图 1：我们的《Strange World》角色阵容中的一部分，每个角色都拥有独特且明确的皮肤类型。
Walt Disney Animation Studios 的艺术家们在每一部后续影片中，都持续努力改进对越来越广泛肤色的物理呈现。《Strange World》为我们提供了一个极佳的机会，去改进我们描绘多种皮肤类型的方式。我们实施的改变包括：从零开始创建一种新的皮肤材质、修改测试用灯光 rig 以更好地评估材质，以及实施灯光策略以更好地表现每个角色皮肤的属性。最终的结果是：角色皮肤在保持与影片艺术指导一致的风格化程度的同时，也提升了我们对更广泛皮肤类型的呈现能力。
1 引言
两个人之间皮肤的差异，不仅仅体现在颜色上，还涉及一整套材质属性，包括镜面反射率、表面瑕疵、底色以及次表面散射。我们在《Strange World》中的目标，是以一种方式来塑造角色，使每个角色都像是拥有与其现实世界灵感来源相对应、真实而具体的皮肤。我们尤其专注于提升对深色肤色的呈现；正如 Kim et al. [2022] 所讨论的那样，我们认为在更广泛的动画和计算机图形学领域，这一主题仍有大量工作需要完成。为了实现这一目标，我们特别构建了材质和灯光 rig，以确保每个角色的皮肤都能体现出该类皮肤在现实生活中的真实属性。
图 2：用于同时在多种灯光条件下直观评估材质响应的 “quilt comp”。quilt comp 中的六个灯光 rig，都是为了反映我们这部影片中常见的具体灯光条件而挑选的。
2 皮肤 Shader 的改进
从历史上看，我们的每一部影片往往都会通过继承前一部影片的皮肤设置来开发皮肤材质，在此基础上进行改进与迭代，以适应主要角色的艺术指导，然后再把主角的皮肤设置分发给次要角色和群演。随着时间推移，这种迭代式方法在我们的皮肤着色方案中累积了许多高级特性，包括面部毛孔细节的光照表现、通过细小实例化曲线几何体模拟的 peach fuzz [Burley et al. 2017]，以及路径追踪的次表面散射 [Chiang et al. 2016]。在一些先前的影片中，艺术指导要求角色呈现柔和、简化、类似喷枪处理的外观。细微而自然的毛孔细节与粗糙度分裂效果会针对特写镜头进行调节，但为了更好地纳入更广泛的肤色范围，尤其是那些需要更强镜面响应的肤色，仍然需要进一步改进。皮肤更高的镜面响应通常会在中景、远景以及柔光下的特写中弱化毛孔细节。
为了支持更粗粝的动作冒险基调，以及拥有广泛脸型与肤色的角色阵容，我们着手从零开始开发一种新的皮肤材质，并设定了以下目标：
- 在基础 shader 设置中支持更丰富的皮肤镜面响应和颜色变化。
- 夸张化粗糙度与表面细节。
- 提供一个足够灵活的结构，既能适配未来项目，也能支持《Strange World》独特的艺术指导。
- 能够轻松支持更风格化的形状和变化更大的面部比例。
针对这套更新后的皮肤设置，我们在 Substance Designer 中从零构建了一整套新的 micro-detail maps，用于不同的皮肤区域；其实现方式也足够灵活，可以在需要时加入新的皮肤细节类型。例如，我们必须为粗犷的冒险家 Jaeger 新增一种疤痕皮肤细节类型。这个新系统包含了雀斑、隆起、痣和 beauty marks 的标准化实现。在我们之前的皮肤材质中，暖区和冷区那些微妙的颜色变化往往由艺术家手绘，并压平到单一绘制层中。当把已有的皮肤设置吸收到肤色不同的角色上，或者哪怕只是处理艺术反馈时，艺术家常常都不得不重绘许多这类纹理贴图。为了对着色提供更细致的控制，我们的新材质把更多区域拆分为各自独立的 color chips，这使我们能够轻松地为每种肤色做细腻调整，也便于吸收其他艺术家的工作成果。
图 3：针对深色皮肤类型的各种有利与不利灯光情境。轮廓光（左上）可用于防止角色与深色背景融为一体（左下）。或者，当轮廓光不适用时，逆光（上中）也可用于实现角色分离。彩色灯光（右上）能够帮助提升饱和度，并为深色角色带来独特的塑形。应避免过度补光（下中），也应避免那种会使深色皮肤显得更浅的大面积明亮均匀照明（右下）。
此外，《Strange World》的艺术指导也给了我们机会，让角色拥有更夸张程度的皮肤细节，这对镜面塑形带来了重要的维度。
我们针对新的路径追踪次表面散射数值进行了调校，并配合改进后的实现方式，使艺术家能够更轻松地对特定区域以及整体强度进行精确控制。对整体次表面强度的这种控制，对处理不同肤色至关重要，因为含有更多色素的皮肤会自然吸收更多光线，相比浅色肤色角色，需要更低的整体数值才能落入合适范围。
我们将颜色变化、镜面响应以及次表面散射数值，分别为浅色、中间色和深色肤色调校出一组基线，作为艺术家制作新角色时继承的起点；这也在构建我们的群演系统时提供了极大帮助。对于某些角色，我们使用了新的 multi-scattering sheen model [Zeltner et al. 2022]，为艺术家提供更多镜面控制能力。对于我们的人类群演，我们扩展了新的皮肤材质系统，使其能够根据整体肤色动态切换到正确调校过的镜面与次表面散射响应。最后，我们还在 lineup renders 中构建了更好的对比方式，以改进我们对整组角色外观一致性的评估。
3 一种新的测试范式
我们工作室的灯光工作流，是从使用通用灯光 rig（lrigGeneric）评估材质开始的。这个系统被设计出来，是为了提供一种尽可能适用于多种场景的通用灯光系统；然而，这个目标也意味着它常常优先考虑均匀照明，而不是材质响应。我们最初使用的 lrigGeneric 版本提供了过多的反弹光和补光，这让艺术家难以在表面落入阴影时正确判断材质响应。由于明暗过渡区域承载了关于镜面响应和底色的重要视觉信息，角色皮肤在镜头灯光中的视觉效果，往往与 Look Development 艺术家原本预期的有显著差异；在深色皮肤角色的情况下，这个问题尤其严重。
我们并没有只关注清晰度和均匀照明，而是希望更加强调 lrigGeneric 在不同灯光条件下展示材质响应的能力。通过减少角色底部和补光侧的光量，改进后的灯光 rig 让 Look Development 艺术家能够在更接近最终生产镜头中角色实际呈现方式的灯光下评估自己的工作。我们用 Ethan 这个拥有中间肤色的主角，来调校新的 lrigGeneric 设置强度。使用中间肤色作为基准，使我们获得了一个良好的起点，可以据此测试整套角色皮肤类型的范围。
为了进一步改进 Look Development 艺术家在不同灯光场景下评估进展的方式，我们创建了一个自动化的 “quilt comp”（图 2）系统，该系统使用额外六套灯光 rig 以网格形式照亮角色，并针对并排同时比较进行了优化。在灯光中采用不同程度的硬度、强度和颜色，使我们能够看到皮肤在那些很可能出现在制作中的灯光条件下的响应。这种方法大大减少了角色被放入不寻常或非常规灯光情境时出现“意外结果”的情况。
4 针对对比性肤色的镜头灯光策略
为了在宽广的肤色谱系之间平衡光强，以达到期望的审美结果，同时又不让任何一种肤色出现过曝或欠曝，这带来了重大挑战。我们通过两种方式来应对这一挑战：要么为深色肤色角色增加光源，要么修改现有光源以降低浅色肤色上的强度；对于大型主光，我们会通过将光源移得更远来降低强度（这样既能增加镜面感，又能保持阴影柔和），或者通过缩小光源尺寸来降低强度（适用于需要更硬阴影的情况）。
在较暗的灯光设置中，深色肤色的阴影侧可能会与背景融为一体。在这些情况下，给角色增加轮廓光，或者对背景进行有策略的打光，都有助于把角色从背景中拉出来，并保持其轮廓形状。我们发现，当背景角色移动到画面中更暗的区域时，必须特别注意维持其视觉辨识度。
对深色皮肤进行过度照明，或许是更常见的问题，尤其是在动画中，清晰度和视觉可读性通常优先于戏剧性的塑形。过量的补光与反弹光源很容易抬高角色被感知到的肤色；这个问题的根源在于对比度降低，而对比度降低会在感知上使颜色变浅 [O’Falt 2016]。通过遮挡深色肤色阴影侧的光源，我们能够在保持主光侧曝光的同时，让皮肤在表面转离主光时自然滚入更深的色调。
我们还发现，使用彩色灯光能够让深色皮肤获得更高的饱和度，并带来更独特的塑形。在真人电影摄影中，未漂白 muslin 常被用作深色皮肤的柔光材料，而不是漂白 muslin [Harding 2017]；它会给光线带来暖意，并帮助肤色显得更丰富。我们也借鉴了这一技巧，加入了微弱的暖色反弹光，从而帮助皮肤看起来更有生命力、更鲜活。
图 4：在多种制作灯光条件下呈现各种皮肤类型的最终画面示例。
我们在图 3 中展示了上述一些情形在实际制作角色上的示例。
5 针对更高皮肤镜面性的镜头灯光策略
浅色肤色与深色肤色在材质响应上的一个关键差异，是镜面性的不同水平。正如 Pappas et al. [2013] 所讨论的，某些皮肤类型往往会比其他类型分泌更多皮脂和表面油脂，从而在表面产生更多镜面反射。深色皮肤类型更高的镜面性，使我们能够更多地借助镜面反射而不是漫反射来塑造角色。
通常被认为更适合浅色皮肤的超大面积柔化主光，很容易冲淡深色皮肤，并使深色皮肤显得过于哑光。减小光源尺寸并把光源移得更远，可以保持皮肤中的镜面性，并允许更好的塑形。随后，由较小光源产生的硬阴影，还可以通过额外的柔和包裹光来软化投射阴影与形体过渡，同时维持镜面性。
我们还使用了大面积、低亮度的光源；这类光源对更偏哑光的皮肤影响相对较小，却可以在皮肤表面形成掠射反射并进入镜头。当这些光源以彩色光源形式用于反射而非直接照明时，这种做法尤其有效，因为它们会显得更加鲜艳。
6 结论
随着 Walt Disney Animation Studios 持续讲述发生在富于想象力世界中的普世故事，我们的角色也在不断演化，以容纳现实生活中存在的广泛多样性 [Kaur et al. 2021]。尽管仍有大量工作有待完成，但《Strange World》中采用的皮肤着色改进和灯光策略，确实向更好地表现现实世界中的多种肤色迈进了一大步，并为未来项目奠定了一个优秀的平台。