从虚拟摄像到异构计算IT成就魔幻阿凡达万芳

从虚拟摄像到异构计算-IT成就魔幻《阿凡达》-CSDN.NET

摘要：片长160分钟、历时14年打造、成本超过二十亿元、3000多个特效镜头、2000名幕后工作人员中800个为CGI特效人员这些让人惊叹的数字全部出自最近最火爆的3D大片《阿凡达》。这部由《泰坦

片长160分钟、历时14年打造、成本超过二十亿元、3000多个特效镜头、2000名幕后工作人员中800个为CGI特效人员这些让人惊叹的数字全部出自最近最火爆的3D大片《阿凡达》。这部由《泰坦尼克号》导演詹姆斯卡梅隆重磅出击的3D大制作几乎每分钟都相当精彩，而由于片长将近3个小时，网上甚至盛传观影最佳上厕所时间在第56分钟的贴心趣帖。英国BBC记者以电影片段让人目瞪口呆并震惊来强调这种强烈的感动。

导演詹姆斯卡梅隆一直野心勃勃地致力于改进电影技术以让CG(国际上习惯将利用计算机技术进行视觉设计和生产的领域通称为CG)动画看起来更加真实，《阿凡达》带给观众的视觉震撼正在引起全球热议。在《阿凡达》华丽的商业运作背后，有着怎样的信息技术在支持这一切的呈现呢?

虚拟摄影机：

营造逼真的人物形象

在影片开始部分，飞船飞跃潘多拉星球时，萨利看着窗外巨大的树木和瀑布这些由3D透视创造的虚拟景象赋予了潘多拉星球无与伦比的真实感，观众所感受到的就像萨利感受到的一样。在《阿凡达》逼真的人物形象背后，离不开大量3D虚拟摄影机的应用。

为了将人物形象逼真地还原出来，导演詹姆斯卡梅隆花费10年时间研究出新一代的动态捕捉技术和全新的3D摄影机，或者说是3D虚拟影像撷取摄影系统。演员穿上贴满各种感应器的特制服装做出各种动作，经拍摄后传至计算机进行仿真成像，新系统规模比以往的动态捕捉大6倍，演员头上安装了可监察眼、口和任何细微动作的高清摄影机，制造出超强真实感。

新一代的虚拟摄影机采集真人表情，并将这些表情贴在经电脑加工后的纳威人脸上。在拍摄时，演员戴上高清摄像头，记录表情变化，最后通过仿真制作出表情丰富的动画人物。

在拍摄过程中，除了采集演员面部表情外，工作人员还专门架设了一套协同工作摄影机，多达140部摄影机同时对准这个演员，拍摄演员身上反射过来的光线，通过电脑处理获得整个特效镜头。

在这套虚拟摄影系统中，装备了一块高达3米的LCD屏，在摄影机通过传感器捕捉演员表演的同时，卡梅隆能从这块显示屏上预览到演员化身为蓝色纳威人行走在潘多拉星上的行走效果。这项即时的渲染技术能让制作人员及时得到虚拟后的场景，精确判断想要得到的最终画面。

由于《阿凡达》60%的画面都是CG制作的，传统实景拍摄的手提摄影、摇臂摄影等设备表现出了很大局限性，而卡梅隆运用自己开发的虚拟摄像机解决了这一问题。使用这个虚拟摄像机，不但可以预览已经结合了演员表演和虚拟场景的画面，还能铺设出导演想要的所有镜头运动。在这个过程中，运动轨迹能够被系统捕捉下来，并合成到后期的画面处理中。依靠这套神奇的设备，卡梅隆使自己在CG世界中运镜自如，让画面呈现出实拍一般的动感。

数据中心：

庞大数据处理需求的保证

位于新西兰的Weta Digital数据中心最近成为媒体关注的焦点，原因很简单：这里是《阿凡达》的制作中心。在《阿凡达》出类拔萃的影像质量背后，正是这个数据中心提供了强大的运算能力。

这个数据中心在2008年重新装配了1万多平方米的机房，布满了惠普BL2220c刀片式服务器，拥有4万多个处理器和104TB的RAM，通过光纤连接读写大约3PB的数据。多重10G网络连接将上述装备紧密包裹起来。因为数据流要求绝对稳定，所以所有运算都不能借助互联网，而需通过本地机房网络以尽可能高的带宽完成。

《阿凡达》类型的鸿篇巨制得以呈现的关键因素就是数据中心提供的强大运算能力，以及艺术品一样驱动计算进行的数据管理。该数据中心的群集系统采用了由匹克斯出品的阿尔弗雷德多任务阶梯式架构，将一个大任务分解成上千个独立的小单元来处理。在制作高峰时段，这里每天要处理1万多个任务，即1300万~1400万个小单元。之所以会有如此多的小单元，是因为每秒24帧的电影画面中，每1帧都要独立拆分出来进行渲染。

异构计算：

追求极致的速度和渲染效果

当观众正坐在影院中对电影中的特效评头论足时，像洛杉矶Scanline VFX或是新西兰Weta Digital这样的视觉特效公司却在埋头工作，力求让观众看到的一切更真实。这两家公司，前者用计算机模拟了《2012》中的大量镜头，而后者则制作了《阿凡达》中足以乱真的CG场景。实际上，这两部电影的导演罗兰和卡梅隆也可以说是从动画中受益最多的两位导演。不过，GPU的飞速发展使得他们不必像在拍《独立日》或是《泰坦尼克号》时那样经历漫长的等待。

在《2012》中，需要模拟的镜头任务量达到了103个，完成这些镜头的计算用了四个月时间。而《阿凡达》中几乎仅存在于幻想中的外星场景更能让观众体会到科技的力量。但是，这也给Weta Digital公司提出了新的挑战。为此，Weta研发部门联合英伟达(NVIDIA)研究院开发了一套新的光线追踪软件解决方案，以处理《阿凡达》复杂镜头所需的数十亿计的多边形。

在《2012》和《阿凡达》中，计算技术已经和两位导演创作《独立日》及《泰坦尼克号》时不可同日而语，并行计算和GPU的应用大大提升了计算速度。现在，在短短的几天之内，流体模拟的性能可以带来是从前数十倍的加强。Scanline VFX公司的视觉效果总监斯蒂芬(Stephen Trojansky)表示，当采用了支持异构计算的OpenCL技术后，处理流体模拟数据的速度大幅加快了，为此，斯蒂芬计划将机房中的1U服务器更新成具备更多GPU的Tesla 刀片服务器。

与此同时，远在大洋彼岸的Weta研发部门正在将其名为PantaRay的预计算引擎移植到CUDA平台上，以实现计算性能的提升。事实证明，当在GPU上运行时，PantaRay的光线追踪进程最高比在CPU上运行时快25倍。Weta研发部主管Sebastian Sylwan甚至夸张地称，这种方式与传统方式的速度差异可能达到100倍。《阿凡达》的一个镜头中一座大山的模拟花费了Weta一天半的时间，而Weta的工作人员Fascione表示，在将PantaRay移植到CUDA平台之前，这一工作需要耗时1周。那样，我们可能要等到2012年之后才能看到《阿凡达》了。

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