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强化绑定变形：在《DC 超级宠物联盟》上的镜头雕刻（Shot Sculpting）

摘要

在镜头制作中，尤其是“超能力”角色经常出现的那类情况里，动画会遇到各种临时性的创意挑战：既要快速实现夸张或非常规的形变，又不希望因此把问题回流到资产部门反复迭代。制作团队尤其希望：所有角色轮廓（silhouette）仍然由动画部门掌控。这意味着工具必须完整融入既有的动画工作流；而不是像某些面向角色特效（character effects）的镜头雕刻工具 [Somasundaram et al. 2021] 那样，工作方式与动画侧既有流程存在割裂。

从制作实践看，镜头雕刻（shot sculpting）主要落在两类用法上：

• 表演驱动（performance-driven）：例如雕刻鼓起的肌肉、把一只巨大化的猪挤进狭小空间、或为刚性道具补充动画（例如桌面抽屉的开合）。
• 轮廓驱动（silhouette-driven）：根据 draw-over 对轮廓线进行修正，确保线条干净、清晰。

由于从制作早期就将镜头雕刻纳入生产流程，动画师能够在绑定仍在开发时就尽早把镜头打到“可交付”的质量，甚至可以把他们期望的变形原型直接展示给绑定 TD，帮助对齐需求。

本文介绍我们在《DC 超级宠物联盟》（DC League of Super-Pets）中使用的镜头雕刻工具集：它用于增强绑定变形，以满足动画镜头的创意目标。该工具集复用绑定工具，核心是 Animal Logic 的自研变形系统 Bond（Bond deformation system）[Baillet et al. 2020]，为动画师提供直观且灵活的方式，在镜头中扩展绑定的变形堆栈（deformation stack），并把绑定推到其原本设计活动范围之外。工具集已与我们的管线深度集成，并以尽量减少回放速度（playback speed）损失为目标设计，为艺术家提供更“无缝”的使用体验。

1 引言

《DC 超级宠物联盟》是一部具有强烈 squash and stretch 风格的超级英雄动画电影。制作团队在项目早期就决定：他们需要一种方式来应对各种临时出现的创意需求——特别是超级英雄角色在镜头中的形变挑战——并且不需要为此反复回到资产部门。更重要的是，团队希望所有角色的轮廓仍由动画可控，因此镜头雕刻必须是动画工作流的一部分，而不是偏向角色特效部门的独立流程。

2 工具集概览（Overview of Toolset）

工具集的主界面在 Autodesk Maya® 中实现，如图 1 所示。它允许用户按“绑定（rig）”与“几何（geometry）”维度管理变形器（deformers），并提供便捷选项用于：绘制权重（paint weights）、编辑 blendshape 目标（targets）以及切换激活状态（toggle active states）。

2.1 变形器（Deformers）

我们从绑定部门可用的变形器集合中，筛选出一部分供动画使用，筛选标准主要来自创意需求与技术可用性。

最常用的是 blendshapes。在整个工具集中，blendshape 是唯一需要“字面意义上的雕刻（literal sculpting）”的部分，它常用于实现非常具体的设计细节。

此外，工具集还提供了 softmod、push、smooth 与 cluster 变形器，它们可用于：

• 增加或减少体积（volume）
• 抹平（buff out）过于“脆/硬（crunchy）”或“凹凸（lumpy）”的区域
• 移动相对刚性的对象（如纽扣或首饰）

最后，lattice 变形器在增加 squash and stretch 效果、以及制作 smear frames 时非常有用。lattice 还包含一个 collision mode，它被大量用于解决我们“主角猪”快速变大这一超能力带来的形变挑战。

2.2 权重贴图（Weight maps）

该工具集在所有权重贴图绘制功能上，都复用了 Bond 的绘制工具（Bond paint tool）。不过，为了降低动画师的学习成本，我们支持在创建变形器时，直接从“顶点或面的软选择（vertex/face soft selection）”初始化权重贴图；这样通常不需要手动绘制，除非确实需要一张非常特定的权重图。

2.3 分组（Grouping）

lattice 与 softmod 支持几何分组（geometry grouping）：也就是说，可以通过共享控制器（shared control），向某个变形器添加或移除受影响的 shape。该能力在处理角色面部（face）尤为实用，因为面部往往由多份几何共同构成。

2.4 导入/导出（Import/Export）

我们将管线的 IO 流程直接暴露给用户，以便变形设置可以共享与复用。工具集中提供了专门的 IO 工具，用于处理变形器重名冲突（deformer name conflicts），并在发现拓扑不兼容（topology incompatibility）时给出提示，如图 2 所示。

3 在镜头中编辑绑定（Editing rigs in shots）

我们的镜头雕刻工具集构建在 Bond 之上：Bond 是一个与 Pixar™ Universal Scene Description（USD）集成的 CPU/GPU 混合变形系统（hybrid CPU/GPU deformation system）[Baillet et al. 2020]；同时我们也依赖 Beast——Animal Logic 以数据为中心（data-centric）的绑定框架（rigging framework）。

在 Animal Logic 的绑定中，**控制绑定（control rig）与变形堆栈（deformation stack）**有非常明确的分离：控制绑定以 Maya reference 形式加载到场景；而变形堆栈在 Beast 中称为 binding data。binding data 由一组 Bond 节点构成，它们在绑定加载时创建，用来把 UsdStage 中的几何与被引用的控制绑定进行绑定（bind）。

这种结构的直接结果是：变形堆栈可以在镜头上下文中被编辑，从而叠加额外变形，形成分层（layering）的镜头级形变。Beast 中的所有 binding data 都带有 USD 数据，用于存储 blendshapes、权重贴图、skin 数据等内容，这些通过 Animal Logic 的自定义 USD schemas 实现。

在动画上下文中，为了提供更灵活的 authoring，有一部分 binding data 会通过 Bond 的 binding generators 在运行时从场景节点动态生成。例如，blendshape 目标会直接在 Maya 场景中的 mesh 上雕刻，而 Bond 的评估链（evaluation chain）会在运行时计算 offset。由于该工作流是“以变形为驱动（deformation-driven）”的，因此我们不依赖控制绑定；唯一的例外是：变形设置需要做局部化（localisation）时，会与控制绑定发生关联。

4 无循环的铆接控制器（Cycle-free riveted controls）

该工具集“易用性”的一个关键点，是允许控制器（controls）附着到几何上（attached to the geometry）：这样动画师在创建之后仍能很容易地找到它们并进行移动。

但如果直接在同一条计算链上“既算变形、又取附着点（rivet positions）”，很容易引入评估循环（evaluation cycles），并导致回放速度不可控。为避免这种情况并保证稳定的回放性能，我们把 Bond 的计算链复制成两条：

• 主链（principal chain）：包含完整的变形堆栈，用于最终的几何变形。
• 次链（secondary chain）：负责在变形堆栈的某个指定层级（defined level of the deformation stack）上评估铆接点位置（rivet positions），如图 3 所示。

这种设计会导致我们对绑定变形进行冗余计算（redundantly compute the rig deformation）。不过性能分析（profiling）显示：Bond 的 GPU 评估目前足够快，这部分额外计算的开销可以忽略不计。

5 结果与未来工作（Results and Future Work）

镜头雕刻工具集在 1800 个动画镜头中有 945 个镜头使用过，同时也被用于各种原型（prototyping）用途。我们记录到：在单个绑定上、使用 GPU 评估的前提下，每增加“几十个变形器”，回放速度（fps）最高会损失约 10%。但在实际制作中，我们通常看到每个绑定只会使用两到三个变形器，因此对用户的回放几乎没有影响。

基于该工具集在动画中的成功实践，Bond 的次链（secondary chains）与生成器（generators）目前也已在绑定部门被广泛使用。变形器 IO 流程同样已集成进我们的动画库（animation library），以便更容易共享与复用。此外，铆接（riveting）相关的工具也被整合进一个新工具：用户可以在视窗中点击绑定或几何缓存（geometry caches），来附着用于约束（constraints）的控制器。

未来工作包括：

• 在导入流程中集成绑定的变形传递（deformation transfer）过程，以支持跨不同拓扑导入变形器。
• 增加对曲线（curves）的支持（目前只支持 mesh）。
• 研究把变形器插入绑定堆栈（rig stack）的能力，特别是面向笼形变（caged deformations）的插入支持。

参考文献（References）

说明：为便于检索，以下条目保留作者、题名、年份以及 DOI/URL 等关键信息（条目内容本身保持英文/可检索形式）。

• Aloys Baillet, Josh Murtack, Hongbin Hu, Haoliang Jiang, and Michael Quandt. 2020. Bond: USD-Integrated Hybrid CPU, GPU Deformation System. In ACM SIGGRAPH 2020 Talks (SIGGRAPH ’20). https://doi.org/10.1145/3388767.3407324
• Arunachalam Somasundaram, Felege Gebru, William Sokoloski, and Nate Yellig. 2021. DreamWorks Art-Driven Shot Sculpting Toolset. In ACM SIGGRAPH 2021 Talks (SIGGRAPH ’21). https://doi.org/10.1145/3450623.3464649