万物川流.拂光掠影–电影特效与超级电脑

翻开电影史,〈阿凡达〉(Avatar)就像是潘朵拉星球蕴藏的宝石般,吸引了举世的目光。长期以超级电脑进行研发与应用的科学家,很开心地看到詹姆斯‧卡麦隆(James Cameron)导演发挥了精湛的电影特效技术,成就了票房神话以及高速算图(supercomputer rendering)的信仰。

影片中透过3D影像的手法,纳美人乘着飞龙遨翔于险峻的峡谷里,以及潘朵拉的晨曦穿梭草木林荫间的细緻光影等,挑逗着观赏者的视觉味蕾。那种深度沉浸于虚拟世界的兴奋,彷彿脱离了现实生活的灰姑娘,在宴会上与王子共舞时的心神。能够达到如此的境界,不外乎是源自于卡麦隆在〈铁达尼号〉的世纪爱恋后,寄寓于扩张主义与生物多样性的冲突及惨烈对搏,再次掳获了人心。

然而〈阿凡达〉横扫全球票房达八百三十多亿新台币的纪录,还有一个重量级的关键,就是纽西兰籍导演彼得‧杰克森(Peter Jackson)的加入。他以视觉诗人般的情怀,精緻地融合电影特效与超级电脑,创造出全新的预行运算引擎PantaRay,神乎其技地算出了万物并育、川流不息的意象。

金刚的500万根毛髮

电影中凡是运用不同于实拍方法所製作出的影像,通称为电影特效(visual effects in movies或movie effects)。过去,在极度危险的剧情或预算有限时,才会使用这一手法。惟近年受惠于电脑与软体科技的发展,大量依靠电脑算图(computer-generated imagery, CGI,或称电脑绘图)的特效技术来创造扣人心弦的各式场面,已成为世界电影的主流。

1993年,一颗电影特效界的新星在纽西兰冉冉升起,自小就有「电影天才」封号的杰克森,创立了电影特效技术公司Weta Digital。短短十年光,他所执导与製作的〈魔戒三部曲:王者再临〉,奇蹟般地横扫了2003年奥斯卡最佳影片、最佳导演、最佳视觉效果等11项奖座的提名,缔造了全球立体电影的风潮,也振兴了纽西兰的电影工业。

在名利双收下,杰克森与他的团队又于2005年推出了〈金刚〉。这部影片在特效技术上与〈魔戒〉迥然不同,运用了超越〈怪兽电力公司〉的毛髮特效,让金刚的500万根毛髮与碰触它们的泥沙、叶子、水、光线等,都能传神地动了起来。当金刚在树丛间奔跑时,身上的海量毛髮在风吹雨打下的动态影像真假难分,令观众咋舌不已,同时让从事力学研究的科学家们叹为观止,因为这可是流固交互作用的力学行为,涉及了複杂且高难度的学理与计算工作!

这些经验促使了杰克森与卡麦隆的合作,这两位名导联手打造的〈阿凡达〉果然不同凡响。由杰克森领导的Weta Digital,是〈阿凡达〉最大的视觉特效技术团队,他们的任务就是完成耗费达PetaBytes的电脑储存空间,以营建出八百多个电脑生成角色在场中的连续镜头。

杰克森了解这回所面对的电脑算图量,不再是以百万计的虚拟多边形(virtual polygon),而是必须以10亿为单位的新挑战。他更明白这也不是他的团队过往涉猎的特效与光影计算可比,Weta Digital需要与更强大的超级电脑合体,以开发最先进的高速算图技术。

彩影畅流的视觉盛宴

因为〈阿凡达〉,NVIDIA的Jacopo Pantaleoni飞往纽西兰威灵顿,驻留了几个月,与Weta Digital的特效部门共同寻找解决方案。数学背的Pantaleoni钻研即时光迹追蹤演算法与大量平行处理器领域多年,就在这个Weta Digital与NVIDIA的合作专案中,研发成员基于光迹追蹤原理,创造出PantaRay,在耗时的方向性遮蔽计算部分,使用了图形处理器(graphic processing unit, GPU)的高速计算技术,达成在严苛的光线漫射条件下,可提升好几倍的算图速度。

〈阿凡达〉有段经典画面足以说明PantaRay平行处理海量场的高速算图力。群山漫舞、林涛浩蕩的潘朵拉上,数以百计的紫色飞龙穿越云雾、飞过水面的镜头,若是採用传统的方法,需要至少一个星期的时间来製作。但以PantaRay来算图,就能够缩短至一天半,且可完整实现导演对于每个镜头细节与色彩的要求。

PantaRay的命名是引用希腊格言panta rhei的「万物流动」字义而来,果如其名,PantaRay让色彩瑰丽的生物群体,在飞行过程中,与云海、树枝、叶子、交错其间的光照等的交相作用,流畅地化为万物川流、拂光掠影之美。

光影犹如料理中的香草植物,可为电影情节里的情感与气氛提味。早期倚重打光师在拍摄现场的打光功力,惟拜近代科技所赐,现在的影视工作者可以透过电脑,在动画软体里直接设定光源参数,模拟影片中室内或户外等场的光线。

PantaRay所採用的光迹追蹤,是目前处理光影效果的主流方法之一。原理上,假设光线的传播终止于观察点,如摄影位置,则可以逆向推求光源位置,并考量所发射的光线经过障碍物后的反射、折射因素,来模拟真实光线的传播路径。越複杂的场,光线行进中遇到的障碍物会越多,可想而知,反射、折射的计算次数及计算量也会益加庞大。

〈阿凡达〉所使用的算图流程,是在每秒达205 TeraFlops计算量的超级电脑上,利用Pixar动画公司开发的算图引擎RenderMan(PRMan),依摄影点位把动画软体Maya产生的场切割为子区块后,再藉由PantaRay的GPU加速法,预先计算出光线因障碍物衍生的方向性遮蔽资料,并存于缓冲区供PRMan重複运用,来达到提升最终影像生成效率的目的。

整体而言,〈阿凡达〉的製作「高度」,在于不仅要无中生有地建造出潘朵拉世界里分明的昼夜、茂密的森林、生物群体等,还要让所有的环节鉅细靡遗地相扣合宜,包含阳光照耀下的水花、依地貌起伏蔓生的枝叶形态,以及夜间穿梭丛林、抵抗入侵者的纳美人等。这些精工细作、沁入人心的画面,显露了光学与动力学完美交融的素养,还有算图引擎与超级电脑合而为一的精湛。

电影世界中的超级电脑

CGI,顾名思义,是伴随着电脑而生的。自从1950年代有了第一部商业电脑 UNIVAC后,电影特效的发展就如向日葵般地,朝着CGI在冥想国度里所散发的光与热,绽放出跨越时空的容颜。

约莫UNIVAC诞生的同时,在美国人心目中拥有崇高地位的电影导演乔治.卢卡斯(George Lucas)于1944年间在加州出生。1977年卢卡斯还不到35岁,却在以〈星球大战〉独领风骚后的2年内,创立了视觉特效公司Industrial Light & Magic(ILM),成为电影特效行业的鼻祖。后来该公司的电脑技术部门更发展为吸引来自哈佛大学、麻省理工学院等跨科技与艺术人才竞相投入的Pixar。

1982年,ILM在科幻电影〈星际之旅的复仇女神〉中,製作出电影史上第一个完全由电脑算图生成的场,逼真的CGI效果宣告电脑技术正式跨入了电影产业。1985年,卢卡斯在〈年轻的福尔摩斯〉里,创造出史上第一个虚拟角色「彩色玻璃骑士」,虽然只在影片中出现30秒,却耗费了当时的电脑长达半年的算图製作时间。从这些历史的轨迹里,卢卡斯预见了超级电脑、高速算图在电影艺术里的魔力,也赢得了世纪之顶的仰望。

到了1990年代,大量应用电脑与CGI製作电影的态势迈向了成熟期。在1993年的〈侏罗纪公园〉中,鬼才导演史蒂芬.史匹柏成功地让迅猛龙、雷龙等古生物群灵活灵现地重生在人们的眼前。从恐龙斑黄的牙齿、粗糙的皮肤,到带着泪水的眼睛等,这些仰赖电脑算出来的幻像,让史匹柏扎实地赚进了丰厚的票房收益,电脑也因为史匹柏成为视觉特效製作上与电影剧情里的要角。

有趣的是,这部影片的原着小说中,控管整座恐龙主题公园的是Cray 超级电脑,然而电影画面中出现的却是 Thinking Machine的CM-5超级电脑。

当观众还滞留在惊心动魄的恐龙旋风时,1997年的〈铁达尼号〉倏忽间打响了个人电脑丛集(PC Cluster)用于电影製作的名号。卡麦隆大手笔地启用了350 SGI CPUs和200 DEC Alpha CPUs等计算机进行算图,带来了欣欣向荣的前。在2001年出品的〈怪兽电力公司〉中,毛怪苏利文身上总共有高达2,320,413根毛髮,1张包含牠与场的影格(frame),以当时的超级电脑约要花费11~12小时运算;而单单1秒钟的影片,至少要由24张连续性影格组成,可以想见所需电脑计算量的惊人程度。

同年,由DreamWorks发行上映的全3D动画长片〈史瑞克〉,在拍了续集后,定义了史瑞克定律(Shrek's Law),预言影片所需的算图小时(render hour)每3年至少会成长2倍。2009年的〈阿凡达〉更是把电影特效推向极致,总票房至今仍雄踞影史宝座,而它动用的电脑运算总能量相当于当年一座排名全球第12名的超级电脑,花了近两年的时间。这些都是拜电影之赐所缔造的超级电脑的世界级纪录!

在传统的认知上,超级电脑似乎只应用于处理物理、化学、力学、大气等科学与工程的问题,而与大家的日常生活风马牛不相关。惟近年来,透过上述影片中的虚拟角色、五光十色的特效画面等,已让一般大众见识到超级电脑有如魔术师般的算图神采。同时让更多人了解电影製作不再只是依靠演员、实与摄影机而已,还需有适当的超级电脑与CGI技术的相辅相乘,才能把完整的意境与情感顺畅、细腻地传递给观众。

倚天屠龙合二为一

在超级电脑业跨足电影艺术界的氛围中,国内从事高速计算(high-performance computing, HPC)研发与应用的科学家,也遍访了艺术设计学院、电影业界,并在云端算图的想像中,筑起了以计算科技滋养文创的梦想。2011年11月,他们建造出国内第一座的算图农场(Render Farm),开放给产学界使用。这是由国家实验研究院国家高速网路与计算中心(国研院国网中心)的高速算图专案团队,于挺进全球500大超级电脑的Formosa 系列上,所自行研发建置的3D算图主机,并提供Maya、算图排程等软体服务。

现有计算规模达720个核心数,相当约700台个人电脑的算图效能,同时配备有因应算图衍生的海量数据所需的足够储存空间,以及传输所需的高速网路。目前用户端不论是使用Linux、Windows或Mac OS等作业系统,都可以透过他们开发的图形化介面,进行远端派图、算图与运算进度监控。近期,更将扩充GPU来增进计算效能,这也是国内第一座使用GPU的算图平台。

除了前述的软体服务外,他们也跟国内的兔将动画公司合作,以该公司自行研发的动画软体,应用软体权限外借方法,在Formosa系列上以480个核心数,成功地建立了平台服务模式,让他们的〈Hatching〉作品能在时效内完成,且赢得入选SIGGRAPH 2012国际动画影展的荣耀。

目前算图农场的用户,除了大专院校外,还有业界级的长片,包含国际影奖得主周美玲导演执导的特效电影〈花漾〉、获得2012数位出版金鼎奖的张永昌导演所创作之3D动画电影〈太极星猫〉等。

在首开先河建立算图农场的同时,团队成员们也加紧脚步发展流体、粒子特效等的高速计算技术,为推进高速算图的里程投注心力。2012年间,他们以云门舞集的舞作风格为例,利用动作捕捉方法记录舞者的动作,导入Maya后,採内嵌语法编写控制程式,来执行nDynamics的特效模组功能。nDynamics是Maya内建的动力学系统,可用以模拟毛髮、布料、流体等动力行为。

国研院国网中心所创作的〈流烟.舞〉作品,利用了nDynamics在舞者肢体上设定烟雾粒子生成的初始速度、流体特效的风力场,并建立密度、透明度、温度等的自动调控程序,以计算粒子的动力学作用后,呈现出舞者肢体与烟雾互动过程,以及细腻的尾烟与阴影效果。

他们也尝试以Maya外挂软体RealFlow最新的Hybrido平行计算模组,模拟海水击岸时细緻的浪花、水沫,进而结合舞者的律动,传达「A new vision for modern dance in terms of dynamics」的意境,并获选于6、7千人与会规模之SIGGRAPH ASIA 2012发表。国际上优质的特效影作能够成功地以假像「骗过」观众眼睛的关键,往往就在这些「细节」的处理上。

要达到精品级的视觉效果模拟,除了要熟悉动画软体与算图农场的使用外,更重要的是还需具备对于力学现象的洞察力与学养。这也是目前国内电影、文创产业发展上的缺口,亟需有完善的机制,扎实地培养跨科学与艺术的人才,才能像倚天屠龙合二为一般地施展惊天动地的威力。

国研院国网中心承诺会在高速算图的领域上,与文创界的伙伴们继续努力、携手扎根,希望在不久的将来,中国台湾也能像金钟奖导演邱立伟所说的︰「……好莱坞的工作室都是以1位艺术家、5位科学家的组成一起做动力特效的。」

希望山路

在中国台湾电影的希望山路上,1999年〈卧虎藏龙〉里轻功飘逸的武侠们,从萤幕里飞进西方观众的心底,让李安导演成为创下入围奥斯卡最多奖项的外国电影、全球华语片收入最多的电影等纪录。近期在中国台湾取拍摄的新作〈少年Pi的奇幻漂流〉,李安进一步大量运用电脑製作剧中的动物与视觉效果,挑战立体电影技术的雄心,让他再度夺下奥斯卡最佳导演奖座,令国人欣喜与骄傲!

还有,近年国内的电影界也在〈海角七号〉7亿票房的加持后,兴起了金光闪闪的创作热潮;〈那一年我们一起追的女孩〉、〈翻滚吧!阿信〉、〈爱〉、〈阵头〉、〈痞子英雄首部曲:全面开战〉等,拉回了观众进电影院看国片的心。

今年的魏德圣导演继〈赛德克.巴莱〉后,化身为製片的身分,力捧马志翔导演,筹组以国内影视公司、视觉特效学研单位等为主体的製作团队,要把嘉农少棒队远征甲子园球场,震惊全日本,赢得「天下嘉农」威名的故事〈KANO〉搬上大萤幕。观众会永远记得,魏导在以〈赛〉片接下金马奖最佳影片奖座时,曾说:「……这次没做到的,下次一定补回来!」

最后,本文以鲁迅的这段话,祝福筑梦的每一份勇气、每一颗诚心,祝福中国台湾!

希望像一条山路,
其实,地上本没路,
走的人多了,也便成了路。

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