《疯狂元素城》上映有一阵子了，与以往上映的迪士尼电影相比，这次有点“冷清”，豆瓣目前评分稳定在7.3分。


那么作为CG人看完电影，可能首先会思考的是其中的两位主角的水和火特效是如何实现的。接下来小编为大家概述下其中的制作流程。
在《疯狂元素城》中，两主角Ember和Wade实际上是由火和水组成的。这对皮克斯来说是一个挑战，因为既要模拟特效，又要确保角色的外观和保持说明性与情感性。为了达到制作预期效果，制作团队设计了实现体积元素的新方法:Volumetric Neural Style Transfer机器学习，以保持体积的风格化外观。此外，皮克斯开发的动画曲线工具通过这次项目得到了增强，并在GPU渲染方面进行了巨大投入。

如何设计实现导演想要的效果？   

皮克斯很多电影里都有各种爆炸或火焰，流体特效，但拿特效元素作为主角还是第一次。所以制作管线的可扩展性是第一个需要考虑的因素。另一个方面火必须要有表情。Ember是一个体积庞大的角色，必须传达情感。必须要与她建立某种情感联系，那么如何使火模拟具有吸引力和表现力呢？这是一个很大的技术难题。水也是如此，这是一种体积感官，必须让他的行为感觉像元素，感觉像水，同时也要有吸引力，与观众建立情感共鸣。

皮克斯特效和动画团队根据导演的反馈开发了角色“sprints”。这一系列的“sprints”产生了男主角Wade的最终版本。
所有这些都是之前制作团队都没有遇到过的制作难点，所以开始前没有什么清晰的思路。不过对于技术人员来说也是一次历练的机会，可以有机会尝试一些新的东西。皮克斯的很多电影在技术方面都是突破性的，So每当遇到挑战，对于技术人员来说是件很兴奋的事儿。因为火和水现实中都是动态的，没有固定的形态。前期艺术部门给导演画了很多设计稿，但都不是很明确，至于导演心目中想要的那个角色到底什么样，必须在软件中运行模拟，必须从所做的模拟迭代中才能知道。因此皮克斯组建了一支由动画师、特效师和着色师组成的团队。他们以最快的速度迭代，模拟结果。先从非常自然的火焰开始。然后把一些卡通化的眼球放在上面，相互讨论角色的接受度，认可度等等。如果不认同，就接着迭代下去。在超写实和自然主义，再到非常卡通化风格之间来回切换，不断在两者之间找到平衡点。那么，在软件里模拟出来真实感，比如在Houdini里模拟出写实的火效果，又是如何把它变成角色中带有风格化外观的呢？

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如果想要动态感觉真实，那么它必须是一个模拟。它不是像电子游戏中那种几个关键帧的循环动画，它必须是一个真实的模拟，然后赋予她性格特征。为此，制作团队在Ember体积型附着了轮廓线来定义，为了把她塑造出来，边线做成动态的。其中的水元素也是这样做的。男主角头上有模拟的水，但如果你仔细观察会发现它总是试图形成相同的形状，你在Wade头上看到的那些独特的三根手指形状，事实上是正在进行的模拟，但如果他静止不动或静止一秒钟，就会形成这样的形状。还有就是他身上发生的焦散是体积的，而不是只是表面的。

用AI技术转移风格化   

用Houdini来模拟流体，它的优点是非常写实，可以非常准确地模拟火的动态，但在这个项目中需要有很好的插画感，有很好的组织性。为了达到在Houdini写实模拟基础上还能有风格化的外观，制作团队用了Volumetric Neural Style Transfer（NST）来实现。这里不得不跟大家介绍下迪士尼自研的这个Volumetric Neural Style Transfer。这个技术是2022年迪士尼在SIGGRAPH上发布的一篇技术论文。它是一种简单的前馈神经网络架构，这个架构能够推断出与图像无关的风格化，说白了就是用2D图像艺术地操纵烟雾流体模拟数据，以改变模拟的样貌。

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论文地址：https://studios.disneyresearch.com/2022/11/30/efficient-neural-style-transfer-for-volumetric-simulations/这次《疯狂元素城》就用了一把这个技术，成为了这个技术的首秀。实现流程是这样的，首先喂给这个神经网络一些艺术家手工绘制的风格化图，要求体积模拟朝着这些图像方向进行。然后运行Neural Style Transfer，在得到的两种效果之间进行混合。这样一来就提供了全体积模拟的动态性，同时也更具组织性，更具说明性。这个技术让Ember感觉像火的同时也更像一个插画。她的火焰动态不像真正的火焰那样写实，也不像真正火那样凌乱，简约而不简单。

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皮克斯的NST利用原始Pyro火模拟来模拟主角火的密度和动态，然后将艺术家手绘纹理作为目标风格，将手工绘画的精髓融入到动态火焰模拟中，创建出一个特定的、有针对性的、风格化的火焰密度场。将这种效果与许多其他传统技术相结合，最终实现了电影中火角色的最终外观。

动画技术   

除此之外这次的动画制作工具也还是蛮有技术含量的。用到了皮克斯在2022年提出的一种通过轮廓曲线来表现角色的新方法——Curvenet。它产生细节保护变形，变形完全由3D曲线控制，这些变形曲线构造了变形表面。它可以使用一个非常低分辨率的网格，把它放在角色上，并且有非常高级别的控件，这些控件给动画师来塑造角色。之前在《青春变形记》电影中也用到了这个，但在这部电影中是真正加入了流程实现了最终效果，过程中还增强了这个工具。

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论文地址：
https://graphics.pixar.com/library/ProfileMover/paper.pdf

三渲二  

看上去是2D的感觉，但却都是用3D方式制作实现的。一部分原因是在开始用到AI，也就是刚才我们提到的NST，在制作开始就有风格化的技术加持，另一方面是相机，如果角色离开相机，可能那种2D风格化的感觉就没有了。动画师们利用火和水的基本性质，让他们正对着镜头，实现2D的感觉。
另一个方面是风格化的灯光。为了将角色和环境布景融为一体，灯光团队采用了很多技巧。阴影是非常图形化的，会使用Kuwahara滤镜，这样远处的景物可以真正说明问题，将角色融入场景。

算力  

火和水的解算需要庞大的CPU，而NST需要GPU。为此皮克斯还特意投资搞了一个GPU渲染农场来解决Volumetric Neural Style Transfer算力不足的问题。至于有多少个GPU就不得而知了，这种庞大的运算，应该投入很大。当然了对于迪士尼来说，这点钱应该算小钱。

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公众号链接：https://mp.weixin.qq.com/s/aTrbOIwzXhcTowvozD5J0w

《疯狂元素城》上映有一阵子了，与以往上映的迪士尼电影相比，这次有点“冷清”，豆瓣目前评分稳定在7.3分。


那么作为CG人看完电影，可能首先会思考的是其中的两位主角的水和火特效是如何实现的。接下来小编为大家概述下其中的制作流程。
在《疯狂元素城》中，两主角Ember和Wade实际上是由火和水组成的。这对皮克斯来说是一个挑战，因为既要模拟特效，又要确保角色的外观和保持说明性与情感性。为了达到制作预期效果，制作团队设计了实现体积元素的新方法:Volumetric Neural Style Transfer机器学习，以保持体积的风格化外观。此外，皮克斯开发的动画曲线工具通过这次项目得到了增强，并在GPU渲染方面进行了巨大投入。

如何设计实现导演想要的效果？   

皮克斯很多电影里都有各种爆炸或火焰，流体特效，但拿特效元素作为主角还是第一次。所以制作管线的可扩展性是第一个需要考虑的因素。另一个方面火必须要有表情。Ember是一个体积庞大的角色，必须传达情感。必须要与她建立某种情感联系，那么如何使火模拟具有吸引力和表现力呢？这是一个很大的技术难题。水也是如此，这是一种体积感官，必须让他的行为感觉像元素，感觉像水，同时也要有吸引力，与观众建立情感共鸣。

皮克斯特效和动画团队根据导演的反馈开发了角色“sprints”。这一系列的“sprints”产生了男主角Wade的最终版本。
所有这些都是之前制作团队都没有遇到过的制作难点，所以开始前没有什么清晰的思路。不过对于技术人员来说也是一次历练的机会，可以有机会尝试一些新的东西。皮克斯的很多电影在技术方面都是突破性的，So每当遇到挑战，对于技术人员来说是件很兴奋的事儿。因为火和水现实中都是动态的，没有固定的形态。前期艺术部门给导演画了很多设计稿，但都不是很明确，至于导演心目中想要的那个角色到底什么样，必须在软件中运行模拟，必须从所做的模拟迭代中才能知道。因此皮克斯组建了一支由动画师、特效师和着色师组成的团队。他们以最快的速度迭代，模拟结果。先从非常自然的火焰开始。然后把一些卡通化的眼球放在上面，相互讨论角色的接受度，认可度等等。如果不认同，就接着迭代下去。在超写实和自然主义，再到非常卡通化风格之间来回切换，不断在两者之间找到平衡点。那么，在软件里模拟出来真实感，比如在Houdini里模拟出写实的火效果，又是如何把它变成角色中带有风格化外观的呢？

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如果想要动态感觉真实，那么它必须是一个模拟。它不是像电子游戏中那种几个关键帧的循环动画，它必须是一个真实的模拟，然后赋予她性格特征。为此，制作团队在Ember体积型附着了轮廓线来定义，为了把她塑造出来，边线做成动态的。其中的水元素也是这样做的。男主角头上有模拟的水，但如果你仔细观察会发现它总是试图形成相同的形状，你在Wade头上看到的那些独特的三根手指形状，事实上是正在进行的模拟，但如果他静止不动或静止一秒钟，就会形成这样的形状。还有就是他身上发生的焦散是体积的，而不是只是表面的。

用AI技术转移风格化   

用Houdini来模拟流体，它的优点是非常写实，可以非常准确地模拟火的动态，但在这个项目中需要有很好的插画感，有很好的组织性。为了达到在Houdini写实模拟基础上还能有风格化的外观，制作团队用了Volumetric Neural Style Transfer（NST）来实现。这里不得不跟大家介绍下迪士尼自研的这个Volumetric Neural Style Transfer。这个技术是2022年迪士尼在SIGGRAPH上发布的一篇技术论文。它是一种简单的前馈神经网络架构，这个架构能够推断出与图像无关的风格化，说白了就是用2D图像艺术地操纵烟雾流体模拟数据，以改变模拟的样貌。

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论文地址：https://studios.disneyresearch.com/2022/11/30/efficient-neural-style-transfer-for-volumetric-simulations/这次《疯狂元素城》就用了一把这个技术，成为了这个技术的首秀。实现流程是这样的，首先喂给这个神经网络一些艺术家手工绘制的风格化图，要求体积模拟朝着这些图像方向进行。然后运行Neural Style Transfer，在得到的两种效果之间进行混合。这样一来就提供了全体积模拟的动态性，同时也更具组织性，更具说明性。这个技术让Ember感觉像火的同时也更像一个插画。她的火焰动态不像真正的火焰那样写实，也不像真正火那样凌乱，简约而不简单。

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皮克斯的NST利用原始Pyro火模拟来模拟主角火的密度和动态，然后将艺术家手绘纹理作为目标风格，将手工绘画的精髓融入到动态火焰模拟中，创建出一个特定的、有针对性的、风格化的火焰密度场。将这种效果与许多其他传统技术相结合，最终实现了电影中火角色的最终外观。

动画技术   

除此之外这次的动画制作工具也还是蛮有技术含量的。用到了皮克斯在2022年提出的一种通过轮廓曲线来表现角色的新方法——Curvenet。它产生细节保护变形，变形完全由3D曲线控制，这些变形曲线构造了变形表面。它可以使用一个非常低分辨率的网格，把它放在角色上，并且有非常高级别的控件，这些控件给动画师来塑造角色。之前在《青春变形记》电影中也用到了这个，但在这部电影中是真正加入了流程实现了最终效果，过程中还增强了这个工具。

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论文地址：
https://graphics.pixar.com/library/ProfileMover/paper.pdf

三渲二  

看上去是2D的感觉，但却都是用3D方式制作实现的。一部分原因是在开始用到AI，也就是刚才我们提到的NST，在制作开始就有风格化的技术加持，另一方面是相机，如果角色离开相机，可能那种2D风格化的感觉就没有了。动画师们利用火和水的基本性质，让他们正对着镜头，实现2D的感觉。
另一个方面是风格化的灯光。为了将角色和环境布景融为一体，灯光团队采用了很多技巧。阴影是非常图形化的，会使用Kuwahara滤镜，这样远处的景物可以真正说明问题，将角色融入场景。

算力  

火和水的解算需要庞大的CPU，而NST需要GPU。为此皮克斯还特意投资搞了一个GPU渲染农场来解决Volumetric Neural Style Transfer算力不足的问题。至于有多少个GPU就不得而知了，这种庞大的运算，应该投入很大。当然了对于迪士尼来说，这点钱应该算小钱。

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