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干货：ILM的科学解决方案
发布时间：2018-11-17 19:57:24
作者 Ian Failes
翻译 雨夜湿嗒嗒
原文链接 http://www.fxguide.com/featured/ilms-scientific-solutions/
对于ILM-工业光魔 获得的科技奖项大家并不陌生,他是很多创新制作的艺术家和工程师们一直公认的享有盛誉的美国电影艺术与科学学院。工作室最近得到的的两个最新科技荣誉的来自于ILM的“ 基于GPU模拟系统和体积渲染的 Plume 和 Zeno 的应用程序框架”技术。fxguide让ILM的团队的核心成员来介绍这些内部视觉效果工具。
In full Plume （ 详细介绍Plume）
随着《最后的气宗》再2010年的发布，观众第一次目睹了ILM的Plume的威力。在这部影片中，导演M. Night Shyamalan在寻找一种细节与可操控性都具备的烟火效果解决方案。 因此ILM开发了一套以GUPs为基础的系统，它使艺术家事半功倍，能非常快速的将效果展示给导演，这个系统就是Plume。它可以调用GPU来模拟和渲染最终品质的体积渲染效果。这是今年公认的SciTechs技术成就奖。完整的颁奖词是”祝贺 Olivier Maury Ian Sachs 和Dan Piponi创造出这个为电影视觉效果模拟和渲染火、烟和爆炸的ILM Plume系统 。“
ILM的研发工程师奥利佛莫里告诉fxguide ，Plume和其他众多GPU渲染器不同的两个方面就是可以使用这一个工具完成模拟和渲染像烟、爆炸和火这样的效果。莫里说： ”艺术家使用Plume输入模拟参数并且调整他们，直到最终渲染。所以他们得到的就是用于最终合成的东西。“
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被授予技术成就奖的Plume
Plume源自于ILM仓促的面临需要反复进行巨量模拟的场景。莫里回忆“我们尝试在《哈利比特和混血王子》中运用GPU解决方案（Dumbledore 召唤火龙卷的场景）。但是我们为了完成它做的有点吃力，那是一个sliced-based解决方案，是一个2.5D的系统 -它不允许我们在火的周围自由的移动摄像机，但是导演拍了太多围绕这火的镜头。”
在《最后的气宗》刚开始的阶段，研究小组创建fully-3DEulerian 求解器进行模拟。莫里说：”相当与你需要构建GPUs。“这是和体积渲染器相关的，在刚开始的阶段，我们不是非常确定我们渲染出来的是什么样子 。但是很快，我们相当快速完成了那个模拟，渲染也相当的快速。实际上，大量的时间都花在了保存文件到磁盘上。所以我们摒弃了那个方案，因为我们将网格越设置越大。I/Otime慢慢出现了瓶颈。 我们摆脱了那个阶段,开始做直接渲染器。那真的是Plume的一个主要特点 - 艺术家可以直接从模拟到渲染而不需要借助别的工具对模拟进行可视化 。
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NVIDIA的官方宣传片中介绍了工业光魔在《最后的气宗》中使用他们的GPU卡
Plume使用内置的光线追踪渲染器处理火和烟.基本体和粒子将在ILM的Zeno软件（见下文）中生成.所使用的硬件是NVIDIA的GPU卡和 FX5800s.（在做《最后的气宗》的时候，ILM使用12-machine GPU-based作为渲染农场）现在这个农场已经有128个GPUs.
一般情况下,ILM的艺术家们初始解算时的分辨率为640x320x320,大约是六千五百万个体素块(voxels).Maury说,”不算是什么高精度的解算,但是足够用了,哪怕是今天，也在CPU解算之上,明明能够使用更高的分辨率,但是很多艺术家们还是都会使用这样的分辨率来解算,以便能够快速的进行交互解算。”
如今,由于艺术家们能够在他们个人工作站上或者是农场上使用GPU来进行解算,所以解算时的体素块(voxels)已经被增加到一亿八千万.“在刚开始的时候”Maury说道,“我们的艺术家们使用的工作站是带有一个本地GPU的,他们还有个GPU用来进行解算,这样就没必要通过服务器去进行解算(这里说的是,没必要去把解算任务发布到农场,直接本机搞定了).然后我们便能解算很多个的模拟.这时候问题来了。这样的农场,我们应该搞一个。如果我们拥有一个农场能够让你快速发布模拟任务,并且能够很快的解算交互完成.所以我们调节了下软件(ILM的获奖软件ObaQ,管理渲染序列的系统)以便发布任务读取任务的时间大大降低.简单来说就是,我们可以非常快速的发布一个任务,农场能够非常快速的去读取并且把任务分配到农场的GPU中。”
《变形金刚4:灭绝的时代》中的一个镜头
随着时间的推移，Plume只被运用在烟、火、尘埃、爆照效果，包括《复仇者联盟》《超级战舰》和即将到来的《变形金刚4:灭绝的时代》.有趣的是,尽管Plume是一个完整的流体解算器,但是LIM并不适用它来制作液体。莫里解释道：“这是一个烟雾系统，我们不能用Plume做Liquids液体计算 。时至今日，液体解算器也是基于FLIP解算。”
Plume将被继续开发，添加了支持深度通道的输出来帮助合成场景。 莫里指出 “产生的额外数据会增加计算时间，但是它会成为一个设置选项，允许用户可以输出这个通道。”
这个系统使艺术家们可以快速的进行反复模拟。莫里说 ：“现在人们更倾向于做许多小的模拟来代替巨量模拟。这就是我们能运用Plume来把非常多的模拟结合在一起的方法。”
艺术家们的看法：Zeno
今年的奥斯卡也承认另一个ILM的创新工具 –Zeno。 工作室从1997年就开始使用它，Zeno可能并不是大多是人都能认同的东西。但是在ILM的生产流水线上它可以同时满足2D和3D的视觉效果。 引用完整的技术成就奖题词 ”感谢 Florian Kainz,杰弗瑞约斯特,菲利普·哈伯德和吉姆胡里安 研发的Zeno的架构和开发应用程序框架。“
Zeno的开发为了使LIM的设计师们能介于专业和商业之间合作完成大量的效果以及数据交换。ILM的研发主管加里·菲利普斯说 ”允许设计师们合作以及他们之间来回交换数据一直是一个高效的工作流的关键部分。“他的名字并没有出现在科技成就奖的名单里，但是他是Zeno继续开发的核心人物。
Phillips说：”最重要的技巧，我们称之为‘shot files’,场景的图表元素.工程师们使用‘shot files’来建立网络用以计算、保存和操作数据。场景拼图代表了你的镜头里的所有信息以及硬盘上任一不同的文件，它可以让我们精确的找到哪些文件要被存储在特定文件里。“
戴维·琼斯是ILM使用Zeno制作的几个关键部分之一.这是一帧动画预览
最终镜头
随着视觉效果变得越来越复杂 – 包括真实的战斗场面、复杂的CG角色以及特效，Zeno允许ILM描绘许多同样复杂的场景。ILM的计算机图形学首席工程师费莱恩.凯恩斯说 ：你会有一个大体的想法，去做一些很大或者很小的随意的东西。你可以为一个生物建立动力学绑定，有皮肤模拟等等诸如此类。这个系统是可扩展的。Zero的限制是如何将工作拆分给各个小组或设计师。
1990年末期,ILM的一个名为MARS的相机跟踪系统抢先采用了Zeno的架构.(MARS也是一个获奖工具,科技成就奖).Zeno整合了的架构用来将解算器跟一些输出连接到一起.以及你可能需要的场景中的各种元素.例如几何体物体,坐标变换,相机,图像,2D元素,空间三维坐标.
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看团队获得他们的Zeno 科技奖项
Phillips解释道:”有两个层叠式的场景图表,在底层的级别下有些架构是用来定义我们所说的操作符的,就是这些个物体来计算数值,完成一个计算,并且提供输出的.差不多是跟maya的超视图是一个意思.但是Zeno还有一个更高级别的架构,另外一个专门为数据而创建的场景图表,我们称之为Oid.在这更高级别之下,有Oids,Oids连接着各种存在有效的关系.”
“你有一个相机,背景素材跟一个解算器”Phillips接着说道:”他们之间是存在联系的.如此一来,用户的数据,也就是Oids会为他们创建属性并且把他们连接到场景的其他部分.引擎会自行判断并且识别出哪些是场景中更高级别的构造里面的数据,他们是如何被链接到一起的以及他们如何被分布到各个文件里去的。”
影片《独行侠》，依靠Zeno和Plume制作的画面
尽管Zeno在大约1997年的时候就已经开发使用了，该工具在2005年的《世界大战》的视觉效果中发挥了巨大的作用。Phillips说“那是我们第一次摒弃旧的灯光系统，从始至终使用Zeno并且在RenderMan中渲染.”《加勒比海盗2:死人胸膛》和ILM戴维·琼斯都是Zeno非常好的展示.该系统现在已经更新到3.0版本，在制作2011年的《变形金刚3:月黑之时》时经历了一个主要界面上的革新。
内部工具被直接建立在Zeno的架构中，第三方插件也是其中很重要的一个系统. 举个例子，ILM现在使用于Foundry 的KATANA 照明工具,而不是先前的Lux 照明工具。至于贴图的绘制，则仅仅是通过Zeno处理，然后在MARI中绘制。（设计师们依然在使用Zeno的UV工具）
Phillips说，“你可以问问工业光魔的设计师和工程师们 ‘Zeno是什么’，你可能会得到不同的回答。也许这是一个完美的架构，一个可以结合多样化的工作小组和视觉效果专家共同创建工业光魔的世界级影像的交互式创建系统。”
除了Plume和Zeno FLUX和Voodoo也是令人尊敬的
上周六晚，在洛杉矶比佛利山庄饭店举办的2014年度科技成就奖上，为梦工厂开发FLUX气体模拟系统的罗纳德· D ·亨德森也是令人尊敬的人。亨德森使用快速傅里叶变换（FFT）解决偏微分方程式， 使梦工厂的FLUX系统可以使用多线程cpu来提高更高级别算法效率。这个创新之举,使得人们可以保证在短时间内创建出更高精度的流体特效,但与Plume使用GUP不同的是,它使用的是计算机的cpu.
亨德森和工业光魔团队在 SIGGRAPH（世界图形图像学术大会）上一起公开的展示他们的工作成果,但是他们是完全独立的两个系统. 亨德森的工作已使用在梦工厂的新动画电影如Croods中 ,这是完全独立于ILM团队开发的。亨德森告诉fxguide他是如何受到获奖通知的,还有他同样非常尊敬工业光魔团队所做的关于GPU的工作。
罗纳德·d·亨德森和他的可爱的妻子
R&H（做少年派的Rhythm & Hues）公司的皮特儿.黄，克里斯佩里，汉斯Rijpkema（貌似德国人…），乔Mancewicz 提出的 Voodoo架构同样也是受人尊敬的。十多年前，Voodoo的设计理念和方法使得角色动画工具集在Rhythm & Hues公司被开发出来。当获得这个奖项的时候，该团队向帮助过他们、为他们测试以及提出建议的R&H的设计师们表示特别的敬意.
R&H团队
注：operator 相当于 maya的单个node,oid 相当于多个operator组成的像Maya的container, 又或者是像h的digital asset。
relationship是个zeno里的术语，相当于maya里的connection，zeno里是有个relationship editor的，类似Maya的connection editor。
感谢 DRONE 166 大神对本文的指正。
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