本文来自微信公众号：CG世界（ID：World_CG），作者：小一，原文标题：《一对比才知道，25年前皮克斯制作的人类角色和现在差这么多！学习了～》，头图来自：《寻梦环游记》剧照
皮克斯从1995年发布第一个长篇动画电影至今，已经陪我们走过了26年。在这26年里，皮克斯对于人物角色的制作，可谓是经历了各种技术的迭代才有了我们今天看到的细腻而又成熟的动画。到目前为止皮克斯已经制作了20多部动画影片，每一部影片相较之前的来说都能有新的突破和新的惊喜，我先随便举一个例子：
上面这张图是1995年《玩具总动员》里的安迪，和2018年的《超人总动员2》中的巴小飞的对比，大家可以明显看出来巴小飞的雀斑无论是从光感、还是皮肤材质以及画面的渲染层次都要强太多。这也正体现了皮克斯这26年来在CG技术上的进步。
26年了，那么从1995年的第一部《玩具总动员》发展到今天，这些动画制作人员花费了数年时间都在研究什么？那就是模拟掌握构成人物角色的所有身体元素：毛发、皮肤、肌肉和动作。这也是CG行业研究的永恒话题。
接下来小一将带领大家坐上这趟皮克斯动画发展的时空列车，让我们回顾一下从1995年到今天，都有哪些技术的不断开发应用吧。
1995
首先我们来说说1995年的《玩具总动员》，这是皮克斯制作的第一部长片动画电影。要知道那可是1995年，制作这样一部动画面临的挑战可想而知。我们截图看一个画面，能感受到这模型表现得太死板了，今天我们很多大学生的毕业作品都比这强很多倍吧。当然了，时代不同了！
那么，如何来解决这种问题呢？他们想出了一些解决方案，一个是利用灯光的明暗来隐藏这些缺陷。像在“披萨星球”这一幕，环境一暗就把脸部遮住了。
另一解决办法是在镜头中只出现脚和手的镜头，就像下面的镜头，这样大大减少了动画师的工作量，还能避免面部表情动画以及渲染上带来的一系列挑战。
还有一个问题就是要制作各种角色的衣服，也就是布料模拟。为此皮克斯又想到了一个好办法，他们不单独制作每一个角色，而是从一些人身上复制了身体的一部分，然后把这些部分重新组合，再对他们的外表进行一些改动，这样就制作出新的角色。
不过毕竟是第一部长篇动画电影，其中有些技术的不成熟也是可以理解的。而且人家也确实做出了一些突破，那就是将玩具的外观和人物角色的外观可以进行区分了，虽然不是那么明显，但这已经有很大的突破了。
《玩具总动员》片段
怎么区分呢？胡迪作为一个玩具，身体是松松垮垮的而且重量轻，因此动画师在制作他的动画时动作速度快一些；人类角色是又大又重的，所他们的动作相对较慢。
左为人类安迪，右为玩具胡迪
1997
接下来我们再看看皮克斯在1997年制作的动画短片《棋局》。1997年的《棋局》是皮克斯第一个以人类角色为主角的项目，短片只有四分半钟，但却是一个具有重大意义的试验。短片中最突出的特征之一是主角盖瑞的皮肤。
大家发现没有，盖瑞的皮肤看起来十分光滑。在《棋局》这部短片出世之前，人体模型一般是用面片中构建的，这样制作出来的皮肤看起来更像塑料。
1995年《玩具总动员》中制作的皮肤
能制作出光滑又逼真的皮肤就要用到数学的细分方法来帮忙了，通过细分技术，动画师将一个硬边形状多次细分，能够将其转换成一个平滑的表面。当然了，这只是模型上的解决方法。
细分技术演示图
从那以后，皮克斯的每一部电影都采用了这种方法，从人类到虫子再到建筑，一切都变得像德芙一样丝滑。
皮克斯电影中使用细分技术的画面
1999
1999年《玩具总动员2》上映，这部作品最大的突破就是使用了RenderMan着色器。这个工具让动画师可以在角色效果图上进行细节的绘制，比如毛孔、静脉和斑点。这部作品让人类动画角色在镜头中的表演时间大大增加了。
我们拿玩具收藏家艾尔举个例子。
箭头标注的地方可以看到他脸上皮肤的瑕疵，甚至还能看到时钟映在脸上的影子。有了这个工具，皮克斯再也不怕让角色“露脸”了。从这之后，皮克斯在制作中一直使用RenderMan，比如2017年的《寻梦环游记》，他们就是用这个工具给可可制作的面部细节，这样才能使得与其他人物角色之间有明显的区别。
左:可可 中：可可的女儿 右：米高
2001
2001年《怪兽公司》上映了，看过上面提到的这几部电影的朋友们肯定不难发现，皮克斯正逐渐给人物角色越来越多的镜头，但是除了模型和皮肤之外，人类角色还有一个最大的挑战就是布料模拟。
在《怪兽公司中》小女孩“Boo”是电影中唯一的人类角色，她的衣服是一件飘逸的大短袖。
《怪兽公司》Boo的形象
在《怪物公司》之前，角色们穿着的衣服基本上是做不出自然的褶皱与摆动效果的。而这部电影中皮克斯开始使用Fizt模拟器，从这时候开始将角色与服装分开来单独设置动画。
使用Fizt模拟器分别设置角色和服装
来看看Boo穿的短袖运动起来的效果和1995《玩具总动员》中角色穿的短袖对比，明显可以看出Boo的衣服更加自然、真实。
不仅如此，Fizt还可以处理的怪兽萨利的毛皮效果。
虽然Fizt可以将衣服和皮毛做得很好，但它还不是全能的。导演一开始想的是给Boo留一头长发，但要做到这一点，动画师们必须进行动画处理，把头发分成片状而不是一整块，这点在当时还是很难做到的。所以为了省事儿，给她留了两个小辫子的发型。
导演最初想要的发型
电影中Boo的发型
2004
到了2004年，这时的皮克斯已经具备了创造皮肤和让衣服自然摆动这两项手艺，是时候制作一部完全由人类角色组成的动画电影了，于是《超人总动员》诞生了。
《超人总动员》
这部电影中最主要的任务就是征服长发。导演坚持要让电影中的角色紫罗兰留着Boo没有留成的长发。
紫罗兰发型设计
动画师为了处理好紫罗兰的长发，下了好大的功夫。尤其是她的头发有很多种不同的形态，以及她经常拨弄自己的头发的样子。
为此皮克斯团队开发了一个核心仿真引擎，可以处理长头发引起的所有碰撞问题，并且在保持头发流动性的同时还能让动画师更好地控制头发的位置和移动的速度。
制作团队花了六个月的时间才弄清楚如何正确地设置动画以及对紫罗兰的头发进行渲染。像紫罗兰这样推动皮克斯塑造人类角色多样性的动画人物还有她的爸爸——超能先生。之所以这么说是因为在此之前，皮克斯从来没有创造过一个满身肌肉的角色形象。
满身肌肉的超能先生
为了制作这个肌肉男角色，动画师们使用了一个叫做GOO的软件，可以让皮肤对运动和滑动的肌肉做出反应，使角色的动作看起来更加自然流畅。
运动过程中的超能先生
虽然为制作《超人总动员》皮克斯开发了许多技术，但这些都是针对某些角色的，工作室并没有完善人类皮肤的外观。对于皮肤我们都知道，这也是目前CG行业一直在不断解决的挑战之一。
真实人类的皮肤
其实我们人类的皮肤其实是有点透明的，与任何材质都不太一样。人脸上的光需要通过皮肤散射，然后再反射回来。如果皮肤太结实，没有光线进入，看起来就不自然。
因此动画师使用次表面散射来渲染皮肤。随着次表面散射的应用，皮肤不再像一个刚性表面。来看一下这个1995年和2019年人物角色的对比，是不是面部看起来柔和、自然了许多。
你敢相信吗？皮克斯制作皮肤的灵感竟然是在鱼身上找到的。他们使用了《海底总动员》中让鱼看起来半透明的工具，用来散射人类皮肤上的光。
小丑鱼身上使用的半透明工具
随着这些技术进步，尽管着色器和次表面散射现在的能力可以达到让动画角色看起来像真人一样的效果，但是皮克斯永远不会让皮肤看起来太过真实。你们试想一下，如果一个动画角色看起来就像真人一样，那就是失去了一种卡通风的效果，而且看起来也很怪异。
2009
到了2009年，通过这些年来皮克斯制作的动画，即使他制作的动画人物完全不符合人体的基本规律，但也能让观众相信这就是一个人类角色。例如2009年的《飞屋环游记》中的卡尔，他的头部被刻意设计成一个巨大的长方形。
《飞屋环游记》卡尔的头部设计
而这一次动画团队关注的是卡尔脸上的皱纹，而不是追求添加那些每一个微小的皮肤细节。
但是皮肤和骨骼不是构成人类的唯二东西。皮克斯不断努力使动画人类看起来更具表现力。当《美食总动员》开始制作时，皮克斯在角色的脸上使用了150个控件。
《美食总动员》中的林圭宁
这些控件早在《玩具总动员》中就使用过了，能够让玩具和人类有不同的运动速度就是控件的功劳，并且在过去的几年里它变得更强大了，它可以减慢角色运动的速度，并尽量减少像卡尔这样的老年角色的动作，就像下面的动图所示。
控制点还可以实现角色复杂的表情，以及更细微的变化和身体动作。
《美食总动员》中史老板复杂多变的表情
《美食总动员》中林圭宁复杂的肢体动作
同时，《超人总动员》中长发技术的完善，为《美食总动员》的甜姐头发制作铺平了道路，甜姐的头上有176030根头发。所以必须使用高级模拟，以确保头发的股线不会相互融合。
《美食总动员》中甜姐的头发运动片段
尽管甜姐的头发已经做得相当精致复杂了，但对皮克斯来说这还不够，他们还要掌握卷发的制作方式。
2012
因此2012年开始，皮克斯主要任务就是做好卷发。模拟团队开发了一种叫Taz的模拟器，它为《勇敢传说》中梅莉达的头发做成了线圈状，模仿真实卷发的运动，保证了卷发柔软的同时也能保持住卷发的形状。
《勇敢传说》中梅莉达头发运动的片段
烫过卷发的朋友应该都有这种体会，刚烫完造型很完美，但是过不了多久就会松散了。动画中的卷发也是这样，所以动画师在梅莉达的卷发下面添加了一些不可见的核心弹簧，这样一来能牢牢控制住卷发的运动了。
添加弹簧效果图
皮克斯的动画师在创造人物角色上基本算是登峰造极了，因此他们就开始在制作角色上变着花样的玩，并且从结构上解构它们。
2017
到了2017年这一年，皮克斯在《寻梦环游记》中推出了一组基于人类的骷髅角色。动画师可以使用与制作人类相同的绑定工具为骷髅进行绑定，但是骨骼是藏在皮肤和肌肉下面的，并且以一种我们看不到的方式进行运动，所以多多少少还是需要有些变化的。
骨骼运动模拟
从下面的动图可以看见这些骷髅能够分离它们的骨头。因此皮克斯使用了一个名为Kingpin的工具，这个工具可以合适地为骷髅角色进行绑定，通过添加抖效果动使骨骼看起来更松动。
2018
2018年这一年皮克斯制作了《超人总动员2》，这是一部历时14年的续作。与2004年的《超人总动员》相比有着质的进步。
《超人总动员》中杰克的原始泥塑形象
在第一部《超人总动员》中，皮克斯还不能将泥塑中的每一个小细节转换到动画形象中，但是现在他们完全可以做到了。来看看这两部电影中杰克的对比。
还有一个很大的突破就是皮克斯第一次使角色的眼睛脱离真实的人眼。虽然还是比真人的眼睛更大，更有风格化，不过看看这两部电影中巴小飞的对比。2018年巴小飞睁大眼睛时，眼睛是偏椭圆形的，而不是纯正的圆形了。
同时，现在创建和渲染紫罗兰的长发也比2004年更容易，可以让长发更自由，更飘逸。
说到头发，就不得不提下面这项突破了。在过去，动画师只能使用很少的引导线，猜测最终的头发会是什么样子。这样一来，弹力女超人骑摩托车时的头发或紫罗兰吹干头发的动画变得非常困难。
头发引导丝
弹力女超人骑摩托车
紫罗兰吹头发
但是现在，动画团队在渲染前的每一个制作阶段都可以充分了解这些角色的头发是什么样的，让他们能塑造出更好的发型，甚至能及早发现错误。
另一个，这两部电影之间的差别就是集群动画技术。在《超人总动员2》中，城市街道的人口更为密集。
《超人总动员2》城市街景
这样一对比，第一部的街景确实太空旷了。
《超人总动员1》城市街景
制作人群是一件很辛苦的工作，必须设置动画，模拟、渲染并呈现出很多人，所以人群团队实际上开始使用一些动作捕捉技术。
动作捕捉过程
这项技术在《寻梦环游记》中一些骷髅背景的制作也运用到了，并为更好地拍摄《超人总动员2》中的背景人物打好了基础。
《寻梦环游记》使用动作捕捉技术的片段
2019
到了2019年的《玩具总动员4》，在这部电影中你只需看看背景的处理，就可以充分体会出皮克斯已经将人类动画发展得多好了。
来看看2019年与1995年这两部电影中场景的对比。现在的动画已经不需要用黑暗来掩盖不成熟的技术了。
《动画总动员4》中邦妮的幼儿园班
《动画总动员1》中黑暗的“披萨星球”
还有从玩具的角度观察人类的场景，从第一部只露出角色部分身体到现在所有的人脸都清晰可见。
《玩具总动员4》从玩具角度看人类的镜头
《玩具总动员1》从玩具角度看人类的镜头
皮克斯还在继续尝试动作捕捉技术，用来填满一些狂欢的场景。这次他们使用了Mo-cap，这项技术可以使背景人物更加逼真细致。
使用了Mo-cap技术制作出的人群
Mo-cap制作出的群组角色倾向于循环运行，能够让电影制作者捕捉到背景人物长时间的运动片段。
从细分技术到头发弯曲模拟，再到布料和真实人群的突破，皮克斯掌握着制作人类角色的各种元素，这也使得他们可以在自己的世界里随意发挥，并且为我们讲述一个个精彩的故事。
最重要的是，皮克斯的动画师知道什么时候给人物足够的细节，使他们看起来像人一样，同时也知道什么时候运用足够夸张的形式，使角色仍活在它们的动画世界中。
本文来自微信公众号：CG世界（ID：World_CG），作者：小一