《加勒比海盗》渲染揭秘

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工业光魔公司（ILM）在《加勒比海盗》的工作中为故事片中计算机生成的人物建立了一个新的黄金准则。为了逼真地渲染大卫·琼斯和他的船员们，这项技术的发明代表了大量渲染技术在制作中的汇合。为了实现上述完美真实感，工业光魔和皮克斯开发了一种革命性的技术，使用基于点的近似环境遮蔽和色溢，而没有采取光线追踪。这种基于点的渲染技术与内部次表面散射工具的细化相结合，使大卫·琼斯（和船员）得以成功的渲染。

次表面散射技术在制作中的杰出贡献

工业光魔为准备制作次表面散射做了大部分的早期工作，以Henrik Wann Jensen的研究为基础。Jensen说，次表面散射模型包括两种散射：单次散射和漫散射。

单散射模拟了光散射在单一时间介质内部的效果。漫散射计算“漫射近似值”。在这两者中，单次散射最简单、计算量最少，正因为这样，它最先用于制作。该技术在《星球大战II》中用于数字替身，但用在了最后那个镜头，看起来效果还不错。因此，单次散射在《绿巨人》专题中获得良好开端。由于单独使用单次散射类似于镜面反射，所以抖动散射条目来模仿漫散射的效果。

散射和漫散射的首次完整实现是在家养小精灵Dobby的制作上（《哈利·波特与密室》2002）。这使得Hery、Letteri和McGaugh发明的z-buffer技术闻名于世，在2003年获得了奥斯卡技术成就奖。

这种技术效果不错，但有局限性。首先，需要大量的设置和跟踪簿记来记录必备的z-buffers。例如，一个皮肤网格要有自己的z-buffer，对于外部几何体（如软骨和服装）还需要额外的缓冲区。考虑到基于图像的照明扩散，也许更大的限制是所有来自深度图上的CG灯光的照明（有助于SSS）要求。这也禁止了光线跟踪和全局照明技术的使用，而这两项技术已逐渐普遍用于真实感照明。

这个问题的解决方法是将微多边形的阴影网格的高速缓存写出来，并附上他们辐照度信息，然后在该缓存中运行次表面散射的扩散计算。这种方法充分利用了REYES算法的自动切割，使照明和阴影都有效为辐照度服务。这项技术首次亮相是用于《终结者3》，并在此之后的制作中一度作为主要散射技术。

除了散射运算的复杂性，将输入参数合理地设置到次表面散射计算中也很难。大多其他照明要求都有直观的调节参数，最终返回到一个浮点值，通过在彩色地图上倍增浮点值，很容易调节。但是次表面散射的计算返回至一个色彩值，并且由非直观的参数驱动：反照率与平均自由程长度。现在的问题变成了为了得到有真实感的散射肤色，如何正确编写输入参数。为了解决这个问题，ILM发明一种被称为“纹理反转特技”的方案。

发明纹理反转特技是为了将次表面散射融入着色流水线，使纹理艺术家和视觉开发进程分裂最小化。由于纹理艺术家用于创建适用于标准BRDFs的漫反射纹理贴图，当初是想用这些漫反射纹理贴图作为出发点，来确定SSS参数。这种“特技”是假设漫反射贴图是在均匀的照明条件下进行，且已经是散射计算的结果，然后反转散射计算，再返回去研究输入参数。从本质上讲，这种技术不为漫反射纹理贴图提供照明，将起始参数应用于SSS计算。

大卫·琼斯和船员的挑战

在创造大卫·琼斯和他的船员时，当Aaron McBride和Crash McCreery的概念设计展示出来时，ILM所面临的巨大挑战迎刃而解。表面的细节和复杂性需要新的方法来设计和渲染人物。为了实现复杂的几何细节，将Pixologic的Zbrush集成到制作流程中，提供高分辨率的雕刻和置换贴图。

不投入成本，这些细节都无法实现：建模部门将大卫·琼斯完全替换成为一个超密度的模型。为了让该人物更具真实感，我们必须采取全新的办法去渲染这个人物。像家养小精灵Dobby和Lemony Snicket中的宝宝这些早期角色都是在环境遮蔽和辅助照明（色溢）的环境下，成功进行了光线追踪。这种技术也在大卫·琼斯的超密集网格上进行了测试，但制作费用非常昂贵。例如，环境遮蔽条件下光线追踪需要10小时以上，色溢根本无法完成。

英伟达凭借其完美的时间控制，在无光线追踪、近似环境遮蔽的条件下在GPU Gems展示了其先驱之作。看到了发展的潜力，ILM与Pixar的RenderMan的开发团队密切合作，为在《加勒比海盗》上使用PRMan技术。在测试中，使用这种新的近似基于点的环境遮蔽，使原本闭塞环境下的渲染时间由十几个小时降低到了两个小时。如果照明可以并入点云（见于基于点的环境遮蔽和色溢），作为福利，基于点的色溢就是免费的，此前，色溢在此类场景中是无法实现的。这项技术和建模、纹理、照明部门一起，使大卫·琼斯和船员的形象得以成功实现。

另一大挑战是创建大卫·琼斯的CG眼睛。最初他们不想给大卫和船员们创建CG眼睛。演员的真正双眼在拍摄时用了黑色化妆和追踪标记，以防CG眼睛无法表现的更逼真。尽管诚惶诚恐，视觉开发团队首当其冲，将眼睛与其他渲染挑战同等对待。双眼的渲染最终用了一组标准的渲染技术，栩栩如生。大部分角膜镜头，并没有使用任何光线跟踪反射，但依赖于周围灯光反射的高动态范围图像，被反射遮挡的预设通道减弱（请参见反射遮挡）。然而，角膜折射的每个镜头都需要光线追踪。巩膜（眼睛白色部位）使用了用次表面散射，将颜色推向红色端，有足够的空间按需要调整饱和度。

对大卫·琼斯进行Uber着色

对大卫·琼斯及船员进行着色的起点是由Pat Myers开发的Uber材质球。Uber材质球包含了调节最终视觉效果的所有参数。这种单片着色器虽然完整，起初只是为单一类型材料着色而创建，然而在《加勒比海盗》中，各个人物都进行了表面细分，从网格生成多样化材料的混合，比如海藻、珊瑚、藤壶以及皮肤本身。如上所说，ubershader可以分别调整，单独为每种材料着色。然而,在一个细分曲面网格上渲染所有这些材料，需要做出一些修改。我们重新编写了着色器，可以处理四种材料类型：皮肤、衣物、藤壶、和贝壳。将庞大的参数块复制四次,所以每种材料都有相同的调节参数。然后着色器的核心进入一个循环，循环迭代结束时,用图像映射将不同材料类型混合，在不关联特定材料的情况下开合计算区域。

材料内部包含一个使用了专用DSO的强大次表面散射的组件。事实上，为了漫射照明，着色模型仅依赖于次表面散射的结果，没有朗伯（Lambertian）或其他漫射措施。如上文所述，调节次表面散射是因为输入参数非直觉绘入地图才变得复杂的，输入参数的自由深度只有3mm的进入通道。通常，保持参数不变最简单，但用反射率图反转(如上所述)来保证表面的变化一致。
在SSS的顶部是几层Cook-Torrance 高光区：其中一个用于调节湿度（参见实现自定义双向反射分布函数BRDF）。最后，用Zbrush制作的32位置换贴图替换密集网格（参见Displacement II）。渲染流水线完成以后，是10个二次输出和AOVs，将这些交给合成部门就可以了。

工业光魔布景

工业光魔在布景中采用了业界标准做法，这也帮助了先驱们，捕捉色度和灰色参考区域及高动态范围图像。最小的一组灯光参考是一个灰色的镀铬区域。除此之外，时间和访问许可、高清HDR全景图都是用SPHERON摄影机拍摄的。

从布景中捕捉到的参照物，直接用于照明流水线。为了更好的与背景相匹配，光的位置和性能都是一个镜头一个镜头的逐个处理，当然也要根据灯光组和特效总监的判断进行处理。基于图像的照明（IBL）现在经常用于照明设置，与新的基于点的次表面散射集成也很好。用到IBL的地方，关键的光线及次要光线是分离的，关键光线都被用程序从高动态范围图像中涂掉，并用CG光线取代。余下的高动态范围图像提供由环境遮蔽衰减的辅助照明(见于Siggraph 02中关于全球照明的制作)。将关键光线用CG光线替换增加了直观性，可以最大限度的控制灯光的位置及阴影的投射。

将基于点的渲染效果加入流水线，使制作流水线中捕捉到的布景参考得以更充分的利用。此外，使用基于点的技术，以前无法进行渲染的场景，现在可以任意添加修饰进行渲染，包括次表面散射、环境遮蔽和色溢，所有这些都无需依靠光线追踪。总之，基于点的渲染技术的出现，为制作渲染提供了一种更加先进的可能性。