《心灵奇旅》从概念到最终镜头都经历了什么？超全技术分享
《心灵奇旅》都看了没？这部口碑与排片率完全不符的电影从正式上映第一天仅2.7%的排片率，在5天之内增加到了9.5%，总票房预测从一开始的2000多万人民币增加到2.34亿人民币。这说明了啥？影院经理不傻，观众也不傻。
猫眼实时票房（截止到2021.01.04）
猫眼评分9.5
豆瓣评分8.9
随便从豆瓣截几条评论，也全都是夸的。
皮克斯的这部新作是由 《飞屋环游记》、《头脑特工队》、《怪兽电力公司》导演兼编剧彼特·道格特再次创作并执导的。该片讲述了梦想成为爵士钢琴家的男主乔伊与厌世的心灵22相遇，他们携手返回现实世界寻找生命的意义的故事。
下面就带大家探索一下电影的制作过程。
22、乔伊和心灵学院辅导员
一、
灵魂材质选择
电影里呈现出的一个个小灵魂生动可爱，但是在制作时可难坏创作人员了。第一个问题就是：心灵应该是什么样的？导演认为心灵应该是似烟似雾的，非物质形态的，无固定形状的，还能够呼吸的。他们顺着这个思路尝试着画了很多心灵的形态。
在经过众多艺术家的思考讨论后，他们在一个听起来完全不搭边的行业找到了制作灵魂最合适的物质——气凝胶。这是地球上最轻的固体物质，常用于航天航空产业，它类似非物质形态，但能够用画笔清楚的画出来。
气凝胶图片
二、
灵魂的形象设计
确定完材质后就可以给灵魂设计具体的形象了，皮克斯的艺术家们设计了各种有意思的版本。
但是他们希望心灵们还是能够更接近于人类的形态，有清楚的五官，还能够表达情感，因此最终还是选择了导演最初设计的版本，它既满足了像云一样的形态，又有面容，能够做出一些表情，能够更好的传达内心的想法。
来看看早期的CG效果图，身体部分看起来有点模糊，并且颜色也过于淡和单一了。
于是创作团队想到，既然心灵代表了一个人的内心，那丰富的内心活动就可以用不同的颜色进行表达啊！他们还开发了一个新的手法，通过描边来突显特定的形状。
经过好几个月的创作之后，他们终于确定了心灵角色的样子。这部分就不过多介绍了，之前我们发过一篇专门设计的文章，点击这里回顾。
左：22 右：乔伊的灵魂
乔伊的真人形象与灵魂形象对比图
三、
三维制作过程
形象也设计好了,下一步就是让它适配皮克斯复杂的3D动画合成系统了。之前我们的文章也写过，基本皮克斯出一部新电影就要突破一次3D动画的能力极限。在《怪兽电力公司》中他们提高了3D动画的毛发渲染能力；在《海底总动员》中，他们展现了用3D技术生成水的能力；在这次的电影《心灵奇旅》中，他们又突破极限，开发了一系列之前从未做过的工具，以便处理制作中遇到的问题，尤其是光线的处理。
当光线照到灵魂中，会以一种与众不同的方式散射，他们需要对这散射进行控制，因此才可以将灵魂与其他东西进行区分，如果灵魂过于透明，观众就没有办法看出它们的表情。
在皮克斯发布的一篇论文《Making Souls: Methods and a Pipeline for Volumetric Characters（制作灵魂：角色的制作方法和流程）》中，为我们详细的介绍了如何用三维技术将灵魂制作渲染出来。先来看看下面这个演示视频。
https://vimeo.com/433028439
《心灵奇旅》中的灵魂角色是很风格化的外观，这个难度是相当大的。其中最大的一个挑战是角色绑定和动画工具使用的是绑定表面，需要用一种新的表现形式以达到导演要求的视觉效果。
1.LookDev
灵魂是以光的概念存在的，对照明具有类似棱镜的光感。这里面临的挑战就是创造一种外观，它可以在柔和、轻巧和足够的清晰度之间取得平衡，以使形状和表演可识别。对于角色而言，还有重要的一点就是不要像具有次表面散射的坚硬表面。为此皮克斯编写了一个程式化的着色节点（Iridescence Driver-或IDriver），将其输入到Double Henyey-Greenstein体积着色器中，以实现这种非光影照明效果。
概念设计图、渲染图、材质球
其实说到底，IDriver是通过使用法线查找色带并伪造漫反射和镜面反射波来确定反照率颜色的。为了使角色看起来更加柔和，使用了柔和的法线来滤除脸部以外的一些较小的细节。
投射法线场：主体渐变、投影渐变、最终混合
面部那些较小和较复杂的形状，是通过建模和绑定动画线条实现的，来突出轮廓或皱纹。其中绑定还输出头发和衣服的建模细节线。此外在手部周围生成轮廓线，以增强其可读性并阐明姿势。通过在每个网格顶点法线和从这个网格顶点指向相机位置的向量之间跟踪点积的零等高线来提取这些。当然了，动画师是可以控制这些线条的可见性，密度和大小，以便满足镜头画面需要。
对面部表情（左，中）作出反应的绑定线和用于阐明姿势的轮廓线（右侧手）
2.如何建立透明体
制作团队用Houdini为IDriver着色节点创建每帧体积和体积信号。为了确保动画在半透明体上的可读性，大多数工作流程都指向相机。每个角色都由几个单独的体组成；其中大部分都是通过自遮挡部分或完全剔除的，从而创建一个没有分层的更清晰的可识别形状。比如牙齿和舌头被精确地切割成与张嘴形状相匹配的形状。眼睛是表面几何体，不是体，所以创建一个遮罩纹理而不是切割出来的。
每个着色信号（眼影、脸颊、嘴唇等）也是一个体积，很多都是从相机投射出来的。使用这些来调整IDriver和着色网络中的颜色和着色器波瓣属性。通过相机投射到角色的表面法线来构建法线体积。对于“软法线”体积，将曲面转换为SDF，然后再将其转换回曲面以投射平滑几何体的法线。
其中的背景和次要灵魂是将Houdini网络推广到所有设计中实现的。对于特定的控制，只需要少量的参数就可以解决。虽然每个灵魂都被塑造成自己独特的形状，但大多数灵魂都拥有相同的拓扑结构，简化了灵魂的结构任务，同样网络也为使用体积变形的灵魂群集管线创建了静止姿势体。
面部线条的体积是通过将绑定好的平面网格从相机方向挤出形成的。
对于按程序生成的轮廓线，是沿着曲线创建垂直于相机的色带，然后将这些色带也从相机方向挤出形成。
3.Pipeline
Houdini网络生成高保真体积数据的多次传递，是需要定期进行的密集型计算过程，所以开发团队设计了一个名为Hexport（Houdini Export）的系统，通过并行化数据自动生成数据，渲染农场系统具有高度可调性，根据周转需求为部门提供不同的并行和调度行为。
项目开始的时候都是使用原有管线，特效师们可以处理大量计算，并且针对项目已经开发了用于并行化和大数据存储的工具。其他部门将动画的USD资产导出到单个文件中，每帧具有一个时间样本，但是由于文件写入中存在竞争条件，因此这不允许立即并行化。相反，特效师每帧导出一个文件，然后使用实用程序usdstitchclips将每帧数据组装到USD值剪辑中。
这制作团队只用于早期外观开发，但它不能扩展到在多个用户和应用程序之间共享的角色资产部门。为此他们开发了一个版本控制系统，其中包括多个未发布的工作目录，将这些目录存储在高性能存储器中以供并行渲染农场使用。发布供下游部门使用的工作目录只涉及符号链接和数据库更改。此外，制作团队将Houdini网络数据存储在镜头级别的hip文件中，并将其转换为角色资产HDA（houdini digital asset）文件，这些文件在相关人员之间共享镜头。什么时候导出快照时，Hexport系统创建一个快照级别的hip文件，并将当前角色HDAs引用到该文件中；这些HDA子网读取特定于快照的缓存曲面动画，将其转换为体和线条，并将结果导出到硬盘。
Hexport的一个重要部分是划分和调度网络计算。特效师可以并行化网络，但场调度程序不能缩放到每帧上每个角色的任务。大部分计算不依赖于历史，这增加了分区和调度的灵活性。导出快照时，首先将快照拆分为字符子集，然后将每个字符的网络划分为三类任务：庞大但可跨帧并行；二是用于聚合来自先前任务的数据任务；三是独立的单进程任务。
将每个网络的计算部分分配给适当的任务，Hexport还计划时间相关的字符模拟。将这些任务分配给独立的单进程任务，并依赖Houdini进行线程并行化。根据周转需求和实验测量的数据调整每种任务类型的线程分配和资源。当每天晚上创建数十TB数据以并行方式进行读取时，使用一个缓存文件系统，这个文件系统设计用于重载写和许多并行读取。为了避免复制数据，使用符号链接标签来指示数据是IP还是已发布以进行渲染。
看看这强大的开发能力，真是惊呆了。虽然有些晦涩，但对于行业内的小伙伴来说还是能看懂一二的，所以把论文内容基本都整理到这里了，希望对大家有用。
好了，我们接着往下看。
四、
心灵学院辅导员形象设计
解决了灵魂的形象之后，还要设计心灵学院中辅导员的形象，这可以算得上是影片中最难的形象设计了，他们希望辅导员的形象既不是人类也不是灵魂，既不是天使也不是上帝，而是来自其他世界与所有东西都能区分开的形象。
心灵学院辅导员
皮克斯的艺术家从雕塑、自然、灯光和毕加索的画获得灵感，最后决定将辅导员以线条的形式呈现，影片中这些辅导员说自己就是“宇宙本身”，只不过是用线条简化为一个形态，方便人们理解。但是不要以为一条线就容易了，艺术家们可没少对它下功夫。
毕加索作品1
毕加索作品2
心灵学院辅导员草图
皮克斯的艺术家用铁丝将辅导员的形状做出来，然后用灯光将这些铁丝做成的形象投射到墙上，形成影子。铁丝雕像是3D的，但是形成的影子是2D的，这让辅导员同时处于3D和2D状态之间。既然是这样，那么艺术家就不能按照传统的3D动画进行制作，他们通过研究线条的形态、动作、表达等赋予辅导员灵活复杂且与众不同的运动感。
皮克斯艺术家制作辅导员雕像
辅导员雕像
雕像投影
辅导员线稿
五、
角色服饰改装技术
我们再来看看电影中角色服装开发过程。一提到服装很多小伙伴脑中立马想到Marvelous Designer。但皮克斯大佬自己开发了一套服装系统，可以在不同体型、年龄、性别的角色之间改装服装，大家看完演示视频就能大致了解了。
https://vimeo.com/432258782
下面这张图中所有人的衣服都是由左一的成年男性改装过来的。
这种方法是基于一个新的迭代方案，交替松弛和重绑定优化。在松弛步骤中，使用仿射不变坐标，使输入的三维服装适应目标角色的形状，同时最小化网格变形。在重绑定步骤中，重新设置了由用户指定的紧度值控制的衣服和角色身体之间间距。而且这种方法还支持对多层、接缝和折叠的空间和结构安排进行编码的附加约束。电影《心灵奇旅》中就使用了这个改装工具为不同的数字角色转换服装的。
六、
影片中从一开始就提到主角乔伊疯狂热爱爵士乐，影片中音乐也成为了贯穿全篇的线索，或者说爵士乐就像是另一个主角的存在一样。
皮克斯特意找来了一位非常厉害的爵士音乐家约翰·鲍蒂斯掌舵，电影中所有爵士乐都是由他谱写。并且电影中乔伊弹钢琴时手部的动作是由动画师将约翰的动作动画化完成的。
还有一些弹琴时的身体律动，也是仿照约翰弹琴时的真实状态制作的。
七、
概念设计图
好了，干货内容分析完了， 我们来欣赏下电影中的概念设计吧。
纽约城市
理发店
半分音符酒吧
生之来处
忘我之境
个性馆
万物殿堂
总之，《心灵奇旅》真是的一部值回票价的电影，不过要给还没见过打算去看的小伙伴提个醒，尽量避开可能有小孩的时间段去看！！！大大影响观感！！！
完整的概念图太多了
还是打个包给大家吧