皮克斯用AI 点燃元素之火

　　恒垚

　　《疯狂元素城》再次刷新动画制作难度皮克斯的最新动画《疯狂元素城》在暑期热播，导演是彼得·索恩。故事开始于一座巨大的元素城，城中主要居住了风、火、水、土四种自然元素的居民，故事情节围绕着火元素女孩小焰和水元素男孩阿波展开。

　　从电影的元素角色看到，这些虚拟人物被动画化是一个巨大的挑战。画一堆摇摇欲坠的有知觉的泥土是一回事，但如何在屏幕上捕捉火的飘逸状态，以及由水制成的身体该如何运作，都提出了更高的要求。

　　比如皮克斯的动画师认为影片中的火灾问题是一个真正的难题，特别是考虑到他们的电影主角之一——Ember（火元素女孩），实际上应该是由这种材料制成的。他们有工具可以从以前的动画中制作出火焰效果，但当你真正尝试将其塑造成角色时，结果不尽如人意。其实在动画或者科幻片中都曾经出现过火焰为主体的角色，比如吉卜力工作室的卡西法，以及尼古拉斯·凯奇的恶灵骑士，但这次的要求更高，因为需要主角有更生动的表情和状态。

　　视觉特效主管桑杰·巴克西认为：“火灾流体的模拟需要非常自然，要模仿接近于现实，专注于面部的表现非常重要。”但工作室创作的时候，在平衡火焰的活力与角色的形状和情感之间遇到了困难。皮克斯的技术主管保罗·坎纽克表示，乍一看，Ember 就像一个幽灵，甚至是一个恶魔：“如果纯用技术，太逼真就会看起来很可怕，就像你实际上有一个由真正的火焰制成的人物一样，我们需要符合角色的导向。”

　　皮克斯工作室制作Ember 以及其他元素的每个镜头都需要一个效果通道，这不仅非常耗时，而且非常昂贵。特效人员解读：“火在自然界是非常活跃的，但如果你放慢它的速度，它就会变成看起来像等离子体的东西，将它与其他拟人化的角色进行比较很有趣，因为它们都非常奇幻。”

　　机器学习助力皮克斯

　　皮克斯一直在努力寻找科技对于动画的改进，在动画精细程度上皮克斯的动画可以说是领航整个动画界，最开始对于毛发的处理，在《怪兽电力公司》里就得以呈现，直到2005 年的《料理鼠王》，影片里瑞米的毛发、林奎尼的小卷发和各种剧中人物不同的发型都是极富真实感的。还有各种厨房器材的质感，土豆袋掉到地板上的变形，都是皮克斯注重细节处理的产物，在皮克斯的电影里从不会因技术问题而有任何瑕疵。

　　技术主管坎纽克加入过计算机协会的Siggraph，这是一个致力于计算机图形学进步的社区组织。2016年左右，他发现了该小组的一些关于使用机器学习来磨练布料模拟的研究。2019 年左右，坎纽克看到在Siggraph Asia 发表的一篇论文，内容涉及使用神经风格迁移 (NST)（一种用于使照片看起来像抽象画的人工智能类型）在动画中移动体素（基本上是 3D 像素，带有体积），这些都是为了赋予角色一定的外观。

　　坎纽克认为 NST 可以帮助皮克斯解决火焰问题，尽管他告诉主管巴克西，这种投入像许多机器学习一样，成功的可能性只有50% 左右，但最后皮克斯工作室的研究获得了迪士尼的帮助。早前皮克斯曾在《玩具总动员 4》中与迪士尼研究工作室合作过，该工作室位于苏黎世，专门研究人工智能和机器学习如何做一些事情，比如让演员看起来更老或更年轻，或者如何最好地重现某人的皮肤质量。

　　“老实说，我们中的许多人直到机器学习开始流行，才开始接触人工智能，所以是在工作中不断学习。”坎纽克说，“而迪士尼工作室的研究成果是——他们一直生活在这些东西里，呼吸着这些东西。”由此看来，虽然迪士尼和皮克斯各自独立运作，但在技术支持上前者一点没有保留。

　　皮克斯开始定期与迪斯尼研究工作室团队会面，聘请了艺术家乔纳森·霍夫曼绘制了一组漩涡状、尖尖的、近乎卡通化的火焰，团队称之为“百合花”。NST 可以将它们与原始模拟中的水滴火焰结合起来，然后通过皮克斯的控制和风格来调节火焰的运动和强度，解决了动画片中的难点。

　　“一旦你将风格转移应用到自然主义火焰上，实际上就可以开始指导它的风格，并开始将艺术家的手带入一些原本无法触及的东西。”联合角色总监杰里米·塔尔伯特说：“在计算机上看到了Ember 特征的大小和形状，并可以用自己的风格来补充这些形状，这是人工智能带给我们真正的突破。’”

　　技术上的问题解决了，剩下的就就是算力问题，使用这种机器学习需要大量的数据。毕竟对《元素城》中所有 1600 个镜头进行完整渲染，是一项艰巨的任务，特别是该过程需要大量图形处理器。动画师们意识到，如果他们在一个元素上使用这项技术，他们就必须在其他火焰角色上使用它，以免出现偏差让观众吐槽。

　　后期制作的要求越来越高，工作人员开始通过利用皮克斯每个人计算机上的 GPU 进行部署，找到了一种虚拟化GPU 的方法，可在夜间使用一半的GPU算力，获得了20 倍的加速，并从而使渲染一帧的时间从大约五分钟缩短到一秒。最终，坎纽克和其他参与《元素城》制作的动画人员渲染出了他们想要的效果。

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