《头脑特工队2》幕后制作技术

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随着高考、中考相继结束，清澈的大学生和同样清澈的小孩哥、小孩姐们也迎来期末考试，美好的暑假就这么开始了~

是谁羡慕了我不说，漫长暑假，电影院自然就成了大家打发闲暇时间的首选；那些老少皆宜的电影，也就成了首选中的首选。比如说→最近上映的《头脑特工队2》。

《头脑特工队2》，继续用动画科普心理学和脑科学，讲述步入青春期的主角莱莉脑海中迎来了新的复杂情绪。在她的大脑总部，一直以来配合默契的情绪小伙伴们，也因突然到来的新情绪变得不知所措，忙着进行一场为新情绪腾空间的大拆迁…

9年前的第一部惊艳了很多人，如今豆瓣还拥有8.8的高评分。第二部依旧精彩，首周末票房高达1.55亿美元，上映13天总票房就破了2亿大关。豆瓣评分8.4，近84%的人打了4星以上，口碑直追第一部。

当然，要说《头脑特工队2》,就不能只说电影本身，还要讲一讲它背后制作。比如…皮克斯动画工作室是如何用新技术重新定义“魔法”的。

渲染技术的变化

RIS与REYES渲染

第一部电影使用RenderMan的REYES模式渲染，情感角色由多种元素组成，以创造一种飘渺外观（包括发光的核心、漂浮的粒子、边缘体积和点状条纹）。 而在《头脑特工队2》中，皮克斯面临用新技术重现这些角色的挑战。

在使用RenderMan的REYES模式保持原有外观的同时，又不得不适应RenderMan更新的RIS路径追踪框架。他们在Houdini中重新实现了程序几何体，增强了检查、调试和动态行为。

团队使用RenderMan的REYES模式开发了原始外观（非常灵活，可以轻松实现非真实的视觉效果），但在RenderMan的新框架RIS中重现这些行为时，却遇到了挑战。

作为一个能量守恒模型，用RIS生成外观要比早期的REYES更困难：使用RIS，80%的工作都是渲染器提前完成，看起来很好，但如果你想做些调整，或者像《头脑特工队2》所需的打破其物理规则创造特殊效果，那最后剩下20%工作（创造独特的非真实效果），就会变得很难。

头发

Hair

情绪角色的头发由"点"而不是发丝组成。光线反应类似于头发，但会有变化来获得闪闪发光的效果。《头脑特工队》使用了RenderMan的"Kajiya-Kay"模型，但在新电影中，皮克斯将两个"Chiang"头发模型的实例与增加的漫反射和发射波瓣相结合。团队使用Houdini，并整合了MaterialX Lama系统，帮助艺术家打破能量守恒规则，以实现非写实的外观。

皮肤粒子

Skin Particles

情绪角色的皮肤具有脉冲粒子（pulsing particles）以产生纹理效果，皮克斯团队使用Hexport系统在Houdini预处理阶段生成这些皮肤粒子，用来实现复杂的粒子行为以及与头发和服装的动态交互。

由于需要使用新技术来重塑第一部电影中的经典角色，团队首先尝试加载旧版本的Maya软件，重新启用SLIM，通过回顾和研究旧的制作文件，来让新成员们了解第一部电影是如何制作的。“考古”工作为成员们提供了重要信息，帮助他们在新的创作环境中完美复刻前一部的角色。

体积光晕

Volumetric Glow

每个情绪角色都有代表其“生命力”的发光光环。这些自然又有活力的光环，是使用场体积和密度场来创建的。这种方法不仅制作效率高，还能很好地配合全局照明系统，保证了光环在不同帧之间的变化连贯性,不会出现闪烁或跳跃。

为了更方便创建这些光环，皮克斯开发了一个可以跨角色重复使用和编辑的系统，适用于所有角色，且几分钟内就能调整好一个角色的光环。

核心柔软度

Core Softness

角色乐乐的设计，需要一个半透明的边缘和一个实体的主体。最初是使用异类体积实现，新方法是在RIS中使用传统的细分曲面，在边缘附近设置不透明度逐渐降低来复刻这种效果。

团队最开始非常担心无法完全还原乐乐原来的外观，但角色的最终外观是由边缘外的体积发光效果、粒子效果等多个元素组合的结果，重要的是整体效果，而非单独元素的完全一致。只要整体效果达到了，细微的差异并不影响角色的最终呈现。

灯光

Lighting

由于《头脑特工队2》中情绪角色的独特设计，为了呈现他们明亮又引人注目的最终外观，着色和灯光部门之间需要格外密切的合作。一个单独的灯光装置控制角色在各种照明情景下的外观，来确保渲染的效率和一致性。

如何让角色在自身发光的情况下看起来像是'在场景中'，而不是与场景割裂开。例如，发起光来有点像一个灯泡的乐乐，如何塑造灯光让她感觉置身环境当中，并且能感受到场景主光源的光线？团队在这里引入了"发光暗化"（glow-darkening）的概念，通过调整发光效果，使角色能够显示出受到场景灯光影响的样子。

当角色相互接触或拥抱时，光线效果会变得更复杂。电影中有很多角色拥抱的情节，同样拿角色乐乐举例，乐乐会在一切物体上投射光芒，合成非常的复杂。当她发光的身体在身后环绕优优时，会有专门的控制项来引导光晕，帮助合成师得到想要的效果。整个合成工作在Nuke中完成，跟皮克斯其他电影相比，《头脑特工队2》的合成更复杂、工作量也更庞大，主要是为了实现一些不符合现实世界物理规律的视觉效果。

另一个技术挑战来自粒子，制作第一部时，原始团队使用了几何球体的粒子；但在新电影中，团队改用了面向相机的圆盘粒子。两部电影都使用了RiPoint物体（一种在3D渲染中用于创建点或粒子的基本单位），但RIS中的RiPoint物体略有不同。在尝试使用球体时，可能是由于微小球体之间的偏差，造成路径追踪次表面散射出现了问题，这时面向相机的圆盘粒子提供了更好的渲染效果。

当然，使用圆盘粒子也需要面临新的挑战：在轮廓上，圆盘总是面向相机，但对于光包裹、逆光等效果，则需要模拟表面以一定角度朝向相机。这时团队需要让渲染器在几何上保持圆盘面向相机，同时在光照计算时，使用指向不同方向的法线（表面朝向）。这种方法在某种程度上“欺骗”渲染器去忽视某些真实世界的物理规则，以实现理想的视觉效果。

而Renderman团队引以为傲的降噪器，在这时却成了《头脑特工队2》主创团队的小“阻碍”，因为许多情绪角色的视觉效果、粒子、闪光和火花可能会被系统当做噪点，在AI降噪的过程中剔除了，因此团队必须仔细管理Renderman管线的各个组件。

优化

Optimisation

着色团队的首要任务是匹配第一部电影的外观，同时也需要解决新的RIS渲染管线带来的渲染时间问题。以头发为例，因为要做阴影处理，最初渲染非常耗时，成本也很高。第一部电影中，团队使用阴影贴图，但在RIS中团队需要创建球体围绕圆盘来生成阴影，且透明度处理也很耗资源，因此不得不考虑优化以降低成本。

此外，每个情绪角色的着色方案都很相似，但又有着细微的不同。例如只有乐乐有拖尾粒子；在厌厌和优优上可以看到一种像是与皮肤融合在一起的，被称为软粒子的粒子；怒怒和怕怕使用的是“糖晶体”粒子（‘sugar crystals’），这些粒子更明显，更多的反射而非投射光；新角色的效果介于这三种着色方案之间，例如焦焦的外观更接近怕怕，使用了更多“糖晶体”效果。

团队通过解决渲染效率问题，优化着色技术，为不同角色开发独特的视觉效果，成功地在保持原作风格的同时，提升了新作的视觉质量。

头发模型和绑定

Wigs and Rigs

在《头脑特工队》系列电影中，每个人的情绪角色都会模仿主人的风格（如发型、眼镜配饰等），最重要的是要将原始角色的发型与他们的情绪角色相匹配。在2015年上映的第一部电影中，是通过一个内部开发的Maya插件，来适配情绪角色发型的。但艺术家需要手动设置标记点，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，生成粗略的结果，最后在Maya的工具（如晶格变形器）中进行细化。

自第一部电影以来，皮克斯重新设计了头发造型流程，将其整合到了Presto动画系统中，成为了核心组件。在新的Presto工作流程中，头发造型由头皮处的引导曲线层（layers of guide curves）组成。通过处理这些造型层和一系列非破坏性的操作，生成最终渲染的头发。

Presto的发型结构类似于变形绑定，并可直接访问角色的动画数据。新的Presto系统，可以为各种人类模型及其对应的多个情绪角色创建不同的发型和假发，允许在最少人工干预的情况下将发型转移到多个角色上，在《头脑特工队2》项目中，用这个系统制作了45个多样化头发造型资产。

绑定

Rigs

除了以上这些，绑定技术也有了明显改进，特别是手部和嘴部的绑定。

在《头脑特工队2》中，大多数角色都有传统的手型，即四根手指+一根拇指。皮克斯团队想要尽量避免像从前那样，从头开始为每个角色设计独特拓扑结构的绑定。为此他们使用了新的关节工具：曲线网络（curvenet）和轮廓移动器（Profile Mover），这些工具可以独立于形状或拓扑结构来变形细分曲面。皮克斯首次创建了一个完全关节化的手部曲线网格，作为可共享的绑定，方便为所有角色创建完全绑定的手部，而无需对几何体进行额外的绑定工作。

另一个挑战是制作焦焦富有表现力的嘴巴。焦焦是独特的角色，有一点类似布偶，因此需要设计一种能适应角色独特特征的绑定方案。为了让嘴部动画看起来生动形象，就需要一个能提供灵活且精确控制的，专门的嘴部绑定设置。

焦焦角色的绑定设计包括一个三层嘴角绑定，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的调整外部轮廓；其中唇部控制就有九个部分，可以创建波浪形状；唇部和头部的曲线网络设置，可帮助艺术家对面部形状进行详细控制。至于牙齿，曲线包裹在嘴唇周围，允许精确定位单独的牙齿控制。一系列解决方案，为动画师提供了灵活性和精确度，创造出生动的面部表情。

万万没想到，《头脑特工队2》幕后的技术这么精彩。

好啦，制作上的一些新技术咱就先讲到这里，小编已经有点迫不及待的想冲去电影院了。倒不是不想好好工作，我主要是想去学学如何做情绪的主人。

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