人臉老化與逆齡技術在電影特效制作中的應用淺析

莫惠中 趙建軍

(1.北京電影學院中國電影高新技術研究院,北京 100088)

(2.北京電影學院影視技術系,北京 100088)

在電影創作中,如果故事情節發生在一段大跨度的時間內,如何在銀幕上真實地呈現演員在不同年齡之間面容、身材等外形的變化,一直是影視制作中的一大挑戰。通過特效化妝、使用替身演員或年輕演員來出演等方法曾經是許多創作者的選擇,但效果不盡如人意。隨著計算機圖形學、計算機視覺技術越來越多應用于影視工業中,近年來有越來越多真實而生動的老化和逆齡角色出現在觀眾視野中,CGI背景下數字人臉老化與逆齡技術開始成為電影創作的一種新選擇。

老化、逆齡這類技術即為逆轉角色外形年齡的一種視覺效果技術,目前其呈現的效果主要分為兩種:一種是老齡化 (Aging),即讓演員在銀幕上提前蒼老;另一種是逆齡 (De-aging),即讓演員在銀幕中重返年輕。這種技術早在上個世紀30年代的電影創作中便已經開始出現,隨著電影工業從膠片到數字的跨步,實現角色隨年齡變化呈現人臉外觀老化和逆齡的方法也在不斷地交迭發展。

1 特效化妝下的人臉老化與逆齡技術

通過老化或逆齡的特效化妝來實現人臉圖像隨著年齡變化而呈現老化或逆齡的方法是其中最早、最為傳統的一種。

早在1925年的默片 《本·休爾:基督的故事》(Ben-Hur:A Tale of the Christ,1925)中,美國的攝影師卡爾·斯特勞斯 (Karl Struss)便嘗試開發了一種在膠片上表現臉部變化的技術,他用紅色的化妝品在角色面部繪制皺紋、凹陷等老齡化特征,再通過在攝影機上添加紅色濾鏡的方法來過濾這些特征,從而實現角色的逆齡變化,如圖1 (a)所示。另外,在影片 《杰基爾醫生和海德先生》(Dr.Jekyll and My.Hyde,1931)中,斯特勞斯也利用紅色和綠色的化妝品以及紅色和綠色的濾鏡來實現角色變臉的效果,如圖1 (b)所示。

圖1 《本·休爾:基督的故事》和 《杰基爾醫生和海德先生》中的逆齡 (a)與老化 (b)效果

這種技術方法簡單,且能較好地呈現一定的人臉外觀變換效果,但由于受到色彩的限制,它最終也只能使用于黑白電影之中。

圖2 《終結者2》中莎拉·康納的老化效果前后對比

與此同時,從梅里愛電影中月球的形象塑造開始便呈蓬勃發展之勢的特效化妝技術頻繁出現在觀眾的視野中,成為了20世紀電影特效制作中實現角色視覺年齡變換的主要方法。影片 《終結者2》(Terminator2,1991)中所呈現的莎拉· 康納(Linda Hamilton)的人臉老化效果如圖2所示。

特效化妝藝術家們往往會根據演員的五官形狀、皮膚細節等特征在演員面部制作人臉硅膠模型,再通過雕刻、繪制來添加或減少面部模型上的溝壑、細紋等年齡特征,從而實現角色面部的老化或逆齡調整。

通過特效化妝來實現人臉老化與逆齡的方法雖然至今還在發展和被使用,但從上個世紀影片中所呈現的效果來看,大多數角色在表演時因帶著厚重的妝容而導致面部動作不夠生動、真實而時常被觀眾所詬病。

2 數字化人臉老化與逆齡技術

伴隨著互聯網技術和計算機相關軟硬件技術的發展,CG (Computer Graphics)技術在影視特效制作領域的應用日益豐滿,電影中角色的老化和逆齡也不再僅僅依靠特效化妝來實現。

圖3 《X 戰警:最后的勝利》中兩位主角的逆齡效果前后對比

進入21世紀初期,視效公司Lola VFX 通過逐幀進行皺紋消除、面部調整的方法在影片《X 戰警:最后的勝利》 (X-Men:The Last Stand,2006)中完成了多個運動畫面中兩位主角的逆齡化,這是首部通過CGI(Computer-Generated Imagery,計算機生成動畫)技術實現逆齡效果的影片,影片中角色逆齡效果如圖3所示。

因需要逐幀對人臉外觀進行處理,導致影片整體的特效制作周期較長,而從最終所呈現的效果來看,重返年輕的演員面部還不夠逼真可信,尤其在角色對話時面部表情動作僵硬而不自然,影迷們在驚嘆技術發展的同時似乎還是對這個逆齡效果不太滿意。

與此同時,數字動作捕捉技術在CGI產業中的應用逐漸成熟,數字化的人臉老化與逆齡技術也借此而開始進一步發展,在多次探索后終于迎來了第一個巨大突破。

2.1 《本杰明·巴頓奇事》:里程碑式的突破

斬獲奧斯卡最佳視覺效果的影片 《本杰明·巴頓奇事》 (The Curious Case of Benjamin Button,2008)講述了由布拉德·皮特飾演的本杰明·巴頓從耄耋老人逐漸變為嬰幼兒的一生。

在制作過程中,數字領域(Digital Domain)團隊使用了突破性的Mova Contour拍攝系統,通過在一個光封閉的房間內設置兩個陣列的攝像頭進行同步拍攝,并在布拉德面部使用熒光化妝來代替動作捕捉標記以便同時記錄下他在多種表情下面部外觀、形狀的變化,從而創建得到一個專屬于布拉德的三維面部表情數據庫,如圖4 (a)所示。

圖4 《本杰明·巴頓奇事》中人臉老化效果的制作過程圖

為了創造不同年齡段的布拉德的臉,制作團隊分別創建本杰明處于不同年齡段的多個高分辨率三維頭部數字模型,并合成到帶有動作捕捉標記點的替身演員頭部,如圖4 (b)所示。再通過三維面部表情數據庫中布拉德的表情數據來驅動本杰明的頭部模型,最終合成得到不同年齡下的本杰明·巴頓,如圖4 (c)所示。

這部影片所呈現的人臉老化效果真實而生動,是人臉老化技術發展歷史上的一座里程碑式的作品,而其制作思路和方法也為今后這類技術的研究提供了更多方向。

2.2 以動作捕捉技術為支撐的數字人臉老化與逆齡

在計算機科學技術高速發展的當下,電影工業開始逐步踏入高精尖的新技術時代,而人臉老化與逆齡技術也再一次迎來了新的發展,近幾年更是出現了不少大量使用這類技術的影片,如 《銀翼殺手2049》(Blade Runner 2049,2017)、《王牌特工2》(Kingsman:The Golden Circle,2017)、漫威系列電影等。

就目前而言,數字人臉老化與逆齡技術已經穩定發展,它以基于標記點的動作捕捉技術作為主要支撐,結合二維合成、創建數字替身和AI計算等方式來實現角色的老化與逆齡。

多次操刀漫威系列電影、素有“數字整容室”之稱的Lola VFX 對演員的表演特征和表情動作進行捕捉后,再通過數字合成技術對畫面中角色進行外形分析、調整的方式實現角色的逆齡和老化。在創造《驚奇隊長》 (Captain Marvel,2018)中的薩繆爾·杰克遜、《復仇者聯盟4:終局之戰》(Avengers:End Game,2019)里的小羅伯特·唐尼等角色的“逆齡”形象時,Lola VFX 需要對演員本人年輕時的影像資料進行大量分析,以保證更逼真地呈現角色年輕時的且符合觀眾印象的模樣。

又如影片 《雙子殺手》 (Gemini Man,2019)中所展現的年輕克隆版威爾·史密斯 (Will Smith)則是維塔數碼(Weta Digital)通過拍攝掃描、制作合成得到年輕版角色的三維數字替身模型后,再對貼有捕捉點的演員進行面部和動作捕捉來確定表演時演員的表情和動作走向數據,并由這些數據來驅動角色的數字替身模型而最終合成得到的。

值得一提的是,近年來以人臉逆齡效果驚艷眾人的影片《愛爾蘭人》 (The Irishman,2019),其所運用的逆齡技術與當前主流的方法是十分相似卻又截然不同的。

它在制作過程中舍去了主流的基于標記點的動作捕捉技術,而是通過軟件系統對畫面的光照和紋理進行解析來直接捕捉演員的面部表情,因此演員在拍攝時不需要佩戴任何的標記點和捕捉裝置,可以更自然地進行表演。這部作品的呈現在一定程度上將現今的人臉老化與逆齡技術推上了一個新的臺階。

3 逆齡技術的新突破——基于光照和紋理的無標記點面部捕捉

《愛爾蘭人》是由馬丁·斯科塞斯導演的一部電影,集結三大影帝羅伯特·德尼羅、阿爾·帕奇諾和喬·佩西共同主演,向觀眾講述了美國歷史上最大懸案之一的工會領袖吉米·霍法失蹤案的故事,影片情節的年份跨度長達51年,德尼羅飾演的殺手更是展現了其在24、36、41、42、47、55和76歲等多個年齡時期的樣貌轉變。要知道三位主演的實際年齡都要比角色大得多,甚至都難以通過特效化妝來扮演角色年輕時期的樣子,因此想要更真實地呈現這段歷史情節,創造出精致的逆齡化角色,對于導演和制作團隊來說無疑是個巨大的挑戰。

影片中全部的逆齡角色制作均由工業光魔(ILM)完成,在整個制作流程中,他們主要面臨兩個方面的技術難題:

一是導演斯科塞斯要求逆齡的效果是對故事角色進行去老齡化,來獲得不同年齡段的角色,而不單是根據演員們年輕時的樣貌來重新創造一些年輕版本的演員,對于制作團隊來說,這不僅需要結合故事本身來進行角色外形創作,還要去感知演員們在表演時的面部表達以及每一個表情下其肌肉和骨骼的狀態;

二是主演們為了能更自然地進行表演,要求在表演時不使用任何跟蹤點、頭部裝置及任何限制表演的捕捉技術裝置,這意味著在拍攝時無法使用動作捕捉裝置來獲得表演時演員的面部表情和動作數據。

為此,工業光魔建立了一套由兩個模塊組成的新制作流程:“三頭怪”拍攝裝置和軟件系統Flux。

3.1 “三頭怪”拍攝裝置

“三頭怪”拍攝裝置由三臺攝影機組成,主攝影機RED Helium 放在中央,并在其兩側各安裝了一臺裝有紅外濾鏡的ARRI迷你記錄攝影機,以此來獲取多個角度下的演員面部的信息和均勻無陰影的面部特寫鏡頭。

在拍攝過程中,一般會有兩套拍攝裝置共六臺攝像機,演員前后各放置一套用于拍攝他們的耳朵或者側臉的光線以及對手演員的臨場反應,由此能夠全面完整的捕捉到所有拍攝細節,在一定程度上避免了補拍或重拍的問題,如圖5 (a)所示。

圖5 “三頭怪”拍攝裝置及其拍攝畫面中的RGB和紅外信息

“三頭怪”拍攝得到包含中央攝影機的RGB 信息和兩側記錄攝影機的紅外信息,如圖5 (b)所示,再將這些數據傳送到Flux軟件系統中進行處理,用于數字替身模型的合成添加。

3.2 Flux:基于光照和紋理的無標記點面部捕捉

Flux系統根據RGB 和紅外信息來計算畫面中的光照和紋理,并將網格劃分后的畫面進行逐幀網格變形,以此來擬合演員的面部表情,得到演員面部的網格形狀,如圖6 (a);然后從該演員的數字替身資產庫中檢索網格形狀對應的表情基,以此得到角色的面部三維模型。

這里的數字替身人臉資產庫使用了迪士尼的Medusa系統創建,即演員在攝影機前進行多種表情的面部表演,系統同時捕捉演員從細微表情到夸張表演范圍內的數百個表情狀態,并通過Light Stage來獲取皮膚、紋理和毛孔等細節特征,以此創建資產模型。在這里,制作團隊還需對這些資產模型按照不同年齡要求進行外觀的修調,最終獲得符合要求的三維人臉模型來作為該演員的數字替身資產庫。

Flux系統得到畫面的光照和紋理數據后,將根據這些數據對演員面部細節進行解析,除了獲得演員面部陰影、光照等信息外,同時還需要捕捉更多的細微動作(如嘴角的絲絲抽動、微微皺起的鼻子等)來添加更多的面部細節,如圖6 (b),影片中人臉的最終合成效果如圖6 (c)所示。

圖6 在Flux系統根據畫面光照和紋理來創建角色數字模型

圖7 Flux系統將生成的年輕版角色模型與演員實際年齡所創建的面部模型進行比較

為了讓生成的年輕版角色模型面部更加真實,制作團隊還需在后續的模型重新校準環節中,把控角色在不同年齡時面部毛孔狀態、皮膚的透光性、臉上的斑點和痣的變化等細節效果的調整。他們不僅需要根據不同的年齡特征對模型外觀逐幀進行修改、調整,還需要將該年輕版模型與根據演員實際年齡所創建的面部模型進行比較,如圖7所示。

為了呈現更符合觀眾印象的演員面孔,制作團隊在兩年的時間內利用數千張演員在其演藝生涯各個階段的電影截圖建立了一個人工智能面孔搜索器Face Finder,如圖8所示。

在渲染出41歲的角色模型后,便可以通過這個程序在數據庫中找到與角色年齡接近的演員42歲時的真實參考資料,若演員有動作或攝影機在移動,該程序也能找出相同燈光、角度和旋轉方式的參考。制作團隊可以根據找到的參考對模型進行修調,在畫面中生成更合理的角色數字替身模型。

圖8 根據角色所處年紀在智能數據庫中匹配演員在同年齡段的畫面做參考

圖9 系統基本流程圖

圖9為該逆齡效果制作系統的基本流程。顯然,這套制作流程中舍去了基于標記點的動作捕捉技術來獲得角色的動作信息,而是通過軟件解析場景內容來捕捉角色動態并以此創建、合成數字替身。軟件Flux作為這套流程的最大突破點,它的工作原理不同于以往普通面部幾何體及其變形的方式,而是通過形狀數據庫直接進行合成,沒有涉及任何動畫中關鍵幀設置和調節的過程,也不需要任何面部標定系統,它的關鍵核心在于對場景照明和紋理的解析。

其實單就 《愛爾蘭人》中所呈現效果來看,演技高超的影帝與號稱完美的逆齡技術搭檔出來的效果其實還并不盡如人意,這主要反映在影片中人設和演出效果出現的違和感。他們所使用的逆齡技術雖然可以抹去演員額頭的皺紋,但是卻無法抹去他們眼里的滄桑和蹣跚的步履。三位主演都已是耄耋之年,影片中佝僂的身形很容易將演員的真實年齡出賣,也許用替身演員或年輕演員的方式未必比親身上陣的效果更差,但盡管如此制作方還是堅持讓老演員們親自出演,也許這同樣是觀眾對于經典重現的期待。

4 人臉老化與逆齡技術在當前電影特效制作中的應用啟示

如今,在制片廠、導演和影視平臺的共同推動下,觀眾們開始看到越來越多熟知的面孔年輕了二三十歲后再次出現在銀幕上,他們的魅力似乎超越了時間,永恒地凝固在電影之中。

使用基于無標記點的動作捕捉技術來解放演員在表演時的束縛、直接對畫面進行深度地分析和處理以更便捷地獲得貼合演員的三維人臉模型等技術的出現,意味著在人工智能的大時代背景下,人臉外觀的老化與逆齡技術在電影特效制作領域的應用已然走入一個新的時期,針對影視制作的智能化系統的技術研究也將成為一股新的開拓熱潮,隨著游戲與電影之間的界限逐漸模糊,虛擬制作與虛擬現實技術的進一步成長,在電影創作中更精致、真實的角色面部的老化與逆齡效果也將有更多的實現方式。?