金磊 楊凈 發(fā)自 凹非寺

量子位 報道 | 公眾號 QbitAI

嘿！瞧這行云流水的飄移，還有這絲滑的運鏡，很颯啊。

友友們，是不是好奇它是咋拍出來的，又是經(jīng)哪位大導執(zhí)手？

但真相往往令人不可思議。

它，并不是拍出來的，而是CG技術(shù)搞出來的！

別急，還有更意外的。

是連“高中生”都能hold得住的那種！

這就是來自國產(chǎn)特效開發(fā)系統(tǒng)ZENO的力作，也即將在SIGGRAPH ASIA 2021中亮相。

效果之驚艷，甚至被會議的reviewers評價道：

推動了視覺領(lǐng)域的新SOTA！

Push the new visual SOTA!

這項研究背后團隊，更是不容小覷——計算機圖形學大牛張心欣創(chuàng)辦的澤森科技 （ZenusTech）。

一作則是來自KAUST，以及還有來自UCLA的科研人員。

北京大學陳寶權(quán)教授曾經(jīng)這樣評價道：

中國CG-物理模擬領(lǐng)域有兩位新秀，一南一北，很是熱鬧。

改變視覺SOTA的效果

現(xiàn)在先來仔細回憶一個事兒：

是不是在我們看大片的時候，船只在海上的鏡頭，經(jīng)常是處于近景狀態(tài)？

例如這樣的：

△《加勒比海盜3》截選片段

而且在特效電影中，很少會有鏡頭給到中景或是遠景。

就更不要提從近景到遠景一氣呵成的那種了。

這其中非常重要的原因就是，視覺特效的仿真模擬計算，只能在有限的區(qū)域內(nèi)進行計算：

例如上圖所示的那樣，現(xiàn)在仿真技術(shù)只能是在“有界”（bounded）內(nèi)，處理三維水體運動形態(tài)解算。

換言之，鏡頭若是一旦超過了這個范圍，那就會造成我們經(jīng)常說的“穿幫”了。

而張心欣團隊的工作，之所以能得到reviewers們?nèi)绱烁叨鹊脑u價，就是解決了這一痛點：

構(gòu)造出了目前已知能仿真最大體積大范圍海水的方法。

而且采用的還是最高效的計算手段。

也正是通過這樣的方法，研究者們成功將原本只能在近景產(chǎn)生的逼真效果，傳遞到了一個“無窮大”的海面上。

不僅如此，還真實地創(chuàng)造了一個比三維解算深得多的“深?！?/span>， 給近海面處水體的運動， 提供了正確的運動邊界條件。

那么頂級影視公司采用的技術(shù)，不好用嗎？

可以做一個對比來看下效果。

左右兩側(cè)的效果，與中間的參考解相比，可以說是有肉眼可見的差距了。

而與更多的其它方法做對比后，也明顯可以發(fā)現(xiàn)，該項研究中的方法，既能得到準確的波形，也能得到更多的水流細節(jié)。

現(xiàn)在再來回頭看下本文最初的那個特效，在基于這樣的方法之下，可以看到前面的船產(chǎn)生的浪花，甚至會影響到后面船體產(chǎn)生的浪花形態(tài)。

對于這樣的效果，用張心欣的話來說就是：

化有界為無界，便可以追求擬真的更高境界。

如何實現(xiàn)逼真動畫？

要想回答這個問題，就需要先了解一下邊界元技術(shù)。

這個技術(shù)通常對流體運動做有勢無旋的假設(shè)，把大規(guī)模水體的NS方程 （納維-斯托克斯方程），簡化成了伯努利方程。

這就使原本需要在三維網(wǎng)格求解方程的問題，轉(zhuǎn)變成只需在水體表面上定義和求解拉普拉斯方程。

再簡單來說，就是把原先復雜的三維問題，降到了二維層面來解決。

但流體相比于剛體等，自身就是屬于最難的那種場景，加之理論上又存在于諸多局限性。

所以邊界元方法即便是處理流體問題，也不會在復雜的情況下多見。

例如因為積分的奇點、控制方程的非線性,、拓撲變化難以處理等問題，就算是數(shù)學論文中的BEM，通常只能求解到波峰開始破碎的時刻。

怎么破？

理論不足，“工程來湊”：

該項研究提出的解決辦法，將邊界元方法發(fā)展成了一種具備穩(wěn)定性，獨立地就能模擬復雜水體動力學的技術(shù)。

具體而言，就是將邊界元技術(shù)與傳統(tǒng)的FLIP水體仿真方法，進行融會貫通。

例如在上面這個例子中，就不存在三維仿真解算的問題。

所有的計算未知量、計算的時間積分量，都僅僅存在于水體表面網(wǎng)格上。

這樣一來，就大大減少了計算的內(nèi)存或時間消耗。

也正是基于這樣的計算優(yōu)勢，這種方法就非常適用于大面積、大范圍、大體積水體運動的仿真。

△左側(cè)為混合BEM-FLIP的案例， 右側(cè)為純?nèi)S仿真的參照。

除了技術(shù)理論上的研究，澤森的研究人員們?yōu)榱俗尭嗳四軌驅(qū)崿F(xiàn)諸如此類的特效，還特意打造了一個特效開發(fā)系統(tǒng)——ZENO。

這個系統(tǒng)不僅僅支持大量先進高級編程語言特性，更大的亮點就是低代碼。

像文章開頭的那張?zhí)匦В踔敛恍枰萌魏未a就可以實現(xiàn)！

而操作方面也是極度舒適，是“連連看”的那種：

甚至連ZENO中的流體動力學、固體動力學、分子動力學解算器，都是ZENO團隊自己用節(jié)點編輯器，而非C 代碼開發(fā)出來的。

苦特效從業(yè)者久矣的另一個問題，就是開發(fā)高性能GPU代碼。

這一點上，ZENO也提出了自己獨特的嘗試（此處特別贊揚@archibate， @littlemine）。

它內(nèi)置的腳本語言是ZFX，結(jié)合ZENO的wrangler一起使用，可以在CPU和GPU上無差別運行！

此外，ZENO還提供了一系列好用的工具來幫助人們快速地構(gòu)建場景。

對于幾何形狀的CSG操作：

對中間的開發(fā)步驟進行可視化：

從幾何形狀產(chǎn)生大量仿真運算的粒子：

并且，ZENO還具備完整的嵌入式計算開發(fā)工具鏈。

同樣是在無需代碼的情況下，就可以把ZENO編輯器開發(fā)的計算圖，直接導入到C 交互式項目中使用，以此來處理物理計算部分：

不僅如此，在移動端（安卓）也可以進行高精度高性能計算！

而且ZENO團隊還非常貼心地附上了案例和使用教程。

感興趣的友友們，文末自提哦~

從皮克斯走出來的CG大神

能實現(xiàn)如此逼真效果，團隊實力自然不容小覷。

那么最后，就再來說道說道背后的靈魂人物張心欣，以及他的初創(chuàng)公司——澤森科工。

與CG（計算機圖形學）的緣起，得從張心欣的高中時期說起。

跟如今常提到的天才少年不同，他是個嚴重偏科的游戲小子。

美術(shù)和數(shù)學就是他最喜歡的課程。他沉迷于文藝復興時期的藝術(shù)史，也陶醉于設(shè)計和思考數(shù)學問題。

至于其他課程emmm……論如何度過漫長的45分鐘。嗯，想必在座各位或多或少研究過。（手動狗頭）

至于玩游戲，他是認真的。

倒不是欽定幾個游戲一個勁兒打，而是幾百個單機游戲都有接觸。

與其說是玩游戲，倒不如說是游戲測評。

那個時候當個“游戲博主”可不簡單，他要從設(shè)計者的角度去考慮問題，比如精美畫面、關(guān)卡設(shè)計、技術(shù)實現(xiàn)……

這也就驅(qū)動著他去翻技術(shù)論壇和互聯(lián)網(wǎng)資源，也正是那時候才意識到原來國外精美的3D特效，背后需要如此高深技術(shù)才能達到。

張心欣告訴量子位，當時就萌生了個念頭，有朝一日要開發(fā)這些頂尖技術(shù)，做出頂尖的游戲。

之后在大學自學CG以及皮克斯實習時光，真正引起了這個想法質(zhì)變。

因為偏科，擦著二本線的他進到了浙江大學城市學院。

但是在接觸到大學的數(shù)學物理教學后，他開始覺醒到原來這些就正是世界大戰(zhàn)以來令人類世界發(fā)生巨變的力量。

在興趣驅(qū)使下，張心欣自學圖形學的相關(guān)知識和寫代碼。

最后熟練到什么程度呢？張心欣回憶道，當時相關(guān)領(lǐng)域的博士在一些科研項目上還會時不時向他請教。

從浙大畢業(yè)之后，他來到紐約大學讀研究生，也是在那遇到了一生最難得的機會——

前往皮克斯實習。

AMP（美國電影藝術(shù)與科學學院），也就是頒發(fā)奧斯卡獎的那個組委會，在全美知名大學中選出5位計算機科學、數(shù)學的研究者，他們有機會前往好萊塢5家頂級工作室暑期實習。

當中就包括皮克斯、夢工廠、工業(yè)光魔這些知名團隊。

經(jīng)過層層面試篩選，他成為了這當中的五分之一，當時收到組委會的通過電話時，他直接激動得在大街上尖叫。

如今回憶起當年的實習歲月，他在皮克斯感受最深刻的就是科學要去服務(wù)于藝術(shù)。

不同于其他的工程師團隊，皮克斯的技術(shù)人員除了要將paper轉(zhuǎn)化為可用工具之外，還要這些工具轉(zhuǎn)化成藝術(shù)家“看得懂、聽得明白、理解的了、能夠會用的一個個積木”。

利用本地的超算系統(tǒng)，藝術(shù)團隊只需在軟件界面動下鼠標，所有的畫面效果經(jīng)過背后不可見計算，直接實時回傳到藝術(shù)家的手上。

基于這樣的理念，在去年9月，他創(chuàng)辦了澤森特工，擔任創(chuàng)始人兼CTO。

我在公司當唐僧

取名澤森科工，也叫Zenus，張心欣這樣向我們解釋背后的含義：

Zenus拆解開來，分成Zen，禪宗、佛之意，Venus，則是維納斯，所以中文也叫做佛系維納斯。

除了佛系，禪在中文語境下也有道法自然、天然的意思在里面，也跟物理仿真追求真實與美相契合。

其實在創(chuàng)辦之前，倒是有這樣兩個小插曲。

一個是實習期間，他看到了整個好萊塢影視產(chǎn)業(yè)化的全鏈條流程，感嘆于國外頂尖特效技術(shù)，而國內(nèi)類似團隊都很少，與之匹敵更是寥寥。

他就由此萌生了要在國內(nèi)打造類似團隊的想法。

另一個則是在2018年，當時正好所在公司被谷歌收購，受北大陳寶權(quán)教授邀請來到北京電影學院未來影像高精尖創(chuàng)新中心就職，隨后又加入騰訊游戲。

正是在這兩個分別在電影、游戲的頂尖技術(shù)團隊的工作經(jīng)歷，讓他了解了當前國內(nèi)的發(fā)展情況。

萬事俱備之后，他創(chuàng)辦了澤森科工，致力于打造ZENO物理模擬平臺，目前團隊10人左右。

他也借此勉勵那些想出來創(chuàng)業(yè)的技術(shù)人員：想做就勇敢邁出第一步，比如先與妻子達成共識，得到她的支持和肯定。

如今，公司成立即將滿一年，張心欣感嘆，自己越來越像取經(jīng)團隊里的唐僧。

小伙伴們技藝都很高超，這我十分佩服。

我在團隊中做的，更多是用技術(shù)服務(wù)于創(chuàng)新這一理念來影響和凝聚整個團隊。

以至于讓整個團隊達到這個共同追求。

對于未來，他希望更多志同道合的小伙伴參與進來，投身進這一項事業(yè)上來。

正如曾在他一篇文章提到的那樣：

我們一定要做一邊看電影，一邊推導數(shù)學公式和神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的科學家。

ZENO 教程地址：

https://zenustech-documentation.readthedocs.io/zh/latest/index.html

ZENO Embed 使用教程:：

https://zhuanlan.zhihu.com/p/397424868

ZENO Embed 案例：

https://github.com/zenustech/zeno_embed_demo

參考鏈接：

[1]https://zenustech.com/
[2]https://github.com/zenustech/zeno
[3]https://zjnews.zjol.com.cn/zjnews/hznews/201612/t20161202_2143682.shtml

— 完 —

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