文 樹(shù)子

這個(gè)幾乎完全虛擬的科幻世界吸引了全世界的目光，而在它身后，則是Weta Digital龐大的計(jì)算集群和虛擬設(shè)備。

>> 《阿凡達(dá)》背后擁有眾多高科技IT技術(shù)。

160分鐘、14年、2.3億美元的制作成本、總成本超過(guò)5億美元、3000多個(gè)特效鏡頭、僅37名真人演員卻擁有2000名幕后工作人員、800個(gè)為CGI服務(wù)的特效人員……在這個(gè)冬天，卡梅隆花費(fèi)14年時(shí)間打造出的科幻巨作《阿凡達(dá)》點(diǎn)燃了整個(gè)中國(guó)所有電影院的火爆場(chǎng)面。幾乎每一個(gè)走出電影院的觀(guān)眾都認(rèn)為，雖然老套的劇情并沒(méi)有什么出彩之處，大團(tuán)圓的結(jié)局也讓人少了些許回味，但是長(zhǎng)達(dá)160分鐘的電影依然沒(méi)有“Run to pee”的時(shí)間，每一個(gè)情節(jié)和場(chǎng)面都讓人不忍站起身來(lái)。

這個(gè)幾乎完全虛擬的科幻世界吸引了全世界的目光，而在它身后，則是Weta Digital龐大的計(jì)算集群和虛擬設(shè)備。事實(shí)上，由于《阿凡達(dá)》大量采用了數(shù)字特技，因此對(duì)于計(jì)算和傳輸?shù)囊蠓浅８摺？仿∫捕啻伪硎?，之所以這一劇本醞釀10多年才投入拍攝，是因?yàn)榇饲坝?jì)算機(jī)軟硬件的條件無(wú)法達(dá)到特技效果所需要的水平。

那么，究竟是怎樣的IT技術(shù)在背后支撐著《阿凡達(dá)》的拍攝呢？

虛擬攝影機(jī)完成不可能任務(wù)

《阿凡達(dá)》使用兩臺(tái)索尼HDCF950 HD攝像機(jī)進(jìn)行拍攝，這兩臺(tái)攝影機(jī)可以拍出不同角度的畫(huà)面，用來(lái)模擬雙眼觀(guān)看事物的感覺(jué)，提供不同視角的畫(huà)面。因?yàn)檠b配不同的濾鏡，當(dāng)被攝物體進(jìn)入鏡頭時(shí)圖像的一部分會(huì)被分別遮住，這樣一來(lái)，傳遞給大腦的就是一種視差錯(cuò)覺(jué)，最終得到三維視角的畫(huà)面。

卡梅隆花了10年時(shí)間研究虛擬3D攝影機(jī)，在用上了傳感器捕捉系統(tǒng)之后，卡梅隆可以在影片最終完成之前就看到實(shí)際的效果。虛擬攝影機(jī)本身并沒(méi)有鏡頭，只有一個(gè)LCD顯示屏以及從傳感器獲取演員位置及動(dòng)作信息的接收器。演員穿上特制的帶有傳感器的服裝在布景中表演，卡梅隆就可以在虛擬攝像機(jī)的LCD顯示屏上看到已經(jīng)與CG背景畫(huà)面合成的畫(huà)面效果。

另外一個(gè)在拍攝中被使用的高清攝像機(jī)集群是用來(lái)精確地捕捉演員的每一個(gè)動(dòng)作，甚至包括每一次揚(yáng)起眉毛。新系統(tǒng)比以往的動(dòng)態(tài)捕捉精確度高出數(shù)倍，這一系統(tǒng)的核心是一個(gè)距離演員面部?jī)H幾英寸距離的微縮高清攝影頭，用以記錄演員面部細(xì)微表情，然后把95%面部動(dòng)作傳送給計(jì)算機(jī)內(nèi)的虛擬角色，將這些表情“貼”在經(jīng)電腦加工后的納威人臉上。

除了運(yùn)用“動(dòng)作捕捉(Motion Capture)”技術(shù)拍攝沒(méi)有實(shí)際場(chǎng)景的演員表演之外，攝影棚內(nèi)還同時(shí)架設(shè)一套“協(xié)同工作攝像機(jī)(Simulcam)”。這套系統(tǒng)由攝影棚頂部的140個(gè)數(shù)字?jǐn)z像機(jī)組成，攝像機(jī)通過(guò)追蹤現(xiàn)場(chǎng)LED燈打出的近紅外光譜反射，將捕捉到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算集群中，再將光譜的反射與演員的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行組合分析，得出整個(gè)鏡頭的立體模型。這一模型將被被映射到后期的渲染場(chǎng)景中，使最終的場(chǎng)景更加接近真實(shí)世界。

使用虛擬攝像機(jī)還可以根據(jù)卡梅隆的需求隨意作出各種不可能的鏡頭動(dòng)作。比如在最后的大戰(zhàn)中，攝像機(jī)一直跟著主角在空中飛行，傳統(tǒng)攝像機(jī)很難完成如此宏大的場(chǎng)景拍攝，但是虛擬攝像機(jī)可以根據(jù)導(dǎo)演的需求在空中隨意移動(dòng)，整個(gè)過(guò)程的運(yùn)動(dòng)軌跡能夠被系統(tǒng)捕捉下來(lái)并合成到后期的畫(huà)面處理中。

圖形計(jì)算軟硬兼施

Weta Digital是卡梅隆的幕后英雄，這家由著名導(dǎo)演彼得·杰克遜創(chuàng)建的數(shù)字工作室完成了《阿凡達(dá)》電影中800多個(gè)CG人物和大量逼真場(chǎng)景。在整個(gè)CG視覺(jué)特效歷史上，《阿凡達(dá)》第一次把需要的單元數(shù)量從百萬(wàn)級(jí)別提高到了十億級(jí)別，由此產(chǎn)生的光線(xiàn)追蹤及變化渲染工作將是不可估量的。

2009年3月，Weta Digital首席技術(shù)官Paul Ryan、渲染調(diào)研負(fù)責(zé)人Luca Fascione和NVIDIA Research高級(jí)架構(gòu)師Jacopo Pantaleoni認(rèn)為，他們需要一個(gè)全新的、靈活的光線(xiàn)追蹤渲染方案為《阿凡達(dá)》服務(wù)。隨后，NVIDIA為Weta Digital設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一個(gè)全新的計(jì)算光線(xiàn)追蹤引擎PantaRay，大大加速了CG制作和渲染過(guò)程。

NVIDIA表示，PantaRay光線(xiàn)追蹤渲染處理器在Tesla S1070 GPU計(jì)算服務(wù)器的執(zhí)行速度比在普通CPU服務(wù)器上最多能快上25倍。Weta研發(fā)部主管Sebastian Sylwan甚至夸張地稱(chēng)，這種方式與傳統(tǒng)方式的速度差異“可能達(dá)到100倍”。

在計(jì)算架構(gòu)方面，卡梅隆選擇了由著名的Pixar公司開(kāi)發(fā)的、名為Alfred的多任務(wù)階梯式架構(gòu)，把一個(gè)大任務(wù)分成數(shù)千個(gè)獨(dú)立的小單元來(lái)處理。每當(dāng)在整個(gè)計(jì)算集群中有CPU完成任務(wù)，就會(huì)被隨機(jī)分配新的任務(wù)。在高峰時(shí)段，這一計(jì)算集群每天要為《阿凡達(dá)》處理1萬(wàn)多個(gè)任務(wù)，約1300萬(wàn)～1400萬(wàn)個(gè)單元。

>> Weta Digital完成了絕大部分的3D畫(huà)面渲染。

數(shù)據(jù)中心的堅(jiān)實(shí)保障

虛擬攝像機(jī)也好，圖形渲染工作也罷，沒(méi)有強(qiáng)勁的數(shù)據(jù)中心是不可能實(shí)現(xiàn)的。由于Weta Digital由構(gòu)建物理模型的Weta工作室和進(jìn)行實(shí)際運(yùn)算的Weta數(shù)據(jù)中心兩部分組成，因此Weta Digital在提供了制作技術(shù)的同時(shí)也提供了擁有強(qiáng)大運(yùn)算能力的數(shù)據(jù)中心。

根據(jù)Weta Digital的相關(guān)人員介紹，他們?cè)?008年重新配置了1萬(wàn)多平方米的機(jī)房。新的系統(tǒng)由4個(gè)超級(jí)計(jì)算集群組成，使用了1280臺(tái)HP BladeSystem BL2x220c刀片服務(wù)器，累積峰值計(jì)算性能高達(dá)205萬(wàn)億次浮點(diǎn)運(yùn)算/秒。這一改進(jìn)使得Weta Digital的處理能力提高了一倍，使其不僅能夠提高處理能力，而且無(wú)需擴(kuò)建數(shù)據(jù)中心或者支付冷卻新增刀片服務(wù)器所需的費(fèi)用。這些服務(wù)器通過(guò)光纖連接讀寫(xiě)大約3PB（1PB=1024TB）的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)存放在BlueArc和NetApp的存儲(chǔ)上，數(shù)據(jù)傳輸使用光纖通道，而操作系統(tǒng)使用Linux。這一計(jì)算集群在當(dāng)年的全球TOP 500超級(jí)計(jì)算機(jī)中排在200名以?xún)?nèi)。

在網(wǎng)絡(luò)連接方面，計(jì)算集群之間的連接采用萬(wàn)兆以太網(wǎng)。因?yàn)樵诟咚儆?jì)算中，數(shù)據(jù)流要求絕對(duì)穩(wěn)定，運(yùn)算速度要求也很高，不能有絲毫的延遲，所以只能通過(guò)本地機(jī)房網(wǎng)絡(luò)以高帶寬完成數(shù)據(jù)交換。不過(guò)，相比3PB的原始數(shù)據(jù)，電影完成后的數(shù)據(jù)量相對(duì)來(lái)說(shuō)并不多，一幀的數(shù)據(jù)量為12 MB，每分鐘的數(shù)據(jù)為17.28GB，整部電影的數(shù)據(jù)為2.8TB，僅為原始數(shù)據(jù)的千分之一左右。

另外，由于機(jī)房使用了大量計(jì)算設(shè)備，其產(chǎn)生的熱量相當(dāng)大。為保持機(jī)房平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)，Weta Digital數(shù)據(jù)中心使用了多種方式進(jìn)行散熱，其中包括裝配強(qiáng)制水冷設(shè)備，提升地板以增強(qiáng)散熱等等。最好的情況下，這個(gè)數(shù)據(jù)中心可以比同等規(guī)模的常規(guī)機(jī)房節(jié)省40%制冷成本。