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皮克斯最新电影Soul（中文译名《心灵奇旅》）是由彼特·道格特执导的动画电影，由杰米·福克斯、蒂娜·菲等参与配音。该片讲述了梦想成为爵士钢琴家的男主乔伊·高纳与厌世的灵魂22相遇，它们携手返回现实世界寻找生命的意义的故事。由于里面涉及了死亡，新生，兴趣，人生意义，甚至包括种族等因素，受到了国内外观众的热烈讨论。当然，这些内容在各种平台都有观影心得分享以及电影的延伸讨论。
昨天有粉丝问soul里面的灵魂角色是如何实现的，看起来像是体积，但是如果是体积如何能够保留如此精确的形态，也包括如何进行绑定动画设置等？其实这都是Pxiar所面对的技术挑战。我搜集了一些资料，关于皮克斯是如何创建出这样一种形态，挺佩服皮克斯这种从不妥协，专门选择挑战和突破的精神。核心流程是 创建surface模型（用于生成特定的线条，比如轮廓线以及皱纹）→体积创建（一个角色由好几部分体积创建）→开发IDshader 自定义基于法线控制颜色着色器→USD缓存渲染。核心流程使用了houdini，在下面详细技术拆解中能够看到大量熟悉的houdini运用。迪斯尼/皮克斯的soul中的灵魂人物都具有非常特殊的外观，用来标识他们进入了一个独特的世界，这种设定带来了许多新的挑战。艺术部门的每一个位制作人员:模型，材质，视效部门灯光，软件开发等共同努力才把这些有趣的角色带到屏幕上。soul的世界是抽象而空灵的。这需要在视觉清晰度和设计吸引力之间取得平衡。由于我们角色还是使用surface进行绑定和动画，一个关键的挑战是提出一个新的表示形式符合我们视觉需求。为了达到柔软性体积状态和动态更改的线条，我们建立了一个系统以程序方式在Houdini中生成此数据。我们需要进行非常严谨的数据计算才能得到精确的数值。我们以可配置的方式开发了用于管理此计算的自动化系统，同时保留下游渲染的数据与角色表演的变化同步。
1效果开发
soul人物的设定类似于棱镜对于光反射的效果一样的光影效果（图2左边）。难点在于在创造在柔和/轻盈但是又必须具有足够清晰度之间取得平衡的外观，使形状和表达式容易被识别。这要确保角色实现3S效果的同时不会又硬表面过度。
我们写了一个自定义的材质节点（IridescenceDriver或IDriver）达到双重Henyey-Greenstein体积着色器的目的，来实现这种非真实的光照效果（图2右边）。总的来说，IDriver材质通过模型法线读取自定义的颜色来设置albedo的颜色，用来设置假的diffuse和specular。为了让角色看起来更加地柔和，我们对把模型的法线细节给过滤掉（如下图）
对于脸部较小和较复杂的形状，我们进行了建模并设置可动画显示的线条以突出轮廓或皱纹。（图4，左和中）。
绑定同时还输出线条用于强化细节头发和衣服的。我们在角色手部添加了轮廓线用来加强手势和动作的识别，让动作更加清晰。这个就是通过顶点法线方向与相机角度方向进行dotproduct计算提取的轮廓线（猎人解读:这个在houdini中很常用和简单就可以实现，提取三维模型的轮廓线）动画师还有额外的参数控制这些线的可见性，密度以及线的粗细。主角Joe有一些配饰用来强化它在soul世界的特征标志。比如，他的帽子就像他身体的一部分，所以帽子的效果看起来和身体是一致的。但是，他的眼镜虽然是必须的，却是没有生命的，所以是无色状态。眼镜的硬边可以让它保持半透明，并且具有明显的可读性。背景的群众灵魂的头发也像Joe的帽子设定，而大部分的配件都是去饱和度（还是有点彩虹色）。有少部分是像Joe的眼镜。扩展阅读 直接通过数学写出SDF体积动画 小女孩自拍短片
二创建体积
我们使用houdini创建每一帧的体积以及为IDshader提供体积类型的信号。为了确保动画可以正确读取半透明的体积信息，我们大部分的工作流程都是基于相机的。每个角色都是由好几个单独体积构成；大部分这些体积都会有部分或者完全的自我遮罩，可以创建更加干净的没有层叠的效果。比如，牙齿和舌头都是基于相机精确地进行裁切用来匹配展开嘴的运动。眼球是surface模型，不是体积，所以我们创建的是遮罩贴图而不是对眼睛进行裁切。其他材质特征比如眼睛，眉毛，脸颊和嘴唇都是体积对象；很多都是从相机投射过来的。我们使用这个来调整颜色和shader，适配到IDshader中。我们基于surface模型法线与相机投射计算出对应的体积法线。对于柔和的法线体积，我们把surface转化为SDF，对SDF进行扩展，再添加一个平均方式的模糊，然后把这个SDF再转化回Surface得到平滑的法线映射回原来的模型（猎人解读:houdini的标准操作，转SDF，VDBreshape + VDBsmooth + VDBconvert).
对于所有的背景以及其他的soul角色，我们创建了houdini网络来实现这种效果，比如图1 右边的两个角色。他们只需要某些特定的控制。因为每个角色都是自己特定的形态，大部分共享的是相同的拓扑结构，这样可以极大地进行批量线性管理。对于剩下群集的soul群集角色同理。对于表情的线的制作，图4中的左边和中间，通过原来的mesh基于相机方向挤出生成extrude。对于轮廓线，就是求得模型法线与相机角度之间dotproduct求得。
三Pipeline流程
我们的houdini网络生成了许多精确的体积通道。这个需要大量的而且频繁的计算。我们创建了一个系统叫做hexport(houdini export)在我们渲染农场实现了批量平行数据计算。系统可以高度调整，让不同部门按照需求进行不同的精度安排。在早期的生产中，角色艺术家使用我们已有的特效流程。特效艺术家还用着需要大量计算的体积，我们已经开发过平行计算以及大量数据存储的工作方式。其他部门导出一个带有动画的USD文件，每一帧进行单独存储，但是这不能立即使用平行处理。因为在文件写出的时候存在条件竞争(race condition)。反过来，我们的特效艺术家使用了工具usdstitchclips把每一帧缝合到USD value clips中。
四附加视频
皮克斯导演Pete Docte讲解《心灵奇旅》的制作历程
