《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)出電影視覺幻術(shù)的最高技藝。

一刷IMAX版《阿麗塔》，我看到幾個在電影特效技術(shù)上很“顯功力”的場景，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）。

帶著這些背景知識再看《阿麗塔》，你肯定會有不同的感觸。

這部視效大片就是為IMAX銀幕而生，除了銀幕超大、亮度高，IMAX版影片的畫面居然還比普通影院多出26%；如果有條件的話，推薦大家選擇IMAX版本。

“阿麗塔”一定看IMAX的三個理由（視頻）>>

01

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；

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鏡頭運(yùn)用到了830萬多邊形數(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——看來這些努力沒白費(fèi)。

02

看似簡單卻充滿炫耀感的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的時候穿了一件——毛衣。

▲ 阿麗塔數(shù)字毛衣的仿真，注意和父親T恤的區(qū)別

這樣的CG毛衣市面上沒有現(xiàn)成軟件可以完成，應(yīng)該是維塔自己開發(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（開玩笑啦）~

“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。

▲“這個算法是魔鬼嗎？真的連每一根毛線都模擬??！“

* 《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.

03

被水浸泡的頭發(fā)

長期以來，“毛發(fā)模擬”和“液體模擬”在電影特效真實(shí)感的營造中起著至關(guān)重要的作用。

電影中有一處場景，阿麗塔縱深跳入水中，找到水底戰(zhàn)艦上的“狂戰(zhàn)士鎧甲”；畫面中她的頭發(fā)因?yàn)榻菰谒校l(fā)絲被打濕耷拉下來，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空間尺度的物理現(xiàn)象。

當(dāng)毛發(fā)完全浸沒在液體中時，它呈現(xiàn)為一種多孔介質(zhì)，而且可以對周圍液體流動產(chǎn)生拖曳效應(yīng)。

當(dāng)把毛發(fā)從液體中提出來后，毛發(fā)上會粘連一定量的液體，這些液體會沿發(fā)束流動、并最終滴落；

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

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

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

為模擬毛發(fā)表面較薄的液體，我們在毛發(fā)表面再增加一個液體的高度場，同時用淺水方程來計(jì)算表面液體流動。

▲ 展示毛發(fā)內(nèi)液體僅為作對比，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。

同時通過計(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程。

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。

此處貢獻(xiàn)者：費(fèi)云（Raymond）

*? libWetHair

《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）

04

充滿技術(shù)含量的驚鴻一吻

有沒有被阿麗塔和男主角接吻的畫面感動到？

我也是，但理由可能不大一樣：因?yàn)镃G人物和真人接吻，在電影特效上真的很！難！搞！

接吻時需要調(diào)用面部的146塊肌肉（群），為真實(shí)再現(xiàn)接吻的動作，就有可能需要真實(shí)地再現(xiàn)這些肌群的運(yùn)動；

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)動剛體的骨骼和牙齒運(yùn)動, 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。

▲ 人物

▲ 動物

▲ 神獸

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

▲ 維塔打造出的“猩猩凱撒”

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

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

▲ 皮克斯的《超人總動員2》

05

CG人和真人的對手戲怎么演

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)》等多個項(xiàng)目的洗禮，積累下豐富的制作經(jīng)驗(yàn)。

▲ 《猩球崛起3》中的表演捕捉

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)字角色和真人會產(chǎn)生互動的表演捕捉。

在表演捕捉與真人結(jié)合的拍攝中， 同一場戲，即使一條過，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)拍角色互動的真實(shí)感。

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)拍演員的畫面。

然后才能是合成。將表演捕捉得到的數(shù)字動作賦予數(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面。

整個操作的原理不難，然而能使最后的畫面看起來毫無破綻，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，也并不是每個人都能變的。

最后想說，《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， 對當(dāng)前的中國影視制作能力來說，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，我是一個極客，也是一個影視熱愛者，也是數(shù)字化影視制作的萬千研發(fā)和實(shí)踐者之一，以下僅從個人所熟悉之專業(yè)來提供一份觀點(diǎn)，希望能成為諸位極客影迷們看阿麗塔時的佐餐良菜。