本文首發(fā)于極客電影，已獲得授權(quán)轉(zhuǎn)載

《阿麗塔：戰(zhàn)斗天使》是一部相當“炫技”的電影。帶著詹姆斯·卡梅隆“光環(huán)”，導演羅德里茲格聯(lián)手維塔工作室，給觀眾們展現(xiàn)出電影視覺幻術(shù)的最高技藝。

我看到幾個在電影特效技術(shù)上很“顯功力”的場景，想給大家一一拆解，讓你們也感受到我的震撼（有點“魔術(shù)揭秘”的意思）。帶著這些背景知識再看《阿麗塔》，你肯定會有不同的感觸。

張心欣

本文作者

簡介：加拿大 UBC 大學計算機科學博士，前皮克斯工程師，曾在維塔工作室參與《霍比特人3》等影片的特效算法研發(fā)，還曾任 Lytro 高級算法工程師；在北京電影學院高精尖未來影像創(chuàng)新中心，開發(fā)針對影視應(yīng)用的大規(guī)模并發(fā)式物理仿真程序。（微博/知乎 @張心欣）

細致到令人震驚的大眼睛

CGI 眼睛的渲染和制作非常困難，因為從眼球壁到血管膜到視網(wǎng)膜，每一層結(jié)構(gòu)都要制作和渲染。

人類的眼珠不是一個單純的球體，為了復現(xiàn)它復雜的光學表現(xiàn)，需要計算光線在其中復雜的光路運動。

另外， 眼珠內(nèi)部的幾何結(jié)構(gòu)也十分復雜，此次阿麗塔的眼珠特寫鏡頭運用到了 830 萬多邊形數(shù)量的幾何建模， 并使用自主研發(fā)的算法進行了復雜的光路追蹤。

“眼睛”是傳達情感、感染觀眾最重要的窗口。很多人看完電影都覺得，阿麗塔的“大眼睛”深深印在自己的腦海里、揮之不去，她從純真到成熟的變化都映射到眼神的變化上——看來這些努力沒白費。

看似簡單卻充滿炫耀感的 CG 毛衣

CGI 衣服里面最難制作的就是毛衣，因為毛衣的物理形變涉及到很復雜的微觀物理交互，除非仿真程序的模擬細致到了每一根線頭，否則無法仿真出真實的毛衣布料形態(tài)。

而阿麗塔恰恰就選擇在登場的時候穿了一件——毛衣。

這樣的 CG 毛衣市面上沒有現(xiàn)成軟件可以完成，應(yīng)該是維塔自己開發(fā)軟件制作的，筆者以為，這大約是維塔在炫耀他們領(lǐng)先的仿真程序（開玩笑啦）~

這個算法是魔鬼嗎？真的連每一根毛線都模擬啊1

“毛衣仿真技術(shù)”源自 2017 年由華人科學家蔣陳凡夫等人合作發(fā)表于 SIGGRAPH 2017 上的論文。

被水浸泡的頭發(fā)

長期以來，“毛發(fā)模擬”和“液體模擬”在電影特效真實感的營造中起著至關(guān)重要的作用。電影中有一處場景，阿麗塔縱深跳入水中，找到水底戰(zhàn)艦上的“狂戰(zhàn)士鎧甲”。

畫面中她的頭發(fā)因為浸泡在水中，發(fā)絲被打濕耷拉下來，呈現(xiàn)出從頭到腳濕漉漉的觀感。

這短短幾分鐘，逼真的模擬出了“頭發(fā)”和“液體”之間的相互作用，是相當有技術(shù)含量的。

毛發(fā)和液體之間的作用是一種跨越多個空間尺度的物理現(xiàn)象。當毛發(fā)完全浸沒在液體中時，它呈現(xiàn)為一種多孔介質(zhì)，而且可以對周圍液體流動產(chǎn)生拖曳效應(yīng)。

當把毛發(fā)從液體中提出來后，毛發(fā)上會粘連一定量的液體，這些液體會沿發(fā)束流動、并最終滴落。

同時，潮濕的毛發(fā)相互之間不僅會發(fā)生碰撞，而且表面液體也會產(chǎn)生液體橋，表面張力效應(yīng)會導致毛發(fā)凝聚成團塊。

對于這樣復雜的物理現(xiàn)象，設(shè)計出最合適的模型是關(guān)鍵。

通常來說，大塊液體可以用仿射粒子胞元法（Affine Particle-in-Cell）來模擬，而毛發(fā)可以用離散彈性棒（Discrete Elastic Rods）來建模。

為模擬毛發(fā)表面較薄的液體，我們在毛發(fā)表面再增加一個液體的高度場，同時用淺水方程來計算表面液體流動。

展示毛發(fā)內(nèi)液體僅為作對比，形態(tài)是不模擬的

在為頭發(fā)、大塊液體和薄層液體都建立了物理模型之后，通過引入碰撞和黏連模型，就可以模擬出濕毛發(fā)之間的內(nèi)聚現(xiàn)象。

同時通過計算水下毛發(fā)與它周圍流體之間的拖曳力，就可以生成毛發(fā)和液體互相拖曳的效果。

最后，再建立一組算法來模擬大塊液體被頭發(fā)捕獲成為薄層液體，以及薄層液體匯流、滴落成為大塊液體的過程。

此處貢獻者費云（Raymond）2

這樣，才能實現(xiàn)出最終《阿麗塔》電影里那種“濕頭發(fā)”的自然視效。

充滿技術(shù)含量的驚鴻一吻

有沒有被阿麗塔和男主角接吻的畫面感動到？我也是，但理由可能不大一樣：因為 CG 人物和真人接吻，在電影特效上真的很！難！搞！

接吻時需要調(diào)用面部的 146 塊肌肉（群），為真實再現(xiàn)接吻的動作，就有可能需要真實地再現(xiàn)這些肌群的運動；嘴唇肌肉是軟的，而里面的骨骼和肌肉卻較為硬，所以在仿真程序需要能夠處理這些不同的材質(zhì)的碰撞和形變。

接下來我要在技術(shù)上物理拆解“接吻”這件事，溫馨提示：圖可能有點驚悚...

下面是人類接吻的 X 光拍攝, 注意其中所展現(xiàn)的該行為的復雜度: 面部肌肉驅(qū)動剛體的骨骼和牙齒運動, 而柔軟地皮膚相互碰撞擠壓產(chǎn)生復雜的形變。

維塔的獨門絕技之一，從骨骼到肌肉到脂肪層、再到皮膚和毛發(fā)的有限元仿真程序，以制作出逼真的數(shù)字角色。

維塔的肌肉仿真工具從人猿星球的早期就開始研發(fā)，經(jīng)歷了多個制作的錘煉。

《阿麗塔》中的親吻鏡頭完成度之高，以致于它甩開了被認為是同級別制作水平的作品幾條街！

在技術(shù)上同樣被認為是世界頂級的皮克斯（迪士尼），接吻鏡頭也不敢做特寫，《阿麗塔》的接吻鏡頭，居然就敢做成特寫！

CG 人和真人的對手戲怎么演

表演捕捉本身是常規(guī)操作, CG 數(shù)字角色與實拍結(jié)合也也是常規(guī)操作。

然而能把這件事做到爐火純青之境界的, 特別的是能熟練地進行數(shù)字角色和真人高難度動作戲拍攝而絲毫看不出破綻的, 有很多常規(guī)中的不常規(guī)。

表演捕捉方面，維塔工作室歷經(jīng)了《指環(huán)王》系列、《猩球崛起》系列和《阿凡達》等多個項目的洗禮，積累下豐富的制作經(jīng)驗。

《猩球崛起3》動捕演員安迪·瑟克斯

在阿麗塔中，充滿了這樣的表演捕捉，其中數(shù)字角色單獨出現(xiàn)的表演捕捉制作難度并不是特別大， 更具有挑戰(zhàn)的是數(shù)字角色和真人會產(chǎn)生互動的表演捕捉。

在表演捕捉與真人結(jié)合的拍攝中， 同一場戲，即使一條過，也至少得拍兩遍。

第一遍：表演捕捉。實拍演員與捕捉演員一起表演一遍，目的是為了捕捉下捕捉演員與實拍角色互動的真實感。

阿麗塔動捕演員羅莎·薩拉查

第二遍：實拍演員獨自表演。此次拍攝又稱為“clean plate”，目的是為了得到?jīng)]有任何遮擋情況下實拍演員的畫面。

然后才能是合成。將表演捕捉得到的數(shù)字動作賦予數(shù)字角色后，再往 clean plate 上去合成，才得到了我們最終看到的畫面。

整個操作的原理不難，然而能使最后的畫面看起來毫無破綻，就有大量的制作經(jīng)驗與手段的千錘百煉，就好像魔術(shù)一般，即使知道了原理，也并不是每個人都能變的。

結(jié)語

最后想說，《阿麗塔：戰(zhàn)斗天使》是一部完成度高超的科幻電影，而用于制作以及完成它的畫面表現(xiàn)的科學技術(shù)和藝術(shù)家的技藝、其中物理學、數(shù)學、計算機科學的研發(fā)與制作緊密結(jié)合的思路， 對當前的中國影視制作能力來說，也可謂是很“科幻”了。

慶幸我們從《流浪地球》走出了第一步，更希望我們能從《阿麗塔》中看到我們前進的方向。

我不敢妄稱專家，我是一個極客，也是一個影視熱愛者，也是數(shù)字化影視制作的萬千研發(fā)和實踐者之一，以下僅從個人所熟悉之專業(yè)來提供一份觀點，希望能成為諸位極客影迷們看阿麗塔時的佐餐良菜。

1.《Anisotropic Elastoplasticity for Cloth, Knit and Hair Frictional Contact》

Chenfanfu Jiang, University of Pennsylvania & Jixie Effects inc.

Theodore Gast, University of California, Los Angeles & Jixie Effects inc.

Joseph Teran, University of California, Los Angeles & Jixie Effects inc.

2.《A Multi-Scale Model for Simulating Liquid-Hair Interactions》

Yun (Raymond) Fei and Henrique Teles Maia, Columbia University

Christopher Batty, University of Waterloo

Changxi Zheng and Eitan Grinspun, Columbia University

Source Code and Data Assets（GitHub）

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文/張心欣 來源/極客電影