們要等十幾個小時來渲染一個動畫片？一幀的動畫片，全部是代碼。我想講一下實時渲染的意義。

對于藝術(shù)家而言，特別在材質(zhì)、燈光上大幅度減少了實時渲染的消耗時間，從而我們可以把精力聚集在制作漂亮的畫面上。藝術(shù)指導(dǎo)可以在第一時間看到成品，修改畫面也會容易很多。對于制片商而言，實時渲染減少了對人員、時間的消耗，從而大量的減少了開支，現(xiàn)在一部高質(zhì)量的動畫要花費1－2個億美元來制作，而看電影的人越來越少。所以電影制作的開支不得不減少，如果不選擇實時渲染的話，很多電影公司都可能會倒閉。對于獨立制作動畫短片的愛好者來說，減少制作成本意味著很多人可以制作他們想做的片子，而不需要利用很大的成本。

為什么現(xiàn)在很多人為什么沒有選擇實時渲染？我認為是因為他們覺得實時渲染的畫質(zhì)和電影的畫質(zhì)還是很有差距的。我想介紹一下實時渲染的速度和現(xiàn)代電影的速度差別。

近幾年，迪士尼和皮克斯發(fā)行動畫片都是用同一技術(shù)Path Tracing，現(xiàn)實生活中燈光物理的原理，使畫面顯得更完美、更真實?？墒菍τ阡秩舅俣葋碚f，平均下來Path Tracing花30個小時顯然一幀畫面，我們的速度比30個小時渲染一幀快325萬倍，以這樣的速度來達到電影的畫質(zhì)，對于很多人來說是有點不可想象的。如何能提高電影畫質(zhì)呢？我認為實時渲染會取代傳統(tǒng)渲染。

我們可以看到AAA游戲的畫質(zhì)和電影的畫質(zhì)主要差距在：材質(zhì)、光影、抗鋸齒三個方面。如果我們解決了這些問題，就可以盡量縮小實時渲染和電影的差距。

在材質(zhì)方面，特別是在角色上面，曾經(jīng)讓人大傷腦筋，近幾年很多論文有相關(guān)的研究，比較著名的是關(guān)于材質(zhì)皮膚屏幕類模糊的一個漫反射的論文，很多的游戲都是運用這個論文中的方法來制作皮膚的。我們可以在這里看到，Unity 5有一個黑鐵匠畫面，拿完全一模一樣的模型更改它的材質(zhì)，在更新技術(shù)流程上使用，看起來完全不一樣的人，其實是一樣的模型。

離線渲染的陰影分辨率大大高于實時渲染的。如果你沒有使用幾萬塊的高級電腦，實時渲染的畫面有的時候顯得很平，很多地方有漏光的現(xiàn)象。近幾年如果你有所關(guān)注，屏幕類之間的陰影和屏幕間的全局光照，已經(jīng)逐漸的運用在AAA游戲中，讓實時渲染的影子看起來真實了很多，不是真正完全物理光返照的。

在抗鋸齒方面，近幾年有很多例子都是關(guān)于這方面的，半像素抗鋸齒也是越來越好，大幅度的縮短了實時渲染和離線渲染的差距。如果大家有玩游戲的話，你可以想象，很容易看出來游戲中的鋸齒，有些散光的，如果解決這個問題，游戲的畫面看起來便更加像電影了。

在經(jīng)歷了頑皮狗的磨煉以后，我們從中制作了幾部實時渲染的短片和預(yù)告片，那個時候很多人就說，看起來像電影的畫質(zhì)，完全覺得不像是游戲里面的，那個時候我覺得應(yīng)該是一個好的時機，是不是現(xiàn)在就是研發(fā)制作實時電影的最佳時機？所以我定辭掉頑皮狗的工作，冒險一搏，因為我相信現(xiàn)在的確就是研發(fā)實時渲染的最好時機。

3月我們將《發(fā)條樂師》的一個測試場景短片發(fā)到網(wǎng)上的時候，很多人都有問，為什么那個角色是不動的？因為我們現(xiàn)在還在制作中，如果大家想看它動起來的話，請繼續(xù)關(guān)注Unity下個月在德國柏林的一個演講，我們很巧妙的技術(shù)讓它動起來而且用很方便的方法。

下面介紹我們?nèi)绾沃谱鬟@個測試場景。

首先是場景的搭建。第一步是原畫，場景的原畫分為兩個步驟，這是一部講述在一個小鎮(zhèn)上關(guān)于愛與舍取的故事。

我的畫稿發(fā)揮想象的同時也考慮到成本和制作的一些問題，以及實時渲染技術(shù)的一些局限。我們制作上會面臨很多挑戰(zhàn)，這也是在制作畫稿期間就需要充分考慮到的。我們希望角色與環(huán)境是互相匹配的，我們希望可以制作出令人印象深刻的角色以及美麗的場景。由于預(yù)算有限，在最初設(shè)計的時候，要考慮到技術(shù)的限制問題也是非常重要的，所以我寫下了我們想要的和不想要的。

我們開始第二步開始尋找參考資料，對于環(huán)境來說，我們?yōu)g覽了上百個參考圖，在收集參考圖的過程當中積累了一些經(jīng)驗和教訓。

其中總結(jié)最重要的一個教訓是，我們需要簡化樹和植被的模型。這是我在舊金山植物園拍的照片，現(xiàn)實生活中的樹是很有意思的，但同時有太多的繁殖細節(jié)，如果我們追尋寫實的風格，環(huán)境會顯得非常復(fù)雜，葉子的數(shù)量和植被樹皮節(jié)點幾何構(gòu)造數(shù)量會讓整個場景有過多的細節(jié)，會導(dǎo)致我們無法在實時渲染的場景中建造，所以我們需要簡化設(shè)計。

如果大家有比較喜歡動畫電影的話，應(yīng)該有聽說過《睡美人》場景設(shè)置的主導(dǎo)Eyvind Earle，他在動畫界非常有名，他將超現(xiàn)實和插圖藝術(shù)的結(jié)合。受到超現(xiàn)實藝術(shù)的啟發(fā)，右邊選擇的畫面簡化了數(shù)字的模型，使最終的結(jié)果不失美感，但是也不失細節(jié)。我非常喜歡冷暖色調(diào)的對比，在左邊的畫面，你看它的影子有藍色和橘色的搭配，我覺得這是個很巧妙的運用。

以此為基礎(chǔ)，我起草了一個草圖，將草圖畫成了顏色腳本，這邊這幅圖是我畫的，這邊這幅圖和他一起的，這二幅圖是我畫的細節(jié)。

接下來是初模的建造，在實時電影建造中，初模建造比離線好很多，我們場景和燈光把同時開始制作，將顏色腳本和游戲試圖放在一起，隨時比較，隨時更改。左邊是游戲視圖，這邊是畫好的顏色腳本。所以我可以一直不停地對比。

在細節(jié)方面，我們運用了可以反復(fù)運用的貼圖，同時樹木的根部和場景反復(fù)的斟酌。

我們還嘗試了運用高清渲染流程中的鑲嵌式平鋪功能，就像電影中一樣可以看到很多細節(jié)，鏡頭離遠了以后細節(jié)就會逐漸消失，這樣的話可以減少算法，我們讓畫面看起來很立體，但是也不會加大很多的面數(shù)，使我們能在實時渲染上運用。

這是最終的場景，我們的燈光師重塑了色彩腳本中明暗度和冷暖色調(diào)的搭配。

我們?nèi)绾蝿?chuàng)建角色呢？這是最終的角色設(shè)定。

其實在設(shè)計角色的時候我們不斷的更改設(shè)計，主要是為了技術(shù)上面的困難。

以下是我們發(fā)現(xiàn)的技術(shù)上的問題，我們把頭發(fā)編成辮子，避免排序的問題，大家有做游戲的話應(yīng)該都對這方面很頭疼的問題，所以我們編成辮子來介紹，但是也有需要考慮的問題，把頭發(fā)搞成深色的，不用考慮陰影的問題。我們角色穿成寬松形狀簡單的毛衣，這樣看起來她的服裝不會很單調(diào)。

首先是建模，你可以看到嘗試了很多次才達到了想要的面部效果，我和角色師爭論了好多次，第一個看起來好像很生氣一樣。

鎖定面部形狀以后，我們開始建造發(fā)卡，這也是在游戲中才有的畫面，因為實時電影里面，游戲里面發(fā)卡能跑得動，我們就要把它的形狀改成發(fā)卡。

下面一步是頭發(fā)的貼圖，里面大部分頭發(fā)是用不透明的模型，在左邊這一張，這樣的話我們就不用考慮那個問題，為了看起來真實，我們增加了一些條紋，你可以看到，在加入條紋的時候是沒有縫線的，這樣很小的一張圖片可以讓頭發(fā)看起來有成千上萬個發(fā)絲。

在這之前很多人問我怎么做這個發(fā)線的？我并沒有做任何動作，在運用條紋，鏡面反射貼圖中讓頭發(fā)看起來很真實，并不是用那個Wrinkle Map。

我們用X線做了很小的發(fā)卡，讓頭發(fā)看起來比較真實，但是并沒有加很多的，大部分還是用發(fā)卡做的，因為加了太多的話會影響運行性能。

下一步是毛衣的建模，在原畫設(shè)計中毛衣形狀是非常簡單的，但是我們不需要制作復(fù)雜的貼圖，使服裝看起來更真實。

但是簡單的形狀并不意味著我們在細節(jié)上不用大作文章，為了使角色看起來可信，我們將毛衣的模型按照不同的織法紋理來分區(qū)。

在不同的區(qū)域添加不同的紋理，這是其中一張貼圖，這種貼圖是非常小的，我們當時也沒有太多測試，我使用的是256×256的大小。在此基礎(chǔ)上加了很松散的發(fā)卡，使毛衣看很小更柔軟，發(fā)卡是非常松散的，確定模型面數(shù)沒有超標。

經(jīng)常有人問到，是否能用發(fā)卡這樣的方式來制作實時的皮毛，答案是可能不行。因為需要大約十多位的卡片才能使毛發(fā)看起來更真實，小面積的還可以，如果做整只動物的皮毛，模型面數(shù)就會太重，實時是跑不動的，游戲中最常用的毛法的做法是使用一層半透明的貼圖，聚焦看的話其實可以看得出來是一層一層的，我在《神秘海域4》使用過這個方法，如果你看到模型是平的。因為我在這部電影中沒有運用到實時的皮毛。