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皮克斯工作室动画短片技术解析
发布时间：2018-11-17 19:57:24
皮克斯工作室的动画短片制作传统上是充当新兴人才和新技术的一个测试平台。比如说电影《棋逢敌手》中的主人公格里，他是皮克斯使用公司的新曲面细分技术创建的第一个人物角色。皮克斯的三部最新短片《跳跳羊》、《光杆乐队》和《绑架课》向我们展示各式各样的RenderMan渲染器技术。
动画短片《跳跳羊》
《跳跳羊》这部短片是根据肥沃的草原环境和一些奇怪的毛茸茸的动画人物角色设计制作的。对皮克斯的挑战是，在之前制作的电影中使用的现有技术（比如毛皮和深影）与新技术（环境光遮蔽）相结合，现开始以他们自己的方式进入渲染器软件和无处不在的pipelines教程并为它们所用。
毛茸茸的羊毛
短片《跳跳羊》的主角是一只身上长满闪闪发光羊毛的小羊羔，由于它闪闪发光的白色羊毛这一特征需要做特殊的毛发处理。标准的毛发材质阴影技术要么制作出柔软且毛茸茸的毛发，要么制作出坚硬如金属丝般的毛发，这取决于RiCurve图素边缘的硬度。这个小羊羔羊毛的实际样子让人难以捉摸，但是最后会以一个简单的毛发软硬适中的混合材质示人。对于小羊羔和其他动画角色毛发上的阴影，是使用RenderMan渲染器技术制作的。
动画制作元素
短片中另外一个有趣的特效挑战是由元素引入的：水和雪。雨水向我们展示了特效渲染器技术的一些应用。首先，当这只小羊羔凝视水坑的时候，我们可以看到水面上的同心环和涟漪。这个着色程序是在之前的作品《海底总动员》中的重复使用并以同样的方式出现于Raindrops on Glass的操作方式：曲面与置换贴图着色程序共同产生同心环形状。
潮湿的地面也提供重复使用最老形式的RenderMan渲染器进行虚拟渲染的机会：反射贴图。对在一场暴雨间突然出现的土拔鼠进行反射贴图渲染，反射相机被设置成对土拔鼠的预通道进行渲染。这些图象被转换成纹理贴图，然后在最终的渲染通道期间作为反射贴图映射到地面上。这是一个使用已久的但也是节省许多昂贵光线追踪的技巧。
关于地面上的积雪也存在一些问题，即：如何制作出这些积雪以及踩在这些积雪上面会怎样。对于微不足道的人类处理非常复杂的积雪建模来说，积雪的建模是一个组合效应，然而需要使用程序化的几何体覆盖这些灌木丛（下面将有更多的描述）。雪地里的脚印是使用那些出现于雪中脚印类似的方法创建的。在地上安装一部重影拍摄相机用于记录Z-深度通道，然后用于代替向下飘落的积雪曲面。结果得到的是脚底下松软的积雪。
地面和蒿属植物
短片《跳跳羊》中最后一个有趣的复杂点来自地面本身。如何制作一个连续不断的纹理结构，（几乎）相机所能涵盖的极大接地层？此外，假设你能做到这一点，如何使用大量独特的不会减弱渲染次数的灌木丛植物来填充这个纹理结构画面？首先，接地层问题可以使用程序贴图纹理和手工绘制的低分辨率贴图相结合的方式解决。这种利用强大的‘WHAT与WHERE相对’的方法---程序贴图纹理决定WHAT，纹理贴图决定WHERE。这种方法是将无限制的程序贴图纹理的分辨率与手工绘制贴图相结合。
填充地平面的程序化几何体被用于创建大量灌丛植被。灌丛植被的位置是用简单的决定最终灌木丛植物数量的代理图形规定的。自动生成多重分辨率的灌丛植被进一步减少来自相机拍摄的灌丛复杂度。
有趣的是，动画短片《跳跳羊》是皮克斯首次使用环境光遮蔽。它是用于将光线充足的环境光线补充或是改善到部分光线减弱的区域。在程序化参数物体灌丛植被这种情况下，光线追踪灌丛植被的完整分辨率对于所添加的很小数量，代价应该不会太大。因此，最后，只有代理图形被用于灌丛植被软接触阴影部分的闭塞环境计算。
短片《光杆乐队》
短片《光杆乐队》是继《超人特工队》风格化画面后代表一个完全荫蔽环境的恢复。对于电影《超人特工队》来说，它是摒弃这种方式的一个格式上的决策，但是短片《光杆乐队》重新利用了地面，在短片中为目标对象创建了数百个独特画面。一个拥有15个TDs和10个动画师的相对较小的工作团队为了这部短片着手工作了10个月之久。
这部短片完全使用Slim进行着色处理，使所有的画面开发与Slim模版合为一体为的是保持画面的一致性及易于重复使用。其中第一个着色处理的挑战是为地平面特写镜头提供一个足够高的分辨率。然后对一个巨大的纹理贴图进行测试，但即便是分辨率很荒谬，还是不能为特写镜头提供充分的详细图片。一个类似的程序化与图像映射相结合的方法被用于摆脱贴图分辨率的局限性。地面上的大部分精美贴图来自程序化的贴图着色器。
短片《绑架课》
《绑架课》是皮克斯工作室新出的最新动画短片。短片中最出色的一个特效是关于主角Mr.B的半透明效果。这种类似于果冻材质的子面散射需要修改标准方法用于计算子面散射——辐照度是如何计算的。对于传统意义上的曲面，辐照度是一个物体的曲面上入射光的总和（比如，所有光源的总和）。
为了呈现一个更像果冻状的外观，每个辐射度样品被变更为曲面内部顺着光线运行的光照总和。因此对于曲面上的每个点，运行到物体上一定的步长并计算每个光照在那个点的辐照度。然后，记下每一步的辐照度并通过基于光照范围的一些指数因子使其减弱（比尔郎伯定律）——从光照到物体上的样本点，以及从物体外的样本点到相机。
辐照度结果被存入原始曲面点，之后标准的子面散射扩散计算从那里接收（ptfilter）。特效的花费听起来代价很大，但是主角Mr B的动画网格很平滑且缺少高频细节画面，因此使用了一个适中的512*512像素的辐照度通道。最后出现一个非物理的、类似于果冻状的子面散射输出这样一个结果。许多附加的输出（气泡层、masks美化插件、曲面上的点面向相机的角度等等）经过在Shake图像合成处理软件中进行渲染和合成产生主角Mr B的最终形象。
光线行进累计辐照度
手臂mask
凝胶效果
气泡层
头部mask
OCC
剪影
皮肤
合成
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