cg电影动画（电影和动画中毛发制作的CG技术详解）

在电影CG创作的历史上，第一个勉强可以算是CG角色的形象出现于1985的影片《少年福尔摩斯》（Young Sherlock Holmes，1985），而第一个浑身长毛的CG角色却要晚到1999年的《精灵鼠小弟》（Stuart Little，1999）才算真正诞生。究其原因，实在是因为CG毛发的创作过于困难。这里所说的毛发既包括人的头发，也包括动物身上的绒毛、皮毛等。在现实世界里，这些都是最自然不过的真实存在，然而在CG世界，想要让CG创作的毛发具有"真实感"，就必须触及到各种细致入微的技术难题。从《精灵鼠小弟》至今，纵观过去近二十年的电影CG发展史，其中CG毛发技术的进步可以说是一日千里。

一、 CG毛发技术之难点

毛发和流体可以并称为CG制作中两个顶级难题，这两者涉及到的计算资源的消耗都是爆炸性的。成熟的CG生物形象当属1993年的《侏罗纪公园》（Jurassic Park，1993）中的恐龙。尽管这一CG形象在当时震撼世人，但实际上，对于CG创作来说，像恐龙这种皮糙肉厚的动物，创作起来要比创作一只长着毛的小老鼠容易的多。后者直到1999年的《精灵鼠小弟》才算是粉墨登场。直至现在，为了节省动画的运算量而将角色设计为无毛发或少毛发的例子也是屡见不鲜，比如动画片小黄人系列，国产电影《捉妖记》（2015）等。

《少年派的奇幻漂流》中CG老虎的创建过程

其次，不同动物毛发的不同质感需要在细致观察后进行制作，毛发的长短、粗细、颜色、质感、排布的规律、是丝丝分明还是集结成簇等，都是需要花时间精力去调整的。在这一点上《奇幻森林》（The Jungle Book ，2016）可以说是个中翘楚。

第三，当涉及到长发的运动时，比如《魔发奇缘》（Tangled ，2010）、《勇敢传说》（Brave ，2012）中女主角或飘逸或卷曲的长发，都需要做数量庞大的头发间碰撞和摩擦等方面的计算，如何把动力学的运算做得更好，是技术人员至今仍在不断学习和探索的课题。

最后，还要考虑到不同环境条件下毛发会呈现出的不同状态，比如在水、风以及光照等条件因素的影响下，毛发会呈现出的独特样子。拿光照来说，不同的光打在不同角度所呈现出来的效果会影响到动画形象看上去是否自然。

总之，想要在银幕上创作出富有真实感的毛发，以上因素缺一不可。可以说，CG毛发的创作是一项既"烧钱"又"烧脑"的行业难题。然而，对于电影创作来说，毛发又是一个不可能完全绕开的东西。不仅如此，很多CG毛发的出色运用大大增强了影片的艺术性和观赏性。在《勇敢传说》中，正是女主角梅里达那一头火红的长卷发强化了她那火爆的性格（图2）；在《少年派的奇幻漂流》、《奇幻森林》里面，正是CG毛发技术的成熟造就了逼真的动物形象，从而成就了靠真实动物表演不可能实现的电影情节；在《怪兽大学》（Monsters University ，2013）、《疯狂动物城》（Zootopia ，2016）等电影里面，正是CG毛发技术的精益求精造就了诸多生动可爱的卡通形象。总而言之，CG毛发技术既助力了现实题材中难以被拍摄的部分，也为非现实题材中角色形象的创想提供了实现的可能。

《勇敢传说》中女主角的红色卷发

二、CG毛发技术进步史

如今，CG毛发技术的成熟几乎可以让电影的美术师随心所欲地创造理想中的CG形象，这其中技术的进步并非易事。在这条探索之路上，电影人克服了一个又一个困难，也登上了一个又一个的巅峰。《精灵鼠小弟》（1999）第一次将活灵活现的白色小老鼠形象呈现于大银幕；《最终幻想：灵魂深处》（Final Fantasy: The Spirits Within ，2001）大胆地挑战了全CG人类主角的中长发造型；《魔发奇缘》（2010）和《勇敢传说》（2012）探索了女主角长发造型的全新样式；在《少年派的奇幻漂流》（2012）创作出真实感十足的CG老虎之后，《奇幻森林》（2016）更进一步创作出各种超级仿真的动物；在《怪兽电力公司》（Monsters Inc，2001）解决了毛绒卡通形象的技术难题之后，《怪兽大学》（2013）、《疯狂动物城》（2016）进一步将卡通形象的真实质感推向更高境界。这些影片在呈现毛发质感的方向上各有不同，但无一例外的是，都以CG毛发技术为辅，成就了电影作品的艺术魅力。

1．传统特效时期的毛发制作

在1933年的《金刚》（King Kong，1933）里面，导演库珀将动画、真人和模型相结合，通过定格动画技术和微缩模型拍摄方式，制造出了当时最震撼的特效画面。怎样才能让金刚身上的皮毛显得逼真呢？电影剧组采用了最直接粗暴的办法，用真的兔毛覆盖在了金刚的生物模型上面（图3）。当然，这样的特效制作水平在今天已经过时。

《金刚》中用兔毛制作的金刚毛发

2．数字时代的毛发初体验

1995年，由皮克斯创作的影史上第一部3D动画长片《玩具总动员》（Toy Story，1995）上映(图4)。由于片中出现了人类的形象，不可避免地需要对"头发"这一模块进行探索与尝试。片中对于头发的实现，是在Maya中先用面片做出头发的大型，再在PS（Photo Shop）里面绘制出头发的贴图，将绘制好的贴图附在模型上，并在边缘产生一定的透明度，最后再加上简单的动力系统，从而勉强实现头发的效果。这样做的优点是面比较少，实现简单，但也由于面比较少，使得头发不能分散只能整块运动，无法模拟出真实头发的运动效果，对光照等因素也没有过多的考量。即便如此，这仍旧可以说是一次了不起的尝试，尽管其效果在今天看显得过于呆板。

《玩具总动员》中贴图制作的人物头发

即便如此，这仍旧可以说是一次了不起的尝试，尽管其效果在今天看显得过于呆板。

3．史上第一只真正的CG毛发动物

虽然头发这一元素在《玩具总动员》中得到了第一次的展现，但究其根本，其使用的贴图的方式，和给皮肤附上颜色、给衣服附上花纹在原理上是一样的，都是将材质附在模型上，因此头发只能是以一个面片的方式呈现，并不能丝丝分明。严格来讲，这只能说是模拟出了头发的样子，而并没有针对头发的特殊性质来研发专门的制作方法。

1999年，纯CG制作的白色小老鼠斯图尔特横空出世，担当了电影《精灵鼠小弟》（图5）的主角。和《侏罗纪公园》（1993）里面体型庞大的恐龙相比，这只鼠小弟还不及它的一只脚掌大，但制作的难度却升了好几个量级。在当时，没有任何成型的软件或第三方插件能提供创造毛发的功能，一切都需要从零开始。更大的困难在于，电影中对白色物体的照明把控向来比较难，而鼠小弟的毛发是白色的，这意味着有色光投射到它的毛发上时会被吸收并反射，进一步增加了创作的难度。影片中还有鼠小弟掉入水中的镜头，湿漉漉的毛发效果更是从来没有人做过的。最终，制作人员决定使用皮克斯公司的RendenMan软件中的Ri曲线来画出单根毛发，并开发了全新的漫射照明模型，将极为复杂的毛发模拟和渲染问题顺利解决了，还首创性地尝试了"簇生成"技术来模拟沾湿后黏在一起的毛发 [[endnoteRef:2]]。最终，六十60多万根毛发在斯图尔特的身上自然地呈现出来，让这一CG形象显得它栩栩如生。 [2: []朱梁.高科技的奇观——影片《精灵鼠小弟》电脑特技研究[J].影视技术，2001，（1）：22-26.]

《精灵鼠小弟》中逼真的毛发效果

4．CG人物头发的新突破

时间来到2001年，日本电子游戏大师坂口博信在他的电影作品《最终幻想：灵魂深处》（图6）中第一次尝试了以真实比例制作全CG人物形象，这一惊人之举连八年后的科幻神作《阿凡达》（Avatar ，2009）都没敢如此尝试，后者能用真人的地方就用真人。虽然《最终幻想：灵魂深处》票房口碑都差强人意，但在特效方面始终是可圈可点的，尤其是影片突破性的尝试了人物头发的CG制作。片中女主角Aki在风中飘荡的头发轻柔飘逸、纤毫毕现。在这之前，电影银幕上从来没有出现过这样丝丝分明的CG头发。事实上，女主角Aki的头发不再是用面片制作，而是先创建一些线来定义头发的走向，通过这些线来生成一根一根的发丝。

在《最终幻想》之前，用计算机制作毛发并实现其运动是一件极其困难的事情。虽然有《精灵鼠小弟》中以假乱真的实现程度在前，但毕竟由于小老鼠的毛发很短，无需实现一系列的复杂运动，从而大大简化了毛发的制作。这部《最终幻想》应该说是在CG世界里首次实现了毛发的甩动、旋转和光线动态处理。为求逼真，创作者总共渲染了六6万绺头发，这个数字已经达到真人头发数的一半（普通人的头发一般在十10万根左右）。制作成本在当时也是相当惊人的，一秒钟的渲染需要耗费三十六个36小时。正因为头发这东西创作起来如此不易，所以影片中只有女主角Aki一个人有飘逸的长发，其他人不是短发就是光头，或者戴着帽子，以此来"扬短"而"避长"。

《最终幻想：灵魂深处》中首次实现的飘逸头发

5．CG毛发技术再升级

和《最终幻想》同年上映的《怪兽电力公司》（图7）也在技术上面临了前所未有的挑战，最核心的挑战就是毛怪身上那摇曳蓬松的毛发。在设计之初，导演就提出了这样一种构想，"想做出一个让人一眼看到就想抱抱的角色"。这句浪漫十足的话落实到技术人员那里可一点都浪漫不起来。毛发数量的翻倍不仅增加了渲染量，更大的困难还在于毛怪的毛发并不算短，难以避免的随着毛怪的运动而产生运动，要想达到非常拟真的长毛绒效果，就必须在控制毛发运动上下一番功夫。最终，技术团队专门为毛怪开发了一个叫"Fitz"的工具，并建立了完全仿真的动力学模拟系统，把每根毛发看作是一个个曲线和粒子链，再加上对粒子动力原理的模拟，最终成功地模拟了毛发的效果，并能完美地配合毛怪的各种动作和表情。于是在导演的大胆构想和制作人员的共同努力下，毛怪这一CG角色诞生了。仅它的身上就有2320413根毛发，比鼠小弟斯图尔特翻了四倍 [[endnoteRef:3]]。 [3: []《怪兽电力公司》上映15周年：怪物世界诞生全揭秘tvsou/article/2941c686d24a5ca82ac8]

《怪物电力公司》中毛怪身上细致的通体毛绒效果

与《最终幻想》一样，一只毛怪的渲染量几乎就已经达到了渲染组的极限，电影里出现的其他毛发元素不得不因陋就简，比如影片中原本设计为长发的小女孩，最终还是被制作成了扎两个小辫子的形象。

新世纪以后，随着技术的发展成熟，毛发领域的大门仿佛突然被打开。CG制作团队不再对毛发避之不及，甚至越来越喜欢大胆地尝试和钻研，不断创造出各种生动逼真的动物形象，比如《冰河世纪》（Ice Age ，2002）中的猛犸象，《加菲猫》（Garfield ，2004）中的加菲猫，《金刚》（King Kong ，2005）中的金刚，《黄金罗盘》（The Golden Compass ，2009）中的北极熊等，都可以看作是CG毛发技术不断发展的成果。

6．探索CG毛发之多样性

2010年，迪士尼出品了其第一部3D公主电影《魔发奇缘》（图8）。影片制作者向一个从未涉足过的任务发起挑战——制作女主角乐佩七十70英尺（二十一米）长的金发。我们知道，越是长的毛发，涉及到的计算量越是多得可怕。片中女主角的头发有七十70英尺（二十一米）这么长，而且还带有神奇的魔法能力。CG制作人员在制作长发的过程中时常经历由于一点计算错误使长发满天乱飞的情况，必须推倒重来无数次。最终，我们在《魔发奇缘》中看到女主角发丝上丝绸般的光泽变幻，以及头发展现魔法时金色从发根处一丝一丝蔓延的惊艳效果。

《魔发奇缘》中丝丝分明的超级长发

2012年皮克斯推出的《勇敢传说》（图9）代表了CG毛发在另一个方向上的先锋探索。为了衬托女主角梅里达火爆的个性，导演将女主角的发型设计为一头火红的长卷发。这是CG毛发史上首次尝试长卷发的造型。为了这头卷发技术人员可说是绞尽脑汁。据创作者说，"女主角梅莉达公主有一千五百1500多束卷曲、蓬乱的红发，总共大约111,700根头发。我们以前从来没做过卷发，如果用常规的模拟器计算制作出来的头发，会因为重力头发变成拉直的效果，所以我们专门设计了一套模拟器来呈现她的卷发，我们为梅莉达做出九个层次的头发，每层有不同的卷，每个卷都会随着她的动作做不同方向的摆动，这样看上去非常的真实。" [[endnoteRef:4]] [4: []专访《勇敢传说》特效师 女孩变女人的技术分析ent.qq/a/20120613/000009.htm]

《勇敢传说》中女主角火爆的红色长卷发

7．向超级仿真境界的探索

2012年，李安作品《少年派的奇幻漂流》（图10）上映。这部影片在创作CG动物形象方面别具一格。不管是《精灵鼠小弟》中的老鼠，还是《黄金罗盘》中的北极熊，都属于非写实类电影中的偏卡通的形象，而《少年派的奇幻漂流》前所未有的想要做到完全仿真，做一只和真实环境中的老虎完全一样的CG老虎出来，其难度和挑战再上一级。

影片中有二十四24个镜头是用真实老虎拍摄的，其余镜头里出现的老虎均为CG制作。这种真假共存的方式无疑为CG老虎的制作提出了更加苛刻的要求，因为这必须要求CG老虎的形象与真实老虎的形象相差无几，才能保证从始至终老虎形象的连贯与统一。这一严苛的标准也推动着艺术家与技术人员们全力以赴，共同完成这个看起来不可能的任务。

该片的数码特效主要由特效公司"节奏与色彩"（(Rhythm & Hues)制作。由于老虎的体形庞大，皮肤松散，艺术家们参考真虎的影像资料对虚拟老虎模型进一步细微调整，模仿真虎的转头、跳跃、扑打和游泳姿势，连一个面部抽搐的小动作都要符合真虎的形态。光是老虎的毛发，就有超过十五15名动画师负责，有些人得整理与排序老虎超过千万根的毛发。根据负责老虎制作的特效总监比尔·威斯顿豪夫的介绍，单单这些调整就需要三个礼拜，老虎特效花费了六个月，在整部戏中，只是老虎的制作就花掉了一年时间 [[endnoteRef:5]]。最终我们看到一只大老虎栩栩如生地站在少年派的船头，工作人员不负众望完成了这次非常伟大的冒险试验。令人感到悲怆的是，负责《少年派的奇幻漂流》的特效制作公司Rhythm & Hues在做完这只老虎之后就破产了，可见这只老虎的制作成本有多高。 [5: []揭秘《少年派》制作，老虎特效花一年时间ent.163/special/lifeofpi-visualeffects/]

《少年派的奇幻漂流》中极致仿真的CG老虎

和《少年派的奇幻漂流》类似，《奇幻森林》（图11）呈现的也是追求仿真的动物形象。作为《少年派的奇幻漂流》在CG方面的升级版，《奇幻森林》用CG做出了整个热带雨林里的各种不同动物。片中除了主角毛克利是由真人扮演外，其余所有动物角色均是由CG制作完成。这部要求"质"与"量"同时达到最高水准的作品邀请了Moving Picture Company（MPC）和维塔工作室共同完成，两个世界顶尖的CG公司联手，最终创造出了70多个超级写实的全CG动物角色。

《奇幻森林》中的各种CG动物

片中动物的每一根毛发都必须对光线做出正确反射，并且需要按照各种动物的毛发生长规律对其进行"梳理"工作，使其纹路走向、软硬程度符合各种动物的特性。例如黑豹巴希拉的毛很短，没有明显的纹路，但是细腻光亮；相比较之下，棕熊巴鲁的毛就厚实粗糙得多，并且比较蓬松；而猩猩路易王的毛则是一缕一缕的，像是很久没有打理过。在不同的天气环境下，动物毛发的干湿疏密效果也不一样，毛克利和狼群雨中告别的场景，就可以清晰地看到母狼拉克莎毛发上挂着的小水珠。在光照方面，，MPC升级了光线追踪渲染器来进行画面渲染，这种算法的运算量非常大，但能得到尽可能逼真的效果。整部影片中制作难度最大的场景恐怕就是毛克利坐在巴鲁肚子上嬉戏（图12），众所周知，毛发和水的模拟难度都非常高，而当这两者同时出现，还存在交互时，制作人员就不得不倾尽全力。相比1967年动画版，制作人员根据棕熊的实际浮力调整了其肚皮露出水面的高度，并且水中的毛发是像水藻一样散开，而水面以上的毛发则会成片地紧贴在身上[[endnoteRef:6]]，细致入微地模拟出了水面以上和以下两种不同的毛发状态。 [6: []揭秘《奇幻森林》动物特效新标杆news.mtime/2016/04/22/1554717-4.html]

《奇幻森林》里巴鲁与毛克利在水中嬉戏，很难看出CG制作的痕迹

8．动画领域里的CG毛发新境界

随着计算机运算能力的指数增长，CG技术在毛发渲染的数量层级上也有了新的突破。2013年，皮克斯推出《怪兽电力公司》的前传《怪兽大学》（图13），将毛发技术又提升到了一个新的档次。在这部作品中，不再是毛怪这个毛绒形象一枝独秀，而是整个动物城大街小巷都被各种毛绒卡通覆盖。

《怪兽大学》中的各种毛绒卡通

2016年，动画电影《疯狂动物城》（图14）横空出世。在影片中，除了主人公兔子和狐狸的形象外，其他主要的动物形象还有十几个，此外还有动物城中来来往往的成百上千只不同动物。虽然电影中的动物形象是卡通化的，但毛发的模拟却是极力仿真的。这种对毛发既要求数量大又要求质量高的电影，在以前是根本不敢设想的。据官方给出的数据，在《疯狂动物城》里，一只老鼠身上有 四十40 万根毛，长颈鹿有九百二十 920 万根，制作与渲染的工作量巨大。除了数量，细节的质量也是丝毫不减——狐狸的毛，从根部到尖部是呈逐渐变浅的色泽 ；北极熊的毛是透明的，只有在反射光线下才会看到白色，因此在动画片中，应着光线的变化，北极熊身上的毛会呈现不同颜色 [[endnoteRef:7]]。 [7: []邱月烨; 黄嘉维.《疯狂动物城》背后的"疯狂"[J].二十一世纪商业评论,2016(04）:111.]

如何处理这么多种类动物巨大的毛发计算量，还要兼顾其毛发的不同质感，成为迪士尼工作室需要解决的问题。此前，迪士尼采用过许多"侥幸"的手段成功地生成了其许多部动画电影作品中的头发和皮毛，但想扎扎实实达到复原的程度，就真的是需要下一番苦功夫了。他们因此计划深入到毛囊层面上来表现毛发的质感。为此，团队走访了很多野生动物园甚至自然历史博物馆，用显微镜去观察动物的皮毛，对比各种动物皮毛的组成与过去认知有什么不同，制作团队也确乎发现了一些对于真实表现毛发非常重要但之前都没有发现过的因素。比如他们发现，各种毛发的透明程度其实是非常不一样的，这直接影响到CG毛发制作中毛发所呈现的质感，比如蜜獾的白色皮毛非常不透明，但北极熊的白色皮毛很多却是半透明甚至完全透明的。这项研究的目的是分析皮毛外观，以及在毛囊层面上如何展现，有了这项新的探索，就不会让动物城里的动物看起来像是"毛绒玩具"[[endnoteRef:8]]。为每一个物种重建真实毛囊，成为此次迪士尼作品的一件极具挑战性的尝试。最终《疯狂动物城》为我们呈现出一场盛大的动物狂欢，真实的毛发质感使每一种动物都那么活灵活现受人喜爱。 [8: []迪士尼的毛发渲染技术到底有多强大render.vsochina/animation/2017/837.html]

《疯狂动物城》中各种不同质感的毛发

三、国产电影中的CG毛发技术现状

近几年来，国产电影中的CG技术不断进步，出现了像《捉妖记》（2015）、《大圣归来》（2015）这样有口皆碑的影片，但在CG毛发制作方面，这些影片大都避重就轻不敢染指。《捉妖记》中的妖精们全身上下几乎光秃秃没有一根毛，头顶该长头发的地方被设计成一块绿植，甚至连起风的时候也没有随风摆动；《大圣归来》（图15）中孙悟空全身的毛发也都是成块状集结，并不那么精细。也许此般设计更适合整体形象，但在另一方面同样也暴露出国内CG领域对于毛发制作的短板，创作者经常会有意无意地选择规避。

《大圣归来》中的孙悟空形象

另一方面，知难而上的国产电影也不在少数，而且各有千秋。比如《西游降魔篇》（2013）(图17)中的老虎和野猪形象，《西游记之三打白骨精》（2014）中的野猪形象，《九层妖塔》（2015）中的怪物形象（图16）等。不过，这几部电影中的CG毛发都是短毛，其CG形象出现的时间也比较短，而且很少有细致的特写镜头，这些实际上都是讨巧的办法，好在这些处理都还算和影片的文本内容相契合。相比之下，徐克的《智取威虎山》（2014）里的CG老虎更是货真价实，在制作水准上并不输给李安的《少年派的奇幻漂流》。当然，这两部影片本身的比较另当别论。总之，这几部电影里的CG毛发制作在画面效果上已经相当精彩了，基本上能代表目前国内最顶级的CG毛发制作水平。

《九层妖塔》中的怪物

从《精灵鼠小弟》中的短毛小白鼠，到《少年派的奇幻漂流》中以假乱真的CG老虎；从《怪兽电力公司》中的绒毛，到《疯狂动物城》中各种质感的动物毛发；从《最终幻想》中女主角的中短发，到《魔发奇缘》中的魔法长发和《勇敢传说》中的红色长卷发，好莱坞电影中的CG毛发制作可以说已经从草创时期步入了百花齐放。就技术而言，国产电影中的CG毛发制作水平已经可以和好莱坞电影相差无几。有了成熟的CG毛发制作技术作为支持，未来的电影创作将会有更多、更大、更广的创作空间。

《西游降魔篇》中的CG动物

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