英特尔与 Ziva Dynamics:
推动计算机成像技术变革

在英特尔® 人工智能与机器学习的帮助下,Ziva Dynamics 正在推动电影视觉特效领域的变革。

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计算机成像 (CGI) 面临的挑战

CGI 视觉特效 (VFX) 通常需要复杂的专业知识、技术以及耗时繁琐的创意迭代。传统的方法是先构建角色,然后根据具体的镜头需求来制作动画,通常需要逐帧修改,十分费力。此外,角色移动时存在许多变量, 诸如物理效果、角色体积和基础解剖结构等等。因此,如果视觉特效看起来不真实, 美术师及团队必须回到绘图板,确定究竟是哪一个图层或创意出了问题。

Ziva Dynamics 通过基于人工智能 (AI) 的仿真软件解决了这个问题,让 VFX 美术师能够基于物理定律创建观感真实、移动方式逼真的生物。借助这项技术,团队可以使用并行计算机仿真和自动化来代替线性的、人工逐帧设计的工作流程。

Ziva Dynamics* 的旗舰产品 ZIVA VFX* 采用专属有限元方法 (FEM) 解算器,可对虚拟人物和生物的解剖、物理效果和软组织特性进行仿真。通过 ZIVA VFX,用户可以根据真实人类和生物的自然肢体特征来创建计算模型,然后通过线下计算程序对这些模型进行仿真,从而实现高度逼真的视觉效果。这些仿真的结果(即描述虚拟角色移动的相关数据)还可以输入用于学习肢体动作的机器学习 (ML) 算法中。

总而言之,ZIVA VFX 引入了新的应用案例, 减少了角色创建次数、缩短了渲染与审查工作流程,并通过提供跨媒体的角色资产消除了不同娱乐特许经营机构与媒体格式(包括电影、游戏和增强现实 (AR) /虚拟现实 (VR) /混合现实 (MR) 领域)方面的重复工作。此外,Ziva Dynamics 角色仿真的一大特点是运用标准化数据模型和算法来塑造人物和生物的外形。通过对基于物理的一致结果进行仿真,ZIVA VFX 线下仿真的输出可以作为机器学习技术的有效训练数据。

“我们在构建 Ziva 软件时,作出了经过 慎重考虑的决定。我们不仅要利用 英特尔的核心数学库和机器学习库的优势,还要确保所有工作室都能整合 Z i v a—无论他们以何种方式制作 动画、处理仿真角色、进行输入和 输出—从而满足全球创意团队的技术需求。”
—Ziva Dynamics CEO 兼联合创始人,James Jacobs

人工智能推动仿真突破边界

由华纳兄弟影业与引力影视携手出品的 《巨齿鲨》正在热映。这是一部科幻动作惊悚片,主角是一条长达 75 英尺的史前鲨鱼,也就是巨齿鲨。电影改编自 Steve Alten 在 1997 年出版的同名小说。1997 年,在银幕上栩栩呈现巨齿鲨这样巨型动物的技术尚不存在,但随着人工智能的应用和英特尔® 技术的强大支持,在银幕上呈现巨齿鲨的形象终于成为可能。

负责制作巨齿鲨视觉特效的 Scanline VFX 公司温哥华分部主管 Mohsen Mousavi 表示:“现在的观众非常聪明。他们在《巨齿鲨》里看到 75 英尺长的生物,就已经知道这是Mousavi 认为,ZIVA VFX 是少见的能够准确仿真鲨鱼行为的工具。正是因为运用了这一工具,公司才能基于史前巨齿鲨和现代鲨鱼的自然特征创建出基于物理原理的计算模型。Ziva Dynamics 的突破性技术让用户可以快速仿真软组织物质,如肌肉、脂肪、软骨和皮肤,为所有角色嵌入真实的物理效果。

首先,按照骨骼、肌肉、筋膜、脂肪和皮肤的形状创建虚拟对象—这是任何解剖学结构的基石。在 ZIVA VFX 中,正如人们期望的那样,可以利用附着物和相关物理效果来实现所有这些分层的相互依赖。Ziva Dynamics FEM 物理解算器让用户能够将“材料属性”应用于这些对象,以指定每个仿真对象的物理表现与行为。这些属性可以定义对象的灵活度、体积和密度。

动画的各个分层通过 ZIVA VFX 解算器按顺序进行仿真,因此在构建场景时,这些材料的物理属性就会自动对生物的运动进行响应和应对。通过模拟基本的自然属性,用户能够让构建出的 CGI 角色逼真地移动、弯曲和摇晃。这种方法为创意制作开辟了一条高性能、可扩展的途径,帮助制作人员以各种形式的数字媒体(包括电影、游戏、虚拟现实、增强现实等)呈现高质量的角色。

但对于《巨齿鲨》,制作动画的对象不止是巨型生物;鲨鱼游动时,水下效果也不可或缺。在本片的标志性镜头中,Scanline 需要呈现巨齿鲨跃出水面攻击船上的人类,并一口咬掉船上的捕获猎物。在这个镜头中,虚拟生物需要与大量的海水、空气里的水雾、船舰以及另一个生物互动,最后重新落回海中。创作水的特效画面时,Scanline VFX 运用了其专属的流体特效软件 Flowline*。2008 年,该公司因这项技术获得了科学与技术成就学院奖*。问题在于如何整合这两款产品。

ZIVA VFX 的所有内容均以几何形式呈现,且动画输入和仿真输出符合行业标准。这为所有工作室和创意团队创造了灵活的环境,让他们将 Ziva Dynamics 软件与自身的流水线和技术方案实现整合,而无需做出重大调整变更。

Ziva Dynamics CEO 兼联合创始人 James Jacobs 表示:“我们在构建 Ziva 软件时,作出了经过慎重考虑的决定。我们不仅要利用英特尔的核心数学库和机器学习库的优势,还要确保所有工作室都能整合 Ziva—无论他们以何种方式制作动画、处理仿真角色、进行输入和输出—从而满足全球创意团队的技术需求。”

这样一来,创意团队不仅能够运用 Flowline 实现出色的流体仿真场景,还能在角色仿真中实现对应效果,呈现出复杂的序列动画。首先将动画应用于鲨鱼骨架,以展现鲨鱼从水中垂直跃出的路径。然后运行仿真,展示外力(水和空气)在动物身体上产生的正确运动景象。最后运行流体仿真,确保所有效果符合物理现实。

此外,Ziva Dynamics 还提供了一个开源的 Python* 框架和函数库,让美术师能够通过编程来解构并重建仿真骨架。为此,ZIVA VFX 内置了名为 zBuilder* 的 Python* 模块,能够简化角色仿真设置的加载、保存、异化和镜像,从而让用户高效地进行角色迭代,并将成果套用于新角色;此外,这也更便于在创意领域分享开发洞察。

通过应用机器学习和统计拟合技术,我们能将一只生物的几何与物理信息转移至另一只生物身上。《巨齿鲨》正是借助这项功能,将动作从一条鲨鱼转移到另一条鲨鱼身上。换句话说,只需构建一只鲨鱼的模型,就可以将模型的特征应用于所有鲨鱼,并根据尺寸进行微调。ZIVA VFX 不仅应用了物理定律,还能帮助用户通过改变角色属性来实现所需的效果。Scanline VFX 的实施,代表着 ZIVA VFX 的卓越组合—即由英特尔® 技术提供支持,并由荣获学院奖的公司 Scanline VFX 和 Ziva Dynamics 提供专业知识。

图 1. 图片由华纳兄弟提供。

英特尔与 Ziva Dynamics 携手,让巨型鲨鱼栩栩如生

Ziva Dynamics 推出的所有级别软件均大量运用了英特尔® 技术。Ziva Dynamics 首席商务官 Michael Smit 表示:“Ziva 软件运行顺畅,并且是针对许多英特尔® 软件而编写的。在基于英特尔® 至强® 可扩展处理器的服务器环境中,这款软件能够让你以非常快的速度出色地完成工作。无论是对于编写 Ziva 软件的我们自己,还是为电影和游戏制作角色和生物的客户来说,基于英特尔® 至强® 处理器和英特尔® 至强® 可扩展处理器的服务器技术都是坚实的基础。”

ZIVA VFX 是一款 Autodesk Maya* 插件,可用于角色制作以及解剖、物理效果和组织的仿真。编写软件的过程中,Ziva Dynamics 大量运用了英特尔® 数学核心函数库(英特尔® MKL)PARDISO* 英特尔® 线性代数包* (LAPACK*)

有了这些技术加持,华纳兄弟和 Scanline VFX 才能快速而逼真地重现已灭绝的生物。Mousavi 表示:“通过与 Ziva 的合作,我们能够轻松地计算和仿真任何生物的复杂解剖结构以及不同分层之间的物理关系,只需几分钟就可以完成仿真,然后查看结果、讨论并迭代。”

具体说来,在《巨齿鲨》的制作过程中,Scanline VFX 运行了多达 2,719,885 个仿真任务、1,769,681 次 2D 图像渲染以及 1,370,143 次 3D 图像渲染,即平均每天运行约 5,925 次仿真和渲染。

正因有了 ZIVA VFX Batch*(Ziva Dynamics 解算器的可分配虚拟版本),工作人员才能完成如此艰巨的任务。借助这款软件,工作室能够将仿真作业分配至渲染农场以获得更大的处理能力,从而迅速为电影创建逼真的虚拟角色。这一过程通过可在高度并行化的环境中运行的英特尔® 至强® 处理器计算来实现。

对于 Scanline VFX,并行化通过使用搭载近 10 万个内核的 2,500 个英特尔® 至强® 处理器组成的渲染农场让项目得以实现,这些内核用来计算电影的所有需求。这样不仅能实现快速迭代,还可为导演提供多种选项,从而实现出色的视觉特效。Scanline VFX 总裁兼 VFX 主管 Stephan Trojansky 表示:“如今,电影制作需要大量的计算。我们主要采用基于英特尔® 至强® 处理器的渲染农场,并将其组合成一台超级计算机。我们不光在一台计算机上进行处理……我们将计算机组合成一台‘超级计算机’。这就是我们完成电影中海量仿真的秘诀。”

根据 Scanline 估算,如果使用单台电脑渲染整个项目,需要 113 年 89 天 16 小时 57 秒。相比之下,农场全负荷运行时,渲染整个项目只需 20 天 16 小时 57 秒。

最后,运用 Ziva Real-Time* 这款实时播放器兼资产转换插件,用户就能以开创性方式使用电影品质的角色。比如,它能让动画师实时、快速、轻松地操作可动角色,还能在互动式游戏引擎中运行一些生动角色,实现预先可视化、虚拟化及创新性实时表现。

Ziva Dynamics 全面采用基于英特尔® 技术的机器学习解决方案,以帮助解决建模挑战。机器学习的应用,让 VFX 公司能够让越来越多的角色制作步骤实现自动化,并将实时互动式人物和角色提升至几乎媲美真人的水平。此外,它还大大缩短了迭代间隔。上面介绍的这些功能令电影公司获益匪浅。华纳兄弟视觉特效执行副总 Anne Kolbe 表示,Ziva Dynamics 软件帮助华纳兄弟完成了五年前完全无法完成的影片。“Ziva 这样的新技术正为我们的电影注入新的活力,让我们能在发布电影之前进行更多的迭代,吸纳更多的反馈,从而拍出观众真正想看的影片。”

深入了解英特尔支持

Smit 表示,英特尔的各款产品和解决方案对于 Ziva Dynamics 技术格外有效。因为在很大程度上,Ziva Dynamics 软件依赖大量英特尔® 函数库来实现卓越性能。由此,用户可以通过运行大量线下仿真来有效获取所需结果;如果没有英特尔® 技术,这一过程将既昂贵又低效。

图 2. 图片由华纳兄弟提供。

图 3. 图片由华纳兄弟提供。

Ziva Dynamics 解决方案的核心依赖于 FEM 物理仿真和机器学习算法来创建角色和制作动画,其运行基础是英特尔® 至强® 处理器等英特尔® 处理器以及英特尔® 架构优化框架。这些技术能够让工作室实现可观的生产力,从而大幅缩短制作时间—《巨齿鲨》就是明证。Jacobs 表示:“我们大量运用英特尔® 硬件来运行线下仿真,从而有效为机器学习流程生成训练数据;这一过程同样在英特尔® 硬件上运行。”

在 ZIVA VFX 中,英特尔® MKL PARDISO 解算器可在 FEM 仿真软件中解算线性系统方程。此框架具有高度优化、线程化和矢量化的数学函数,有助于提高性能。Ziva Dynamics 估计,如果没有 PARDISO,解算耗时将是目前的两倍。

Ziva Dynamics 还在 Ziva Real-Time 中运用英特尔® MKL 基本线性代数子程序* (BLAS*) 进行矩阵乘法运算,即实时播放器和资产转换插件。用户运用此产品,可获取虚拟人类“线下”资产,并将其转换为在实时环境中运行的角色。此外,还运用英特尔® MKL LAPACK 进行仿真训练,以降低数据模型和相关计算的复杂性。

英特尔® 线程构建模块(英特尔® TBB)是一个广泛运用的 C++ 库,可用于共享内存并行编程和异构计算,为并行编程提供众多功能,并帮助 ZIVA VFX 和 Ziva Real-Time 提高并行化程度。

最后,英特尔® VTune™ 性能分析器评估并修复次优的计算速度,而英特尔® 检测器则评估代码的正确性。

人工智能在动画领域的未来图景

对于华纳兄弟和 Scanline VFX,重现在水下环境中活动、已经灭绝的 75 英尺长的鲨鱼是一项激动人心的挑战。人工智能和机器学习正在颠覆工作室创建 CGI 角色的方式,且这些新方式具有众多显著优势。除了能让工作室更迅速、更逼真地创建角色,Ziva Dynamics 软件内的人工智能还能够生成清晰的仿真数据,可用于为后续项目训练其他机器学习模型。Mousavi 表示:“人工智能出现前,我们必须小心翼翼,确保软件能够应对每种场景,而这是一项巨大的工程。如今有了人工智能,我们基本上可以将决策权交给计算机,让系统和软件代劳。人工智能能够帮助人们创建框架,以同一算法完成海量决策。”

Ziva Dynamics 希望自己的软件精益求精。以符合美学的方式进行解剖学仿真和生物物理学仿真是 CGI 行业变革的一大进步,而从美术师手工驱动的流程转向运用数据和计算则是一大飞跃。随着硬件的进步,ZIVA VFX 将能够更快速地创建新的角色与模型,为小型工作室开辟道路。而其他英特尔® 框架,如英特尔® 数据分析加速库(英特尔® DAAL),则可进一步促进机器学习,以自动生成虚拟人类角色,并改善其特征和表现力。

最后,Ziva Dynamics 软件的实际应用五花八门,并不局限于电影领域。例如,人们可以在商务、游戏、健身、旅游等丰富互动式场景应用中自动创建虚拟自我—甚至还能应用到医疗保健领域中。

英特尔® 人工智能技术能为您做什么?

对于华纳兄弟和 Scanline VFX 来说,英特尔® 人工智能改变了 CGI创建的整体方式,使其能够胜任越来越复杂的 VFX,而这在几年前是不可想象的。人工智能正遍及世界的每个角落。人工智能和机器学习让机器能够学习、推理、采取行动并适应真实世界,从而帮助企业从大量数据中获取更深层次的知识与洞察。从电影,到医学难题、科学研究,以及预测事件和人类行为—人工智能的前景不可限量。

如需详细了解有关 Ziva Dynamics 和英特尔的信息,请访问: https://ai.intel.com/ziva-dynamics

如需详细了解有关英特尔® 人工智能技术的信息,请访问: https://ai.intel.com

关于《巨齿鲨》

华纳兄弟影业与引力影业携手出品,由 di Bonaventura/Apelles Entertainment Inc.*/Maeday Productions Inc.*/Flagship Entertainment Group* 制作,Jon Turteltaub 导演。《巨齿鲨》于 8 月 10 日在部分影院正式上映,放映形式包括 2D、3D 和 IMAX。中国发行方为引力影视。华纳兄弟影业、华纳兄弟娱乐公司负责全球其他地区的发行。《巨齿鲨》评级为 PG-1

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