8 月 15 日消息 嘿!瞧這行云流水的飄移,還有這絲滑的運鏡,很颯啊。
友友們,是不是好奇它是咋拍出來的,又是經(jīng)哪位大導(dǎo)執(zhí)手?
但真相往往令人不可思議。
它,并不是拍出來的,而是 CG 技術(shù)搞出來的!
別急,還有更意外的。
是連“高中生”都能 hold 得住的那種!
這就是來自國產(chǎn)特效開發(fā)系統(tǒng) ZENO 的力作,也即將在 SIGGRAPH ASIA 2021 中亮相。
效果之驚艷,甚至被會議的 reviewers 評價道:
推動了視覺領(lǐng)域的新 SOTA!
Push the new visual SOTA!
這項研究背后團(tuán)隊,更是不容小覷 —— 計算機圖形學(xué)大牛張心欣創(chuàng)辦的澤森科技 (ZenusTech)。
一作則是來自 KAUST,以及還有來自 UCLA 的科研人員。
北京大學(xué)陳寶權(quán)教授曾經(jīng)這樣評價道:
中國 CG-物理模擬領(lǐng)域有兩位新秀,一南一北,很是熱鬧。
改變視覺 SOTA 的效果
現(xiàn)在先來仔細(xì)回憶一個事兒:
是不是在我們看大片的時候,船只在海上的鏡頭,經(jīng)常是處于近景狀態(tài)?
例如這樣的:
▲ 《加勒比海盜 3》截選片段
而且在特效電影中,很少會有鏡頭給到中景或是遠(yuǎn)景。
就更不要提從近景到遠(yuǎn)景一氣呵成的那種了。
這其中非常重要的原因就是,視覺特效的仿真模擬計算,只能在有限的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行計算:
例如上圖所示的那樣,現(xiàn)在仿真技術(shù)只能是在“有界”(bounded)內(nèi),處理三維水體運動形態(tài)解算。
換言之,鏡頭若是一旦超過了這個范圍,那就會造成我們經(jīng)常說的“穿幫”了。
而張心欣團(tuán)隊的工作,之所以能得到 reviewers 們?nèi)绱烁叨鹊脑u價,就是解決了這一痛點:
構(gòu)造出了目前已知能仿真最大體積大范圍海水的方法。
而且采用的還是最高效的計算手段。
也正是通過這樣的方法,研究者們成功將原本只能在近景產(chǎn)生的逼真效果,傳遞到了一個“無窮大”的海面上。
不僅如此,還真實地創(chuàng)造了一個比三維解算深得多的“深?!?,給近海面處水體的運動,提供了正確的運動邊界條件。
那么頂級影視公司采用的技術(shù),不好用嗎?
可以做一個對比來看下效果。
左右兩側(cè)的效果,與中間的參考解相比,可以說是有肉眼可見的差距了。
而與更多的其它方法做對比后,也明顯可以發(fā)現(xiàn),該項研究中的方法,既能得到準(zhǔn)確的波形,也能得到更多的水流細(xì)節(jié)。
現(xiàn)在再來回頭看下本文最初的那個特效,在基于這樣的方法之下,可以看到前面的船產(chǎn)生的浪花,甚至?xí)绊懙胶竺娲w產(chǎn)生的浪花形態(tài)。
對于這樣的效果,用張心欣的話來說就是:
化有界為無界,便可以追求擬真的更高境界。
如何實現(xiàn)逼真動畫?
要想回答這個問題,就需要先了解一下邊界元技術(shù)。
這個技術(shù)通常對流體運動做有勢無旋的假設(shè),把大規(guī)模水體的 NS 方程 (納維-斯托克斯方程),簡化成了伯努利方程。
這就使原本需要在三維網(wǎng)格求解方程的問題,轉(zhuǎn)變成只需在水體表面上定義和求解拉普拉斯方程。
再簡單來說,就是把原先復(fù)雜的三維問題,降到了二維層面來解決。
但流體相比于剛體等,自身就是屬于最難的那種場景,加之理論上又存在于諸多局限性。
所以邊界元方法即便是處理流體問題,也不會在復(fù)雜的情況下多見。
例如因為積分的奇點、控制方程的非線性,、拓?fù)渥兓y以處理等問題,就算是數(shù)學(xué)論文中的 BEM,通常只能求解到波峰開始破碎的時刻。
怎么破?
理論不足,“工程來湊”:
該項研究提出的解決辦法,將邊界元方法發(fā)展成了一種具備穩(wěn)定性,獨立地就能模擬復(fù)雜水體動力學(xué)的技術(shù)。
具體而言,就是將邊界元技術(shù)與傳統(tǒng)的 FLIP 水體仿真方法,進(jìn)行融會貫通。
例如在上面這個例子中,就不存在三維仿真解算的問題。
所有的計算未知量、計算的時間積分量,都僅僅存在于水體表面網(wǎng)格上。
這樣一來,就大大減少了計算的內(nèi)存或時間消耗。
也正是基于這樣的計算優(yōu)勢,這種方法就非常適用于大面積、大范圍、大體積水體運動的仿真。
▲ 左側(cè)為混合 BEM-FLIP 的案例,右側(cè)為純?nèi)S仿真的參照。
除了技術(shù)理論上的研究,澤森的研究人員們?yōu)榱俗尭嗳四軌驅(qū)崿F(xiàn)諸如此類的特效,還特意打造了一個特效開發(fā)系統(tǒng) ——ZENO。
這個系統(tǒng)不僅僅支持大量先進(jìn)高級編程語言特性,更大的亮點就是低代碼。
像文章開頭的那張?zhí)匦В踔敛恍枰萌魏未a就可以實現(xiàn)!
而操作方面也是極度舒適,是“連連看”的那種:
甚至連 ZENO 中的流體動力學(xué)、固體動力學(xué)、分子動力學(xué)解算器,都是 ZENO 團(tuán)隊自己用節(jié)點編輯器,而非 C++ 代碼開發(fā)出來的。
苦特效從業(yè)者久矣的另一個問題,就是開發(fā)高性能 GPU 代碼。
這一點上,ZENO 也提出了自己獨特的嘗試(此處特別贊揚 @archibate,@littlemine)。
它內(nèi)置的腳本語言是 ZFX,結(jié)合 ZENO 的 wrangler 一起使用,可以在 CPU 和 GPU 上無差別運行!
此外,ZENO 還提供了一系列好用的工具來幫助人們快速地構(gòu)建場景。
對于幾何形狀的 CSG 操作:
對中間的開發(fā)步驟進(jìn)行可視化:
從幾何形狀產(chǎn)生大量仿真運算的粒子:
并且,ZENO 還具備完整的嵌入式計算開發(fā)工具鏈。
同樣是在無需代碼的情況下,就可以把 ZENO 編輯器開發(fā)的計算圖,直接導(dǎo)入到 C++ 交互式項目中使用,以此來處理物理計算部分:
不僅如此,在移動端(安卓)也可以進(jìn)行高精度高性能計算!
而且 ZENO 團(tuán)隊還非常貼心地附上了案例和使用教程。
感興趣的友友們,文末自提哦~
從皮克斯走出來的 CG 大神
能實現(xiàn)如此逼真效果,團(tuán)隊實力自然不容小覷。
那么最后,就再來說道說道背后的靈魂人物張心欣,以及他的初創(chuàng)公司 —— 澤森科工。
與 CG(計算機圖形學(xué))的緣起,得從張心欣的高中時期說起。
跟如今常提到的天才少年不同,他是個嚴(yán)重偏科的游戲小子。
美術(shù)和數(shù)學(xué)就是他最喜歡的課程。他沉迷于文藝復(fù)興時期的藝術(shù)史,也陶醉于設(shè)計和思考數(shù)學(xué)問題。
至于其他課程 emmm…… 論如何度過漫長的 45 分鐘。嗯,想必在座各位或多或少研究過。(手動狗頭)
至于玩游戲,他是認(rèn)真的。
倒不是欽定幾個游戲一個勁兒打,而是幾百個單機游戲都有接觸。
與其說是玩游戲,倒不如說是游戲測評。
那個時候當(dāng)個“游戲博主”可不簡單,他要從設(shè)計者的角度去考慮問題,比如精美畫面、關(guān)卡設(shè)計、技術(shù)實現(xiàn)……
這也就驅(qū)動著他去翻技術(shù)論壇和互聯(lián)網(wǎng)資源,也正是那時候才意識到原來國外精美的 3D 特效,背后需要如此高深技術(shù)才能達(dá)到。
張心欣告訴量子位,當(dāng)時就萌生了個念頭,有朝一日要開發(fā)這些頂尖技術(shù),做出頂尖的游戲。
之后在大學(xué)自學(xué) CG 以及皮克斯實習(xí)時光,真正引起了這個想法質(zhì)變。
因為偏科,擦著二本線的他進(jìn)到了浙江大學(xué)城市學(xué)院。
但是在接觸到大學(xué)的數(shù)學(xué)物理教學(xué)后,他開始覺醒到原來這些就正是世界大戰(zhàn)以來令人類世界發(fā)生巨變的力量。
在興趣驅(qū)使下,張心欣自學(xué)圖形學(xué)的相關(guān)知識和寫代碼。
最后熟練到什么程度呢?張心欣回憶道,當(dāng)時相關(guān)領(lǐng)域的博士在一些科研項目上還會時不時向他請教。
從浙大畢業(yè)之后,他來到紐約大學(xué)讀研究生,也是在那遇到了一生最難得的機會 ——
前往皮克斯實習(xí)。
AMP(美國電影藝術(shù)與科學(xué)學(xué)院),也就是頒發(fā)奧斯卡獎的那個組委會,在全美知名大學(xué)中選出 5 位計算機科學(xué)、數(shù)學(xué)的研究者,他們有機會前往好萊塢 5 家頂級工作室暑期實習(xí)。
當(dāng)中就包括皮克斯、夢工廠、工業(yè)光魔這些知名團(tuán)隊。
經(jīng)過層層面試篩選,他成為了這當(dāng)中的五分之一,當(dāng)時收到組委會的通過電話時,他直接激動得在大街上尖叫。
如今回憶起當(dāng)年的實習(xí)歲月,他在皮克斯感受最深刻的就是科學(xué)要去服務(wù)于藝術(shù)。
不同于其他的工程師團(tuán)隊,皮克斯的技術(shù)人員除了要將 paper 轉(zhuǎn)化為可用工具之外,還要這些工具轉(zhuǎn)化成藝術(shù)家“看得懂、聽得明白、理解的了、能夠會用的一個個積木”。
利用本地的超算系統(tǒng),藝術(shù)團(tuán)隊只需在軟件界面動下鼠標(biāo),所有的畫面效果經(jīng)過背后不可見計算,直接實時回傳到藝術(shù)家的手上。
基于這樣的理念,在去年 9 月,他創(chuàng)辦了澤森特工,擔(dān)任創(chuàng)始人兼 CTO。
我在公司當(dāng)唐僧
取名澤森科工,也叫 Zenus,張心欣這樣向我們解釋背后的含義:
Zenus 拆解開來,分成 Zen,禪宗、佛之意,Venus,則是維納斯,所以中文也叫做佛系維納斯。
除了佛系,禪在中文語境下也有道法自然、天然的意思在里面,也跟物理仿真追求真實與美相契合。
其實在創(chuàng)辦之前,倒是有這樣兩個小插曲。
一個是實習(xí)期間,他看到了整個好萊塢影視產(chǎn)業(yè)化的全鏈條流程,感嘆于國外頂尖特效技術(shù),而國內(nèi)類似團(tuán)隊都很少,與之匹敵更是寥寥。
他就由此萌生了要在國內(nèi)打造類似團(tuán)隊的想法。
另一個則是在 2018 年,當(dāng)時正好所在公司被谷歌收購,受北大陳寶權(quán)教授邀請來到北京電影學(xué)院未來影像高精尖創(chuàng)新中心就職,隨后又加入騰訊游戲。
正是在這兩個分別在電影、游戲的頂尖技術(shù)團(tuán)隊的工作經(jīng)歷,讓他了解了當(dāng)前國內(nèi)的發(fā)展情況。
萬事俱備之后,他創(chuàng)辦了澤森科工,致力于打造 ZENO 物理模擬平臺,目前團(tuán)隊 10 人左右。
他也借此勉勵那些想出來創(chuàng)業(yè)的技術(shù)人員:想做就勇敢邁出第一步,比如先與妻子達(dá)成共識,得到她的支持和肯定。
如今,公司成立即將滿一年,張心欣感嘆,自己越來越像取經(jīng)團(tuán)隊里的唐僧。
小伙伴們技藝都很高超,這我十分佩服。
我在團(tuán)隊中做的,更多是用技術(shù)服務(wù)于創(chuàng)新這一理念來影響和凝聚整個團(tuán)隊。
以至于讓整個團(tuán)隊達(dá)到這個共同追求。
對于未來,他希望更多志同道合的小伙伴參與進(jìn)來,投身進(jìn)這一項事業(yè)上來。
正如曾在他一篇文章提到的那樣:
我們一定要做一邊看電影,一邊推導(dǎo)數(shù)學(xué)公式和神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的科學(xué)家。
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