新闻中心

云渲染首页新闻中心瑞云热点 88亿票房上半年全球冠军，皮克斯新作幕后视效解析大公开

88亿票房上半年全球冠军，皮克斯新作幕后视效解析大公开

2024-07-17 18:52:55

2015 年，皮克斯动画工作室为迪士尼制作了动画电影《头脑特工队》，该动画电影不但成为当年全球票房最高的动画电影，而且包揽了奥斯卡、金球奖、安妮奖、英国电影学院奖等几乎所有重量级「最佳动画电影」奖项，堪称动画影史上的经典佳作。

时隔九年，这部经典佳作的续作《头脑特工队2》终于在 2024 年 6 月全球上映，截至小编发稿日，全球累计票房达到了 12.17 亿美元(约等于 88.46 亿人民币)，成为了加入 10 亿美元俱乐部的 11 部动画电影之一(其中8部是迪士尼的作品)，并且是达到这一成绩最快的动画电影!该影片全球票房甚至超越了3月上映的科幻巨制《沙丘2》，目前位列今年全球电影票房第一位！

《头脑特工队2》延续了成长主题，如电影海报所示，随着主角莱莉青春期的到来，莱莉的大脑世界中除了原来五位情绪成员乐乐(Joy)、忧忧(Sadness)、怕怕(Fear)、厌厌(Disgust)和怒怒(Anger)以外，还加入了焦焦(Anxiety)、慕慕(Envy)、丧丧(Ennui)和尬尬(Embarrassment)四位情绪成员，在新奇的三维动画世界里，又会发生什么温情感人而幽默的故事呢?

由于该影片正在院线热映中，避免剧透，今天小瑞不谈剧情，单单来给大家分享一下皮克斯团队在《头脑特工队2》动画制作中使用到了哪些新的CG技术，让阔别九年的经典IP以熟悉的面孔重回大荧幕并焕发光芒!

一、渲染：新 RIS 架构 VS 旧 REYES 算法

在《头脑特工队》原作中，情绪角色外观制作由多种元素组成，包括发光的核心、悬浮的粒子、边缘体积和点状条纹。而续作《头脑特工队2》中，他们面临着在更新的技术中重新创造这些经典角色，并在新作中引入新的情绪角色的挑战。

《头脑特工队2》的角色 Shading 负责人 Masha Ellsworth 介绍道：“我们必须要在基于物理的三维世界中创作，又要实现一些魔幻和动画的效果，同时还要追求美感，这就让我们不得不使用很多技巧。”

原作情绪角色外观是使用 RenderMan 的 REYES 模式开发的，它使得非物理行为容易实现和控制。然而，在复现原作角色外观到新的 RIS 框架中，团队遇到了一些挑战，因为RIS 是一个能量守恒模型，所以在某些方面，用 RIS 来生成外观比早期的 REYES 更困难。

《头脑特工队2》的角色 Shading 首席艺术家 Jacob Kuenzel 解释道：“使用 REYES 时，你80%工作是为了让它看起来正确而不会出现问题，剩下的 20% 则非常容易，因为你已经设置好了所有这些控制参数。而使用 RIS 时，在渲染器中有 80% 的工作是由它自动完成的，从初始状态来看，效果非常好，但是如果你想要真正调整某些细节或打破物理规则(正如这部电影所需)，那最后 20% 的图像处理就变得更加困难。”

皮克斯《头脑特工队 2》的情感外观重新开发©SIGGRAPH 2024

(Ana Lacaze、Masha Ellsworth、Ben Porter、Athena Xenakis、Te Hu、Markus Kranzler、Jacob Kuenzel 和 Alexis Anglidis)

最后，他们在 Houdini 中重新实现了程序化的基本形状，改进了检查、调试和动态行为：

(1)毛发(Hair)

《头脑特工队》片中“情绪”角色的毛发都是由“点”组成，而不是线，这些毛发的光线反应类似于头发，但有闪亮效果。那是因为在之前的制作中，皮克斯使用了“Kajiya-Kay”模型，但在新片《头脑特工队2》中，皮克斯将两个“Chiang”毛发模型实例相结合，增加了漫反射和自发光部分，还使用了 Houdini 引擎，整合了 MaterialX Lama 系统，使艺术家们能够打破能量守恒规则，以实现非写实外观。

(2)皮肤粒子(Skin Particles)

片中情绪角色的皮肤都使用了脉冲粒子(pulsing particles)，以产生纹理效果。皮克斯通过使用 Hexport 系统，在 Houdini 预处理中生成皮肤粒子，以实现复杂的粒子行为并与发丝和服饰进行动态互动。

由于皮克斯需要将这些大家熟知且技术复杂的角色重现生机，他们首先重新加载了来自第一部电影的旧存档。虽然不是所有东西都能顺利加载，但已足够同步 Shading 团队了，因为其中大部分人没有参与过原始电影的制作。Masha Ellsworth 解释说：“实际上我们可以回溯原片使用的工具，打开古老版本的 Maya，甚至使用过往在 Maya 中使用的皮克斯 SLIM 工具，并且我们能够编译着色器并进行渲染，但是并非所有东西都能正常工作，但是这些考古工作提供了足够的信息，让我们知道‘好的，原来是这样做的!’”

(3)体积光晕(Volumetric Glow)

每个情绪角色都拥有代表它们“生命力”的发光光环层，为了塑造这些光环，皮克斯开发了一个可在几分钟内在不同角色之间重复使用和编辑的系统，同时还能有效地与全局光照时空一致。

(4)核心柔和度 Core Softness

情绪角色“乐乐”的设计是由一个半透明的边缘和一个实心的主体组成的。《头脑特工队》制作中是通过使用异质体来实现的，现在在 RIS 中则使用具有在边缘附近渐变消失的传统细分曲面来复制。

Jacob Kuenzel 团队最初还担心无法完美再现乐乐的外观，但之后：“当将外观的所有不同元素与她边缘外体积光晕、粒子效果结合在一起时——我们意识到，为了得到完全相同的局部而苦恼是不必要的。”

二、Lighting优化

考虑到情绪角色的非物理设计，需要在 Shading 和 Lighting 部门之间进行密切合作，才能达到最终明亮和吸引人的外观。为了在不同的光照场景中保证角色渲染的一致性和渲染效率，团队还单独设置了一套灯光。

一个特别有趣的方面是，当乐乐或其他角色本身发光时，为了让他们在光照方面看起来“融入场景”，皮克斯团队有一个称为“发光变暗”的概念。

例如，乐乐就像个灯泡，想象一下看着一个散发出能量、照亮整个房间的灯泡。那么，如何塑造光照，让她感觉自己处在一个环境中，并且场景中实际上有来自主光源的光线呢?如何塑造她的形象?Ellsworth 解释说：“事实上，‘发光变暗’这个的概念是在第一部电影中引入的。通过观察主光源的方向，我们采取了暗化辐射光的方式，让观众能感受到角色受光线影响的能量。乐乐不再只是完全发光，我们可以以独特的方式塑造她的光照和阴影，效果很好。”

电影中经常会有很多拥抱的画面，当角色相互作用或相互拥抱时，如何处理所有角色散发的光辉?

Ellsworth 开玩笑说： "乐乐的光会照亮一切，而且乐乐的合成有复杂的规则。例如，如果乐乐发光的身体在角色忧忧的背后，但她的手臂却环绕在他们身上，这就非常复杂了。但我们可以通过控制来指导光辉，以便让合成师实现想要的效果。”

《头脑特工队》合成是在 Nuke 中进行的，这部电影需要进行的合成工作非常复杂，比一部普通的皮克斯动画电影要多，因为需要解决许多不符合物理规律的效果。许多外观显示问题也是距离相关的，通过 LOD 设置和优化，可以让角色在任何距离都正确显示虚幻外观。

从粒子方面来说，又遇到了另一个有趣的技术挑战。在第一部电影中，原团队使用的是几何球体。而在这部新电影中，团队最终使用了面向相机的圆盘粒子(camera-facing discs)。

Kuenzel 解释说：“我们在这两部作品中都使用了 RiPoint primitive，但在 RIS 中，RiPoint primitive 与 REYES 中的有点不同。当我试图使用球形粒子时，我们在路径跟踪次表面散射方面遇到了一些问题，可能是这些微小的球之间存在偏差问题。无论如何，我从始终面向相机的圆盘粒子那里得到了稍微更好的效果。”

当然使用圆盘粒子也有问题，在轮廓上，圆盘是永远面向摄像机的，但在背光和其他细微效果上，制作团队希望它可以做到表面是斜向摄像机。这意味着团队需要让“物理上正确”的 RIS 渲染器在几何上保持圆盘面向摄像机，同时在光照计算时，使用指向不同方向的法线(表面朝向)。

Kuenzel 说：“我们之前没有用RIS这样做过，所以在光照采样中，它实际上说，‘哦，如果我的几何法线面向这个方向，那对我来说无所谓 - 因为灯光是在那里的，只是我们有点打破了现实。”

更有趣的是，RenderMan 团队一直引以为傲的强大的去噪技术，在这部电影的制作中却成了“阻碍”，因为团队必须仔细管理 RenderMan 流程中的各个组成部分，否则许多情感的视觉效果、粒子、闪光和火花会被视为噪点，在使用AI去噪时被移除掉。

三、预算控制：Shading 优化

虽然皮克斯 Shading 团队的第一要务是与第一部电影的外观相匹配，但团队还必须解决新的 RIS 流程的渲染时间问题。《头脑特工队2》的角色 Shade 和造型监制 Ana Lacaze 解释道：“我们肯定会注意成本的，头发就是一个明显的例子，由于头发的实现方式，它的渲染时间一开始非常长，导致渲染费用非常昂贵，我们必须将其缩减到一个合理的水平。实际上，这主要与 shadowing 有关。”

在第一部电影中，皮克斯团队使用了阴影贴图，“在 RIS 中，我们不能再这样做了，我们不再使用阴影贴图......我们需要围绕圆盘创建球体来生成阴影”，Lacaze 继续解释道：“使用不透明度也非常昂贵，所以我们必须设法改变一下，使其成本降低一些。”

此外，乐乐的 shading 方案虽然这样确定下来了，但是其他情感角色并没有完全使用相同的配方或脚本，尽管它们都是相似的。例如，只有乐乐有拖尾粒子。

Lacaze 详细描述道：“还有一种我们称之为软粒子的粒子，厌厌或忧忧上有这种效果”在这些角色中，它们的粒子与皮肤有些融合。“然后还有我们称之为‘糖晶体’的效果，这更多地用在角色怒怒和怕怕上，它们的粒子更加明显，可以与高光反射相互作用，而不具有传导性质。”而在《头脑特工队2》这一系列的新角色中，它们的效果都这三个 Shading 方案之间。例如，角色焦焦非常接近角色怕怕的外观，甚至看起来比乐乐更接近怕怕。

所有这些进步都使得皮克斯在保持原始角色的受人喜爱外观的同时，又将新技术使用在了《头脑特工队2》中。

四、头发模型和绑定的优化

在《头脑特工队》系列电影中，情绪角色的个性化表现最重要的一方面是将发型与他们的角色性格匹配起来，情绪角色通过戴着符合其个人风格的假发的角色来展示他们的个性化特征。

在 2015 年发布的第一部电影中，这些情绪角色的造型是通过一款内部开发的 Maya 插件，从人类假发改编而来，该插件是由艺术家手动设置一系列标记点，来定义人类角色和情绪角色头皮表面的对应关系。这种方法将两个头皮网格映射到共同的UV空间，每根头发曲线都按照对应发根位置的头皮法线进行扭曲，粗略地生成大致近似的新假发的造型，最后就可以使用 Maya 的典型工具(如lattice deformers)进行精细调整。

自第一部电影以来，皮克斯的 grooming 流程已被重新设计为皮克斯 Presto 动画系统的核心组件。在新的 Presto 工作流中，头发的造型由头皮上一层层的引导曲线组成。通过处理这些造型层和一系列非破坏性的操作，程序化生成全保真渲染的头发。

Presto 头发 grooming 的结构类似于变形绑定，同时也可以直接访问底层角色的动画。新的假发调整功能使得艺术家可以投入极小的精力，将发型/造型在多个角色之间转移。在《头脑特工队2》中，这为各种人体模型和多种情绪角色提供了多种风格和假发，总计共有 45 项资产。

五、绑定优化

《头脑特工队2》制作中还包括了大量手部和嘴巴绑定方面的改进。

影片中大多数角色都有传统的手部形态——由四根手指和一个拇指组成，皮克斯团队的目标是避免像以前一样需要从头开始为每个角色制作独特的拓扑结构，这次他们利用了新的关节工具：曲线网和轮廓移动器，来独立于形状或拓扑对次级曲面进行变形。皮克斯在《头脑特工队2》制作中首次创建了一套完全可共享的手部关节曲面网络，这使得所有角色都能拥有完整的手部绑定，而无需额外进行拓扑结构的绑定工作。

另一个挑战是设计新角色焦焦表达丰富的嘴巴，焦焦是一个类似布偶的独特角色，为了给她增加动画效果，需要一种专门的嘴巴绑定结构，能够提供灵活和精确的控制，所以皮克斯设计了一个适应她独特特征的绑定解决方案。

焦焦的绑定设计了一个三层的嘴角绑定结构，分别用于操控外部轮廓和嘴角，可以在不影响牙齿位置的情况下精细调整外部轮廓。其中，唇形控制被分为九个部分，以便制作出波浪状的形态;嘴唇和头部上使用的曲面网络设置，使得能够对面部形状进行细致控制;牙齿方面，环绕嘴唇的曲线和单个牙齿控制可以实现精确定位。这些解决方案给了动画师更大的灵活性和精确性，让他们能够更好地创造焦焦的动态面部表情。