相芯科技觀察 ：一文讀懂《阿麗塔》背后的CG技術

什么是CG技術?

以前，人們或許會說是“Avatar”;如今，人們也許會改口說是“Alita”了。

但不論是Avatar還是Alita，都只是CG技術的一種呈現(xiàn)。關于CG(Computer Graphics)，如果簡單來理解地話，其實就是通過計算機把虛擬世界在屏幕中展現(xiàn)出來的過程。

至于如果建造虛擬世界，我們就要先來看一個方程式：

看得懂的人，請給自己點個贊;看不懂的人，也沒關系。因為只要換張圖，你們也都懂了。

這個與初中物理“光的折射”看著很神似的圖，就包含了CG技術的萬千世界。

從現(xiàn)實到虛擬

建設一個虛擬世界，需要一個參照系，也就是真實世界。比如，現(xiàn)實中的皮球是圓形的，那虛擬世界中的皮球也應該是圓形的，而不是方形的。

但形狀只是其中之一，現(xiàn)實中，物體的呈現(xiàn)還與環(huán)境光息息相關。不同的光打到同一物體上，人眼看到的物體形狀可能就是不一樣的。

將虛擬世界中的人、物體等，在計算機中建造出來的過程，就是CG技術的第一個重點——建模。

建模，說起來也簡單，跟米開朗基羅雕大衛(wèi)像差不多。不同的是，整個過程被放在了計算機中進行，而雕琢具體模型時，人需要通過計算機去一點一點地調(diào)。

要想讓虛擬物體更接近真實物體，就需要有更多的原始素材。一開始，建模師是用一組相機全方位地拍物體，盡可能地了解光照下物體的各種細節(jié)，包括紋理、凹凸、幾何形狀等。

物體尚且如此，更不用說人了。以阿麗塔為例，僅臉部就包含肌膚紋理、肌膚表層、汗毛、油脂、頭發(fā)等數(shù)不清的細節(jié)。這些單靠相機拍照去收集數(shù)據(jù)，可謂難上加難。一方面，因為相機本身的性能(分辨率、清晰度等)還有待提升，另一方面，相機只能收集二維數(shù)據(jù)，而重建人，需要更多三維數(shù)據(jù)。

于是乎，我們會發(fā)現(xiàn)，早期的電影CG特效中，“人”一看就是假的。

　　(電影史上第一個電腦生成的角色“彩色玻璃人”)

既然問題很明確，那就要解決唄。于是，三維掃描技術誕生了。依托三維掃描，人的各類信息可以被更好地獲取，建模的第一道坎算是跨過去了。

不過，這時候建好的模型還是白模——完全不帶紋理、汗毛、油脂等細節(jié)一個模型。有人是不是要說，這辛苦了半天，啥進展也沒有啊?

別急，接下來就是CG技術的第二個重點——渲染，露臉了。渲染，就是求解上述方程式的過程。這與現(xiàn)實中的畫畫差不多，就是把人臉的各種細節(jié)給畫上去。不同的是，畫畫是可以寫意的，但渲染是要寫實的。

細到一個毛孔不像，模型也只是模型，跟“真人”半毛錢關系也沒有。這也是為什么阿麗塔會如此受大眾歡迎，因為她突破了“恐怖谷效應”，成為了影史上第一個CGI 與真人結合的類人角色。

但渲染的水，其實很深。光線不同，人呈現(xiàn)出來的信息就不同;拍攝的角度不同，人呈現(xiàn)出來的信息也會不同;人在劇烈運動中，所呈現(xiàn)出來的信息和靜止時也會不同……而要把這些不同全部綜合起來，就需要靠算法。

目前來看，算法越先進，模型與真人也越像。不過，前提是收集到的信息足夠多且是準確的，如果信息不準確，那結果可能就是相反的。

從虛擬到現(xiàn)實

真人模型建好了，也渲染好了，接下來就是CG技術第三個重點——動畫，登場了。

說來也神奇，相比建模與渲染，動畫反而是最早被大眾所熟悉的。這，大概就要歸功于我們從小耳濡目染的動畫片了。不過，當時的動畫其實是二維的，由原畫師一幀一幀地畫出來并組合到一起而成的。

雖然現(xiàn)在也有了三維動畫，但與真人動畫仍是不可比擬的。其中，一個最大的不同點就來源于動作捕捉設備。真人動畫，是由真人穿上動作捕捉設備進行表演，并由設備設置不同的特征點，實時記錄人動作的相關數(shù)據(jù)。

同時，現(xiàn)場還會有一組攝像機拍攝下真人表演的不同角度，記錄各種細節(jié)。最后將所有信息都上傳至計算機，借助編程或動畫制作軟件來生成一系列人物動畫。

上面也談到，模型與真人越像的前提是收集到的信息越多、越準確。這也意味著，動捕設備必須完全貼合人的形體，并精準地捕捉到人的所有動作細節(jié)。被CG技術掩蓋了很久的硬件設備，終于C位出道了。

動捕設備的出現(xiàn)，極大充實了CG人物動作庫，為電影拍攝需要大量人物出現(xiàn)的宏大場景，節(jié)省了巨大成本。且隨著這一設備不斷普及和升級，相應的數(shù)據(jù)量也呈幾何倍增長，為建模、渲染的進一步優(yōu)化打下了更為扎實的基礎。

但這些在人臉面前，則顯得稍微有點小兒科。人臉的微表情實在太多，比如皺眉一個動作，就牽扯到眉毛、眼睛、鼻子、嘴巴、面部，乃至毛孔、肌膚紋理等等。這次，《阿麗塔》對人臉面部細節(jié)的精準捕捉、重建和展現(xiàn)，就極大刷新了人們對CG技術極限的認知。

當然，這也要歸根于表演捕捉設備的不斷升級，達到了人眼識別的界限，讓3D模型真的像真人了。不過，這個像是有限度的，它除了受表演捕捉設備本身的影響外，還受到拍攝設備、演員表現(xiàn)等影響，更重要的是，還受到算法的影響。

算法的好壞，直接影響到計算力的好壞，影響到呈現(xiàn)出來畫面的精準度，也影響著動畫環(huán)節(jié)的連貫性。從這個層面來說，算法決定了一個虛擬人物的成敗，更進一步說，可能也決定了一部電影的成敗。

從現(xiàn)實到鏡像

算法與設備，是一母同胞。

早期，算法的落地大多是依托于CPU實現(xiàn)的。一臺電腦，大多也只有一個CPU。不過，隨著CG技術不斷被應用落地，采集的數(shù)據(jù)量也越來越大，要呈現(xiàn)出好的動畫效果，單靠CPU已顯得有點捉襟見肘了。

比如在《阿麗塔》中，要呈現(xiàn)一幀動畫，平均就需要花費100個小時來渲染。而整部電影下來，總計需要花費4.32億小時來進行渲染。這需要動用到最少3萬臺電腦。可以說，每一幀動畫都在瘋狂地燒錢，即便是在工業(yè)級操作已經(jīng)很溜的好萊塢，也是很難承受的。

但卡梅隆已經(jīng)將人們的審美拉到了這個高度，想要再下來，怕也是很難了。于是乎，GPU就隆重登場了。這個專門負責圖形處理的顯卡，曾因實時相應慢、穩(wěn)定性不夠等原因，不被重視了很長一段時間。不過，隨著虛擬世界與現(xiàn)實世界日益交融，GPU因運算速度快、計算能力強等特點，一躍成為了虛擬世界的“主角”。

2017年，中國造出了世界首臺超越早期經(jīng)典計算機的單光子量子計算機。2018年，英偉達發(fā)布了全球首款支持8K屏、實時光線追蹤的GPU。同年，一款擁有16顆Volta GPU、可提供高達2PFLOPS的深度學習計算能力的超級計算機也正式問世。

這些于電影界乃至普通大眾而言，無疑都是重大利好。量子計算機極大代表運算能力的提升，可減少渲染環(huán)節(jié)的計算機數(shù)量;8K屏代表信息收集將更加精準，數(shù)據(jù)的獲取將更高效;實時光線追蹤代表渲染可以耗時更短，超級計算機代表制作團隊可大量縮減。當技術的壁壘被一層一層攻克，CG技術也迎來了第四個重點——人機交互。

“阿麗塔”，正在走下影壇，走向普羅大眾。近年來，從首個AI虛擬主播絆愛到首個AI合成主播“邱浩”，再到今年央視春晚的虛擬主持人團隊、今年春節(jié)期間首次亮相的拜年“豬豬”，CG技術開始漸漸褪去“工業(yè)級”的面紗，顯露出“民用級”的真身。

目前，在工業(yè)級CG制作團隊之外，市場上已有了多家主打民用級CG技術的團隊。比如旨在為用戶打造PAI(個性化人工智能，即Personal AI)的人工智能初創(chuàng)公司ObEN，比如旨在讓每個人都擁有實時互動、智能、個性化的3D技術內(nèi)容提供商FaceUnity(杭州相芯科技有限公司)……它們的出現(xiàn)，讓CG技術從大屏走向了小屏，為人機互動創(chuàng)造出更多的應用場景。

《失控》作者凱文·凱利曾說，在網(wǎng)絡、社交媒體之后，我們正處于第三個平臺——鏡像世界的黎明，這個平臺將使世界其他的地方數(shù)字化。而在鏡像世界里，每樣東西都會有一個“孿生兄弟”，也就是“數(shù)字雙胞胎”。

盡管這個世界短期之內(nèi)或許不會馬上來到，但虛擬世界與現(xiàn)實世界的交融腳步卻不會停止，人們建造虛擬世界的熱情也不會停止。

阿麗塔之外，更多的阿麗塔正在大步走來。

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