数字艾米莉：三维动画制作教程及发展历程

数字艾米莉项目开始于2007年，Image Metrics的Oleg Alexander和William Lambeth打算制作一个新的面部动画技术演示片。他们的计划是拍摄一名女演员，为其面部建模，然后把数字面部重新合成到实拍画面中。这种实拍素材和数字版本之间的一对一匹配可以经得住特写观察。Oleg和William把方案提交给上级，上级已经看过Paul Debevec在2007年做的关于Light Stage面部扫描的演讲，于是他们很快与Paul取得联系。虽然原始的项目设想是使用视频表演数据驱动单个的中性面部扫描模型，但是Debevec建议根据多个高分辨率面部数据创建数字角色，他的团队早在2004年的“动态面部反射率场（Animated Facial Reflectance Fields）”研究中就已经做到了这点。而在2008年数字艾米莉推出时，只对其正面的视频数据进行建模并替换，这比五年之后的数字伊拉要落后得多。

2008年3月24日，Image Metrics拍摄了背景素材，并在加州圣莫妮卡的工作室拍摄了Emily O’Brein的面部表演视频，这是一名来自肥皂剧《不安分的青春》的女演员。然后他们把她带到USC ICT，使用Light Stage 5扫描。在90分钟的扫描中，Emily做了30个面部表情，覆盖了Paul Ekman的面部动作编码系统（FACS）的主要表情。在接下来几周内，ICT团队将每个表情处理为0.1mm精确度的3D几何体，并生成散射（diffuse）和高光反射率（specular reflectance）贴图。虽然团队为不同波长的光捕获了不同的法线贴图（normal map），但他们仍使用传统的次表面散射法（Subsurface Scattering）来渲染艾米莉的面部。

他们最终没有使用不同的法线贴图，而是由高分辨率几何体生成置换贴图（displacement map），因为“法线贴图给你的是结构化光照扫描的高分辨率版，因此我们得到的将是极为大量的毛孔细节。”Oleg Alexander解释道。

当团队成员创建了混合变形（blend shape）之后，他们对其进行投影，生成皱纹和皮肤细节的高分辨率置换贴图。“我们建立了传统的置换贴图着色（shader）网，使用大约30张置换贴图”，Alexander说。团队本可以创建更好的流程，因为他们有更丰富的数据，但是他们发现女演员在这段表演中并没有很大的面部变化，换句话说就是30张置换贴图已经足够，即便是她的扫描数据要丰富得多。在绑定好的面部上，大约有75个混合变形分区。(www.xing528.com)

Image Metrics团队本想使用传统的石膏倒模扫描，但是ICT在2008年时的技术水平已经可以捕捉皮肤毛孔细节，于是他们选择了ICT。当时，ICT先进的细节扫描技术已经被Weta Digital用于《阿凡达》，但是这些面部表情集从未绑定成一个数字角色。在当时的Light Stage技术下，演员的每个面部姿态都需要保持5秒左右。Image Metrics的大多数项目都是前置摄像机负责提供表演分析数据。

把完整的面部绑定起来花了将近4个月。75个姿态表情全部基于FACS系统，接下来一名动画师花一周时间确认演员表演的动画数据，在一些渲染测试过后还需要花些时间调整动画。鉴于当时的技术水平，ICT的扫描是不包含眼部、牙齿和头发信息的。Alexander指出当睫毛遮挡住皮肤和眼睛细节时，就会在扫描数据中产生大量噪波。

为了处理这个问题，Emily的上眼皮需要根据照片进行重建。最终画面里的眼睛是手工建模、绑定并渲染的，这是难度最大的一个环节。2008年时我们曾问过Alexander他认为数字艾米莉是否完美，他笑着说：“在当时这是最好的效果，但是现在我们能做到更好。”Alexander此后加入USC ICT，在接下来5年中他不仅对创建数字伊拉起到了重要作用，还帮助设计了关键的纹理匹配软件，使得伊拉比艾米莉更加精确，细节更丰富。