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汽车广告竟然可以实时渲染出来?



一年一度的GDC展会(游戏开发者大会)总是吸引着全球游戏爱好者的目光,同时这也是计算机图形图像领域最新技术的集中展示,尤其是实时图像处理技术,在GDC展会上总是成为人们关注的焦点。

 

今年的GDC展会上,知名游戏厂商Epic Games便带来了一项非常前卫的技术展示,这个名为《The Human Race》的项目由Epic和TheMill共同完成,后者是当今世界第一的广告后期公司,该项目展现了飞驰在山间公路上的雪佛兰2017款CamaroZL1跑车和FNR概念车,乍一看好像没什么了不起,但不可思议的是,画面中的两辆跑车完全是由Epic旗下的UnrealEngine实时渲染出来的,可以随时改变跑车的外观,并且这两辆车从未参与过实际的拍摄过程。


 

《The Human Race》短片

 

那么这段视频画面到底是怎么实现的呢?本文就将揭开这项技术的神秘面纱。

 



Blackbird                    



汽车广告一直都面临着一个问题,那就是广告拍摄都在新车发布之前,把真车拉去拍广告,一方面成本和风险都很高,另一方面还可能泄密,因此目前大部分汽车广告里的车都是CG制作的。不过虽然如此,在拍摄现场往往还是需要有一辆实拍的“替身车”,方便摄制组进行镜头设计、并能提供一些运动、光照、交互方面的参考,在后期再将其替换为广告所需的车型。但问题在于,不同的车型其外观尺寸和动力性能都是不同的,如果找的替身车不合适,广告上往往就会要求在后期阶段进行大量的微调。

 

作为全球第一的广告后期公司,The Mill为此研发了一款名为Blackbird的特殊车架,能够很好地解决这一问题。

 

Blackbird的车身是可变尺寸的,轴距的可变范围是1.2米,轴宽可变范围是25厘米,这足以覆盖绝大多数轿车的尺寸。Blackbird配备了车载气动千斤顶,可以快速装卸车轮和轮毂,并且支持任意厂商、任意款式的车轮,这样可以在成片中保留实拍的车轮,从而让车辆与地面的交互更加真实。

 

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Blackbird可调节车架

 

Blackbird采用电力四轮驱动,能够达到跑车的速度,其电池充电一晚上能维持近200公里的行程,回馈制动系统使其更加节能。电机支持程序化控制,能够匹配各种车辆的加速曲线和齿轮换挡特性,同时阻尼特性也是可调节的,这使其可以模拟各种车辆的动力特征,包括高性能跑车。


 

Blackbird车架介绍


Blackbird同时也是一辆数据采集车,其车顶上安装了全景摄影机阵列,用来捕获背景素材,车身上还有用于采集光照信息的铬球、中灰球和色板,这些采集的数据能够为后期阶段的CG车辆提供足够精确的光照信息和反射信息。

 

正是由于拥有极高的灵活性、优异的操作性能和超越以往的精确度,Blackbird成为了The Mill的独家秘密武器,可以用于各种汽车广告的制作,只需把Blackbird调整到目标车辆的尺寸,然后拉去片场担当“替身”,所有的交互、轮胎痕迹、制动都是跟目标车辆一致的,后期阶段只需把车架子替换成CG版的车身就行了。

 

Blackbird上除了定制的可调节云台和摄影机稳定系统之外,甚至还可以安装激光扫描设备,这跟自动驾驶系统使用的是同样的技术,能够快速采集Blackbird所经过的地形环境,这对于后期重建复杂的CG环境来说具有极高的价值。

 

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 Blackbird车身替换前后对照

 

Blackbird由加州著名的特种机械制造商JemFX打造,其装配车间正是曾经诞生过黑鸟SR-17超音速战机的地方,The Mill将这辆车命名为Blackbird也正是源于这个典故。车架上的摄影机阵列和数据采集设备是专门定制的,由屡获殊荣的车载摇臂稳定器厂商Performance Filmworks设计,在技艺精湛的技术团队协助下,Blackbird从构想到完工都融合了最先进的技术和最高水平的工艺。目前世界上只有一台Blackbird车架,但TheMill正在研发第二代车架,并准备在欧洲(很可能是伦敦)永久投放一台。

 

 


Cyclops、MillStitch                    



虽然Blackbird的性能十分强劲,但是在片场光有这么一台车架也还不够,广告创作团队更希望在片场直接看到他们想要的效果,甚至能在3D环境下交互式地做出修改调整,而这一需求便是由The Mill的专有软件Cyclops实现。这套软件能够实时地把画面中的Blackbird替换成想要的车型,并且能够自定义汽车的外观和颜色,甚至车上的光照和反射都是实时生成的。利用这套软件,导演和摄影师能够在片场立刻看到数字版的汽车,从而更好地设计构图和镜头调度。

 

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Blackbird车身替换前后对照

 

Cyclops其实是TheMill研发的通用虚拟制作平台,借助增强现实技术在片场实时提供视觉参考。在GDC展会的演示中,TheMill把Cyclops跟Epic的UnrealEngine结合到了一起,用户可以通过游戏界面将Blackbird切换为雪佛兰跑车,并且能够自定义跑车的颜色。

 

Cyclops的工作原理并不复杂,就是生成一个与其相匹配的CG版汽车模型,然后用Blackbird采集到的环境光照信息去给CG模型打光,最后替换掉Blackbird,而这一切都是实时完成的。



 Blackbird效果演示

 

Blackbird的车顶安装了4台REDDragon 6K摄影机,并配备了8~15mm广角镜头,这一阵列拍摄的画面通过The Mill的MillStitch软件自动进行拼接缝合,得到360°全景环境图,然后无线传输到拍摄车中的Unreal Engine上。全景环境图是经纬度平铺(Lat-Long)形式的视频流,这一视频流所提供的光照信息是与车辆的位置相匹配的,能够随着车辆的运动而变化,因此不仅被用于Unreal Engine中的基于图像的照明,也用于为车身表面提供反射图样,这对于提升CG车辆的真实感来说至关重要。

 

Mill Stitch能够自动校正镜头畸变,支持各种摄影机和镜头特性,其内置的高速存储能够支持4天的的拍摄。Mill Stitch除了能够在实时环境下使用,当然也可以用于后期制作,例如可以制作一个CG版的车内结构,然后用Mill Stitch生成的全景环境图作为车窗外的背景,从而得到驾驶员视角的画面,让观众感觉像是真的坐在车里一样。

 

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 Mill Stitch拼接全景图

 

Mill Stitch拼接出来的全景图其实不足以作为IBL流程所需的HDR图像,因为RED Dragon摄影机的动态范围有限,但开发人员发现裁切掉的高光区域基本上就是太阳,所以只需将这些区域的亮度值再增加一些,就可以基本模拟HDR图像所覆盖的动态范围。




Arraiy、UnrealEngine                    


 

解决了车型和光照的问题,接下来就要解决实时跟踪的问题了。The Mill对于车辆跟踪拥有极为丰富的经验,但要满足GDC展会所需的精确度和实时特性,他们还得寻找另外的方案,这套名为Arraiy的解决方案由计算机视觉专家研发,甚至都还未正式公开发布。Arraiy的功能之一就是同步定位和映射,这是构建或映射未知环境时所需做的计算。Arraiy团队很乐意帮助The Mill构建计算机视觉跟踪系统,能够实时地获取Blackbird和全景摄影机的位置,在测试期间,全队成员仅用一台5D Mark III相机就获得了实时亚毫米级精确跟踪,这是其他跟踪系统很难做到的。

 

在室外光照环境下高速行驶的车辆从视觉上来说是复杂多变的,并且还包含大量的运动模糊,为了更精确地进行跟踪,Arraiy团队决定在Blackbird上安装有利于计算机视觉识别的二维码,甚至在软件底层算法中使用了基于人工神经网络的深度学习。

 

GDC展会上展示的雪佛兰广告是用车载摇臂搭载Arri Alexa摄影机拍摄的,摄影机的画面先直接传输到Arraiy进行跟踪,得到的位置信息再输入到Unreal Engine。




拍摄过程                    



The Mill在纽约有一个正在扩张的实时特效团队,他们所使用的制作工具正是Epic开发的Unreal Engine。去年的时候,Epic首席技术官KimLibreri曾参观The Mill并见到了Blackbird,他完全被这种全新的汽车广告制作方式所吸引,于是双方决定整合Blackbird、Mill Cyclops、UnrealEngine等工具,开发一套基于AR组件的实时汽车广告制作系统,把这个领域带入全新的时代,而这次合作的结果正是《The Human Race》短片。

 

The Mill找到了老客户雪佛兰,雪佛兰对这次合作也充满兴趣,认为这项新技术与雪佛兰不断创新的理念相吻合,能够更直观地展示其未来将要上市的新车型,并且可以在展示的时候让客户更好地参与进来。他们为制作团队提供了Camaro ZL1和FNR的设计图纸,Epic的3D艺术家据此制作了两辆车的CG模型,并将其优化为适合在实时渲染环境中使用。

 

短片的整个策划、拍摄和制作都是由The Mill负责的,影片的实际拍摄只花了一天就完成了,在片场只有Blackbird和摄影车,导演、摄影指导、操机员、实时渲染总监都坐在摄影车里,俯视航拍镜头也是用摄影车的车载摇臂拍摄的。整部短片中,除了两辆雪佛兰跑车是实时渲染的,外景的所有地形、公路、天空、树木等等都是实拍的,而当跑车进入到隧道之后,画面中的所有东西就完全是CG实时渲染出来的了。

 

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《TheHuman Race》成片效果

 

值得一提的是,上述流程原则上限制了一辆Blackbird只能被替换为一辆目标车辆,但在上述短片中我们看到的是两款不同车型的雪佛兰跑车,实际上这是制作组投机取巧的行为。由于两辆车靠的很近,运动路线也基本一致,所以可以使用同一套背景图和光照信息,另外在不同的镜头中,Blackbird其实是交替地扮演两款车型的替身,有时候是Camaro ZL1,有时候是FNR。




项目背后的非凡意义                    



从流程上看,TheMill和Epic合作的这一整套实时特效方案似乎让后期变得多余,因为所有的东西都可以在片场实时完成,但实际上客户往往会对广告提出各种修改意见,并且永远希望拿到最高质量的成品。而这套方案的优越性在于,它不但能提供实时特效处理,也以最高质量记录了传统后期特效所需的所有数据,包括环境信息、光照信息、位置信息等,因此The Mill也可以利用这些信息按照传统的方式进行高质量后期制作。简单来说,这套流程不会对客户造成任何限制,也不会丢弃掉任何有用的信息。

 

对于雪佛兰这样的汽车品牌来说,这项技术让他们看到了未来汽车营销领域的新趋势。随着汽车制造越来越走向定制化,汽车的市场营销也越来越直接,未来客户可以很快地选择好他们的配置清单,然后马上就能看到他们心目中的车在广告视频中出现,而这一切都可以在零售店甚至客户自己家里实现。

 

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客户可以自己“配置”汽车广告效果

 

GDC展会本身就是行业风向标,Epic所展示的实时渲染技术也会完全包含进未来发行的Unreal Engine 4里,可以说《TheHuman Race》目前是实时渲染领域最先进的作品,提高了整个行业未来的生产水平,也必将带动更多相关的技术问世。

 

这套流程也必将影响到特效制作领域,The Mill的Cyclops原本就是设计为一个通用的虚拟制作平台,能够快速地将数字资产融合到影片和增强现实产品中。未来Cyclops还可以整合更多的数据,例如激光扫描数据和GPS定位数据,并且不仅仅局限于汽车广告,而是用于任何内容的拍摄制作,甚至在现场直播环节也可以加入高质量的增强现实效果。未来,基于增强现实的虚拟制作将会成为特效行业的主流制作流程,而实时渲染技术的普及能将传统的费时费力的资产制作简化到实时状态下完成,这对于特效领域可以说是颠覆性的进步。