三維毛發表現技術發展芻議

摘 要：作為一種區別于其他動畫表現類型的重要特征、一種微觀化的高精技術表現，三維動畫的制作中，毛發效果的表現一直是技術突破的難點之一，也是虛擬生物類角色表現的重點，屬于特定對象模擬仿真技術的研究范疇。

關鍵詞：三維動畫;毛發表現;動力學結算

2019年，電影《獅子王》上映，導演喬恩·費儒忠實地還原了1994年迪士尼原版同名電影的鏡頭語言，但卻用極其強大的三維技術混淆了“動畫”與“現實”之間的邊界，片中最引人注目的便是各種野生動物的毛發表現。

從藝術表現的視角來看，毛發技術自誕生起就將傳統二維動畫原理中關于運動規律的部分推演到了畫面的縱深部分。在傳統二維動畫中，合理化的運動規律、力學原理讓角色夸張的造型及動作得以被觀眾承認和接受;而在三維動畫中，細膩的毛發質感、力學運算會將觀眾對這種高假定藝術的認同由視覺感官推向心理層面。

然而在三維動畫的制作中，毛發效果的表現一直是技術突破的難點之一，也是虛擬生物類角色表現的重點，屬于特定對象模擬仿真技術的研究范疇。由于毛發單體的數量巨大，在運動過程中不但存在整體的形態變化，也必然出現單體元素的形變以及由大量碰撞關系引起的交互形變與延展變化，同時毛發所生長或附著的形體運動變形也為毛發的運動結算效果帶來了更多難以預判的復雜變化。

1 三維動畫毛發制作的常見方式

常見的三維毛發效果的表現方式有三種：第一，形體概括的模型表現方式。這種方式多見于早期三維動畫作品，當時三維技術尚不足以實現復雜精確的運動及渲染效果，卡通概括的造型手法能夠較為輕易地實現毛發整體形態的塑造與呈現，但基本無法表現毛發的真實質感與運動狀態。第二，透明貼圖與面片表現方式。這種方式的構成原理為將復雜的毛發效果進行結構分拆，由片狀結構疊加形成較為精細的毛發分組，再使用透明貼圖進一步實現單片模型上的毛發邊緣及縫隙疊加，以獲得更為細致與逼真的視覺表現。這種手法至今仍大量運用于三維游戲角色和三維動畫創作中，其優勢在于以盡量少的資源消耗獲取較為豐富的結構層次效果且易于操作，其弊端在于面片毛發在特定角度會暴露破綻，難以實現較長的頭發效果，運動形態由二級骨骼通過綁定實現模型層級的形變，視覺效果較為單調且控制較為復雜。第三，專用的毛發生成方式。由軟件模擬出仿真的毛發單體形態，再形成整體形態，由于其構造原理完全來自真實事物的再現，形態、運動、層次均能達到較好的呈現，但系統資源消耗巨大，技術實現難度高。

2 三維毛發表現技術的發展

1995年，世界上首部三維動畫電影《玩具總動員》上映時，片中的主角并未出現毛發效果的呈現，作為配角出現的人類角色的頭發是使用模型概括的方式完成的。1997年，皮克斯出品的動畫短片《棋逢敵手》成為該動畫制作機構的第一部以人類為主角的電影。片中將人類角色的表現作為技術突破的重點，對皮膚的渲染質感和布料的模擬有重要的突破，主角老人的眉毛與頭發也使用了面片結合透明貼圖的方式呈現出了較好的視覺效果。2000年，迪士尼出品的《恐龍》上映，嘗試了實拍與三維動畫的結合，對于視覺效果提出了較高的要求。該片中，角色的綁定技術實現了較大突破，同時也嘗試了更為逼真的毛發制作方式，在片中，小動物角色的毛發制作量依然過萬。

2001年，三維毛發制作標志性電影作品《怪物公司》上映。皮克斯公司在這部電影5年的制作周期中完成了多項技術創新，毛發的自然擺動與角色的運動具有良好的聯動性，僅單一角色的個體毛發就達到了百萬級數量，從運動形態和渲染效果等方面對于制作團隊提出了嚴苛的要求，必須對原有三維動畫毛發的制作流程與技術進行創新與突破。為此，皮克斯開發了全新的Fizt仿真系統，在角色基礎動作完成后專門用于毛發的效果結算。分階段處理動力學制作的技術流程路線至此被確立，成為一種生產制作的技術指標。同一時期，作為三維動畫史上第一個超級擬真效果的虛擬角色阿基·羅斯出現在電影《最終幻想：靈魂深處》中，雖然票房慘淡，但堪稱三維技術的一個劃時代標記，6萬根角色頭發進行單獨的控制與渲染，每一幀畫面的渲染時間在由960臺渲染工作站構成的渲染陣列中平均需要花費90分鐘。同年5月，斬獲奧斯卡最佳動畫長片獎的《怪物史萊克》上映，片中技術重點實現了毛發與環境的交互反應、毛發著色器的流控制等技術難點。

2004年，迪士尼電影公司發行了《超人總動員》。如何在三維動畫中體現迪士尼傳統動畫藝術的特點這一問題，促使開發團隊在毛發與其他交互動力學結算方面開發了新的模擬技術，取得了較大的進步，實現了長發效果制作的初步嘗試。2007，皮克斯動畫的第8部三維動畫電影《美食總動員》，為了表現片中主要角色老鼠特有的身體拉伸變形效果，采用了創新的晶格變形技術，同時也需要毛發的精確控制技術與之相適配。[1]2010年，迪士尼動畫工作室制作了三維電影《魔發奇緣》，以史無前例的成本完成制作。這部電影在CG圖像與傳統繪畫藝術的結合上進行了有益的探索與嘗試，一定程度上改變了計算機圖像技術工程化的既有局限，“使用了毛發模擬程序Dynamic wire的改進版本以解決長發的動畫可控性問題;通過增強的幾何算法實現水流體與毛發效果的動力學計算”。[2]

2013年，容納了大量毛發、流體變形技術在內的《冰雪奇緣》上映并實現了眾多的技術突破，片中制作軟件Toniz毛發制作軟件實現了毛皮服裝與頭發的制作，其中主要角色艾爾莎的頭發數量超過了40萬根。2016年，迪士尼出品的《瘋狂動物城》贏得了無數的榮譽，包括奧斯卡獎、金球獎、安妮最佳動畫長片獎等重要獎項。影片中的主角尼克狐和朱迪兔各自擁有約250萬根毛發。為了精確地實現毛發效果的造型和編輯，軟件工程師團隊開發了專用軟件“iGroom”、渲染團隊在Hyperion渲染器的光線追蹤功能基礎上進行了“毛發模式”的二次開發、“Nitro”即時顯示程序可進行更直觀的精微效果顯示。在這些技術創新的支持下，影片中多達64種動物的濃密毛發外觀得以出色的實現。2019年，《阿麗塔：戰斗天使》將虛擬數字角色的制作水準提升到了階段性頂峰，片中角色阿麗塔的毛發系統包括47種，包括13萬根頭發、2000根睫毛、近500根眉毛，甚至使用毛孔生長技術，實現了面部裸露皮膚部分的50萬根細小絨毛的單獨放置。在角色肌膚的質感表現方面，在原有光線追蹤和次表面反射技術之上又完成了質的突破。

3 三維毛發表現技術的新階段

建立在計算機圖形學、數學、物理學基礎上的三維毛發技術依托于現代數字藝術的綜合學科背景，是從體塊化的造型處理到照相寫實主義的現實再現。三維技術是繼照相術、攝影之后又一次制造完全擬真圖像的歷史創造者，更是文明史上從未有過的、完全“憑空”創造高度擬真景象的技術革命。隨著圖像技術往沉浸式、佩戴式、感官式的趨勢縱深發展，“擬像”與“真實”的混合正在逐漸成為當下及未來的客觀世界圖景，而虛擬化的角色也逐漸轉化為一種有著真實價值和意義的客觀存在。在賽博世界與現實世界雙棲的大語境下，虛擬角色既是每個現實個體在數字世界行走與表達的化身，也是現實人群用于再造自我的重要媒介，更是現實人群用于強化自我認同的真實載體。因此，圖像信息受眾對于CG“質感”無限的需求成為三維技術開發者、CG藝術創作者不斷探索新技術的動力：從4K畫面到8K畫面、從移動網絡的4G到5G……后工業時代的人們的閱讀方式已經由想象真實、模擬真實發展為生產真實、重構真實。

伴隨著數字引擎技術的飛速發展，實時的毛發動力學及GPU渲染技術也已漸趨成熟。2019年，在上海舉行的Epic Games年度行業盛會上，AMD游戲圖形專家發表了《UE4中新一代真實感毛發渲染》的主題技術演講，GPU加速下的細粒度毛發渲染方案包括物理加速與高質量即時渲染，集成化的工具包可以為創作者提供更為友好的使用體驗，并呈現出高質量的圖像結果。在實時渲染逐漸強盛，部分替代離線渲染流程的今天，由皮克斯動畫所創立的獨立結算制作流程也將迎來游戲物理引擎的技術挑戰。技術歷史的每一次迭代更新都源自創作者對于視覺世界的好奇心，也必將推動視覺藝術的發展重構。

參考文獻：

[1] Anne Neumann . Ratatouille Edit Bay Visit！[DB/OL]. https：//www.comingsoon.net/movies/features/19939-ratatouille-edit-bay-visit，2007-04-25.

[2] 鄧強.三維動畫藝術創作維度研究[D].西安美術學院，2019：43.

作者簡介：薛峰（1978—），男，江蘇如皋人，博士，教授，研究方向：動畫和數字媒體藝術。