怪物背后的数学
2010-01-07
怪物背后的数学
John Whitfield
John Whitfield
柯南译自Nature Science Update
John Whitfield从怪物城带来了关于卡通物理学的最新报道
《怪物公司》(Monsters,Inc.)的演员就像Hieronymus Bosch
（15～16世纪一位善画地狱和魔鬼题材的荷兰画家——译注）
的作品。但是它们的世界和我们的相差不大——感谢制片人员
使用物理定律描绘了一个崭新的计算机动画领域。
（15～16世纪一位善画地狱和魔鬼题材的荷兰画家——译注）
的作品。但是它们的世界和我们的相差不大——感谢制片人员
使用物理定律描绘了一个崭新的计算机动画领域。
导演们使用特技做各种各样的事，从给《角斗士》加上人
群到抹去《卧虎藏龙》中的金属丝。但是动画师对于计算机成
像办不到的事情束手无策。
群到抹去《卧虎藏龙》中的金属丝。但是动画师对于计算机成
像办不到的事情束手无策。
特别的，即使是最高级的绘图软件包也很难生成诸如柔软
的、有皱纹的或者多毛的材质的运动和反光。想一想当你抚摸
一只小狗时它的皮毛的运动和反光，然后你就会明白把这样的
事物转化成计算机代码是多么的困难。
的、有皱纹的或者多毛的材质的运动和反光。想一想当你抚摸
一只小狗时它的皮毛的运动和反光，然后你就会明白把这样的
事物转化成计算机代码是多么的困难。
这就是Pixar公司——负责制作《怪物公司》的加利福尼亚
计算机动画公司——让动画主角坚硬而发亮的原因——例如在
两部《玩具总动员》(Toy Story)中的巴斯光年或者是《虫虫危
机》(A Bug's Life)中的昆虫。
计算机动画公司——让动画主角坚硬而发亮的原因——例如在
两部《玩具总动员》(Toy Story)中的巴斯光年或者是《虫虫危
机》(A Bug's Life)中的昆虫。
现在，《怪物公司》的明星是有超过200万根毛发的8英尺
高的怪物苏利（Sulley），和穿袋式T恤衫的小姑娘小嘘（Boo）。
她在影片的大部分时间出场。
高的怪物苏利（Sulley），和穿袋式T恤衫的小姑娘小嘘（Boo）。
她在影片的大部分时间出场。
怪物公司：苏利和小嘘
为了让他们动起来，Pixar公司的研究人员求助于科学。Pixar
公司的高级动画科学家David Baraff说：“手工让每一根毛发动起
来既昂贵又费时间。我们想让它自动化，因此我们在软件中加入
了物理规律。”
公司的高级动画科学家David Baraff说：“手工让每一根毛发动起
来既昂贵又费时间。我们想让它自动化，因此我们在软件中加入
了物理规律。”
结果，一个叫做Fizt的软件诞生了。（Fizt可以发音做fizz-tee，
是physic tool（物理工具）的简称）Fizt是怪物城的上帝，它知道
规律，并且执行规律。Braaff说：“它知道重力，它知道风，它
知道物体何时撞击。”
是physic tool（物理工具）的简称）Fizt是怪物城的上帝，它知道
规律，并且执行规律。Braaff说：“它知道重力，它知道风，它
知道物体何时撞击。”
人类动画师负责画出裸体的动画角色，然后他们把画稿交给
模拟组。模拟组给他们穿上数字化的皮毛或服装。下一步，Fizt
开始工作，它给角色加入起伏和皱纹，从而符合场景中的运动和
天气。对于这个让角色变得凌乱的虚拟过程，电影中的每一秒钟
对应计算机17分钟的运算。
模拟组。模拟组给他们穿上数字化的皮毛或服装。下一步，Fizt
开始工作，它给角色加入起伏和皱纹，从而符合场景中的运动和
天气。对于这个让角色变得凌乱的虚拟过程，电影中的每一秒钟
对应计算机17分钟的运算。
这个软件也帮助《怪物公司》的制作组绘制像水蒸气和云朵
这样无形的现象。影片的光影变化十分细腻，比以前的计算机动
画运动更复杂，人物看起来更柔软、更有机。Pizar公司是如此
的喜欢Fizt，他们甚至把它的名字作为一个秘密的“复活节彩蛋”
放在了影片中（提示：注意影片中的按钮）
这样无形的现象。影片的光影变化十分细腻，比以前的计算机动
画运动更复杂，人物看起来更柔软、更有机。Pizar公司是如此
的喜欢Fizt，他们甚至把它的名字作为一个秘密的“复活节彩蛋”
放在了影片中（提示：注意影片中的按钮）
卡通科学
正如物理定律是对现实世界的简化，动画世界也被简化的物
理——卡通科学——所支配。
理——卡通科学——所支配。
虫虫危机：什么都是又圆又光滑
设在Bournemouth大学英国国家计算机动画中心的主人Peter
Comninos说，不重要的（规律）被舍弃掉以节省时间和金钱。
Comninos说，不重要的（规律）被舍弃掉以节省时间和金钱。
“计算机动画受限于我们对于真实世界的理解程度，但是它
不必遵从所有的规律，”他说：“我们试图尽可能廉价的制造看
起来比较自然的东西。”
不必遵从所有的规律，”他说：“我们试图尽可能廉价的制造看
起来比较自然的东西。”
物理规律也会根据故事的需要而调整。毕竟观众并不真正在
意影片会不会让牛顿高兴，只要它具有内在逻辑就可以。Baraff
说：“我们是用已知的物理规律，依据他们，因此它们在我们创
造的世界中运作。”
意影片会不会让牛顿高兴，只要它具有内在逻辑就可以。Baraff
说：“我们是用已知的物理规律，依据他们，因此它们在我们创
造的世界中运作。”
例如，在一个场景中，小嘘在数秒钟内长高了10%去够门把
手。因为T恤衫与她是分开的，开始时这个场景意味着她会从衣
服中“爆炸”出来，直到模拟组发现她的衣服同样需要长大。这
部影片中还有许多观众没有注意到的虚拟手法。
手。因为T恤衫与她是分开的，开始时这个场景意味着她会从衣
服中“爆炸”出来，直到模拟组发现她的衣服同样需要长大。这
部影片中还有许多观众没有注意到的虚拟手法。
《怪物公司》充满了惊险的图像。当苏利在暴风雪中被抓住
的时候，雪花沾在它的皮毛上，看起来更像来自一个自然纪录片
而不是卡通。但是让计算机化的世界以假乱真还需要一段时间。
通常最普通的东西最难做好：“没人能画出一片切下的面包令人
信服的图像，”Pixar公司的另外一个高级科学家Tony Derose评论
说。
的时候，雪花沾在它的皮毛上，看起来更像来自一个自然纪录片
而不是卡通。但是让计算机化的世界以假乱真还需要一段时间。
通常最普通的东西最难做好：“没人能画出一片切下的面包令人
信服的图像，”Pixar公司的另外一个高级科学家Tony Derose评论
说。
苏利：有超过2百万根毛发的怪物
任何湿的东西都很难画。动画师闯入了科学家都不敢冒险的
领域。“给《完美风暴》(The Perfect Storm)制作特效的人发现物
理学家不知道泡沫如何随波运动，”Comninos说。现在Pixar公司
开始注意水的问题——它的下一部电影《寻找尼摩》(Finding Nemo)
是关于一条鱼的冒险。
领域。“给《完美风暴》(The Perfect Storm)制作特效的人发现物
理学家不知道泡沫如何随波运动，”Comninos说。现在Pixar公司
开始注意水的问题——它的下一部电影《寻找尼摩》(Finding Nemo)
是关于一条鱼的冒险。
但是业内人士认为最难动画化的是人。让它成为现实至少意
味着汤姆•克鲁斯失业。英国谢菲尔德大学的计算机科学家Steve
Maddock说，总有一天我们会对着合成人讲话，而不是敲键盘。
“最终，当你走进一家旅行社时，或许会与屏幕上的虚拟人打交
道，这并不是不可能的。”
味着汤姆•克鲁斯失业。英国谢菲尔德大学的计算机科学家Steve
Maddock说，总有一天我们会对着合成人讲话，而不是敲键盘。
“最终，当你走进一家旅行社时，或许会与屏幕上的虚拟人打交
道，这并不是不可能的。”
人类很难动画化是因为我们非常复杂：“给人类皮肤加上皱
纹，以及显示出皮肤下面肌肉伸缩带来的影响，是难以置信的困
难，”Comninos这样说。
纹，以及显示出皮肤下面肌肉伸缩带来的影响，是难以置信的困
难，”Comninos这样说。
动画师也开始着手处理数百万年进化带来的缺点，即我们非
常善于辨认脸和身体。“你我能够分辨出假笑和真正笑容的区别，
但是我们要告诉计算机这些区别，”Maddock说。
常善于辨认脸和身体。“你我能够分辨出假笑和真正笑容的区别，
但是我们要告诉计算机这些区别，”Maddock说。
作者：John Whitfield在Nature科学写作组工作