真香警告！？Maya 2020.4发布，第三代CG技术崛起！！！

wuhu动画人空间 2021-10-18

The following article is from Bifrost艺术之旅 Author 李永波

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本文授权转载自Bifrost艺术之旅，作者李永波

总嫌Maya更新太慢？

这不，它来了！！

Maya近期更新了2020.4版本，标志着Maya的节点系统Bifrost可视化编程的一个里程碑。

为了将更丰富的程序性工作流带到Maya通道的更多区域，开发者在2020.4中为Bifrost添加了强大的散射（scattering），实例化（instancing），体积（volumetrics）和FX功能（FX capabilities）等。

Maya 2020.4 发布标志着Maya进入程序化建模和大场景布局时代，也意味着商用CG技术迈入第三代发展时期。这次更新以Bifrost为主，Bifrost的目标是探索和开发第三代技术，它算是第三代CG创作工具。

将CG技术分为三个发展时代，是为了更好的区分它们。第一代：计算机图形发展初期。第二代：上世纪末本世纪初。第三代：现在与未来。好莱坞电影幕后解析可以看出，Weta Digital最近几年也在研究第三代技术，并且已经在几个项目上展露翅膀。Bifrost研究方向是面向未来的，计算机硬件几年就更新换代一次，性能越来越强悍，智能算法和大数据在CG制作中越来越重要。三维图形的初衷就是模仿真实世界，虚拟与现实融为一体。

希望国内行业可以抓住这次第三代技术发展的关键时期，在技术层面上追赶国外。

第三代CG技术一句话概况：基于物理化学以及人工智能和深度学习

基于物理化学

现实中人眼能看到的大多是物理和化学的反应现象，基于物理化学的好处就是自然而然得到真实可信的结果。这样，艺术家会将更多的精力投入到艺术创作中，而不必纠结于技术。

人工智能与深度学习

关于使用深度学习算法加速模拟的研究论文已经问世。所以，团队另一个研究方向就是人工智能与深度学习。

Konstantinos Stamatelos（产品设计师）：利用人工智能和深度学习来使Bifrost仿真更快，更易于使用和设置，并通过更少的调整和迭代来获得理想的结果。

Robert Bridson(首席科学家)：深度学习方法对于训练数据感到满意并想要复制/插值时更为重要。VFX中肯定有一些途径可以沿这些方向提供帮助，但是考虑在更高级别的工作流级别上进行深度学习的机会可能会更加令人兴奋。

Maya Bifrost现有的第三代技术：

Aero: 基于物理和化学特性的燃烧系统。（隔空辐射加热，燃烧产生水蒸气，氧化还原反应，真实世界中的化学燃料）
MPM：多物理材质混合模拟的物质点法。（刚体，柔体，沙雪，毛发，布料，流体，一锅炖）
field：现代物理学（量子场论和相对论）两大支柱的根基，场。（也可描述为不存在分辨率和边界的一套体积工具包）

好了，下面就是正题了。这次更新的内容感觉最强大的就是field场系统。

01.field场

密度场创建的星云

场系统是由Jerry Tessendorf博士（获得奥斯卡技术成就奖）花费十年多时间研究并和Bifrost团队共同合作开发的。目的是设计一种不存在分辨率无边界的体积数据和一套操作这种数据的工具，提供给艺术家和开发人员无限的可能性。

场系统类似于梦工厂开源的VDB工具包，开源是它的优势。同样是体积工具，VDB属于第二代技术，而场属于第三代技术。简单举例，VDB会受限分辨率，也就是体素，类似于像素。众所周知，像素越多图像的细节越多也就越清晰。一个VDB文件是可以用数字大小来描述体素数量的，它在三维空间是有边界的。而场没有大小，它是无处不在的，遍布整个三维空间，甚至是宇宙中任意一点。

因为场系统和物理中的场有相似的概念，所以我建议大家可以通过阅读物理中的场论知识来理解场系统。当然，只是当科普文章去阅读就行了。这也是促使我更加深入了解场系统的一种非常有趣的途径，因为我本身对物理是非常感兴趣的。

爱因斯坦指出，广义相对论本质上"是一种场论"。量子力学也是在研究量子场。所以说，万物皆为场。

场是关于位置和时间的函数。我们现实世界所有的物体都是由基本粒子形成。物体的运动是由基本粒子发生湮灭和重生而产生的宏观表现，实际上粒子并没有发生移动。是不是听起来很玄乎。换个方式理解，屏幕中的画面看起来在运动，实际上每一个像素都没动。这就意味着场是无处不在的，真空并不是真的空，里面还存在场。

上面是对Bifrost场系统做了一个小的背景描述。它有很多有趣的用途：标量场可以用来程序化建模，生成云，石头，抽象物体等，三维模型可以用距离场来表示，向量场可以当做速度场用来移动其它场，向量场传递给解算器做动力学模拟。除此之外还有属性代理场和体积场。场和体积可以互相转化，可以使用“field_scope”在Maya视图中可视化场。

标量场程序化建模云

for循环一键批量生产大量不同形态云

不可能一朵一朵去制作云的资产，为了提高效率，通过for循环来产生几种不同类型的云，每种有10个不同形态。一键操作。

云海

场已集成到整个节点资产中：

可以将体积转化为场，并且可以对场进行采样以创建体积。
可以使用场来控制和修改用于动力学模拟。
可以使用场来驱动新散布包节点的权重和其它端口值。

使用场系统重新构建了影响场。因此，可以轻松编辑和自定义预制的影响场。

此外，通过新的set_influence_force 节点可以使用场系统从头开始构建自定义影响场，包括力场，阻力场，遮罩场，属性场，消灭场等。

利用四元数自定义旋涡场

通过maya曲线自定义曲线场

02.Maya曲线导入

Maya曲线现在可以通过鼠标中键直接拖放到节点图里。并且有3种模式可对曲线进行重新采样：

CV点
CV点倍增
曲线点间距

当拖放的对象是多根曲线时，可以更改端口类型为数组，将每根曲线分离出来。

用maya曲线开发一个管生成资产，并通过fcurve自定义管宽度

fcurve相当于一个小型的Maya曲线编辑器，可以自定义关键帧之间的插值

曲线的切线属性可以用来定向物体的方向

maya曲线作为引导线，开发一个毛发生成系统

花半天时间测试的。利用强大的可视化编程，专业的工作室完全可以开发一套媲美Xgen的内部毛发生成系统

03.程序化建模

上面这个是由maya曲线控制，当拉扯曲线时，道路会实时更新长短，高度。一天时间测试的，希望将来有时间完善这个道路生成工具，分享在官方社区，大家可以拿这个工具用在项目中。

渲染测试

场系统和散布工具包给Maya程序化建模流程带来了无限的可能性，Bifrost高级易用的建模节点会越来越多。可以想象，大规模和高效率的程序化建模会在传统的建模方式中占据更大的作用。

04.bifrostGraph

现在不在将图和渲染节点分开了，二合一，节点图和渲染节点成了一个节点。当然，也可以通过菜单下的转换一分二，便于分层渲染。

05.大场景散布工具包

这次更新场系统是第一位的话，那散布包就是第二位最大更新的功能了。

这套工具包是专门为大型场景散布而专门定制设计开发的。比如种树种花种草摆石头摆房子之类的。显示和渲染分开，低模显示，高模渲染。大场景飘柔一般的顺滑。

可以通过场随机生成散布位置，通过点属性生成散布位置，也可以绘画或者贴图控制散布的位置，又或者通过曲线控制散布位置。只要能想象到的，应有尽有。

下面这个场景周末一天时间制作的，因为第一次尝试做场景，所以并不关心精细度，目的就是测试Maya Bifrost制作大场景的能力，以及阿诺德渲染Bifrost大场景的性能。技术已经到位，剩下就是拿时间细化了。

这个场景满山都是实体模型的草，没有用任何贴图。

场景资产统计:

草：46 102 045 四千六百万多颗
树：35 224 三万多颗
动物：1 399 一千多个

分辨率2500*1400 阿诺德采样6，渲染一帧1小时左右。

散布包只是第一个版本，官方以后还会将它作为重点开发对象。场可以和散布工具配合使用，标量场可以作为散布密度的分布遮罩，以及变换和ID的衰减权重等。

06.Aero

保持低分辨率的形态，产生高细节的外观，大大缩短了模拟时间

此版本显著提高了 Aero 模拟的性能，包括优化了内存分配和占用。

Upres

aero_sharpening_settings 已替换为 aero_refinement_settings。它具备细节细化功能，细化的细节可反馈回模拟中。这样，就可以动态细化密度和温度属性，同时仍以较低的分辨率进行模拟。

经过项目实操发现，用upres得到的结果比直接高分辨率模拟的细节更加自然丰富。这真是一个神奇的功能！

体积UV纹理

现在可以使用 aero_uvw_settings 复合创建任意数量的 UVW 纹理坐标集，并控制它们重置的频率以及它们彼此之间的偏移程度。可以使用此节点在图表中或在渲染时向模拟输出添加细节。对坐标进行采样所需的所有数据及其各自的权重与密度属性一起移动。

渲染

Arnold渲染功能有所改进。体积渲染实现新的B样条渲染采样器以实现出色的渲染。

现在，选择“三次”采样模式，它比旧的三次采样器快得多（快3-4倍），并且在平滑伪影方面做得更好。

物理粘度

Aero 解算器现在具备物理粘度，可模拟香烟拉丝烟雾和 Kármán 涡列等效果。

07.体积改进

启用了自适应的体积复合和其他增强功能。在 convert_to_volume、mesh_to_volume和points_to_volume中，新的 Optimized 模式可用于 adaptivity。它可自动检测哪些区域需要更精细的体素并仅在这些区域进行细化，同时确保整个体积的保真度。还可以使用输入几何体的边界框或输入几何体上的特性中的数据手动控制分辨率。

体积布尔

merge_volumes 提供了适用于等值面布尔运算、多种适用于密度属性的组合模式以及多个用于控制属性合并方式的选项。此外，还支持多分辨率体积作为输入，并且可以创建自适应体积，即使输入体积具有统一的分辨率也是如此。

场转体积

field_to_volume 用于将场转化为体积。水平集和密度两种转换模式。

其它

有多个针对各种体积操纵节点的增强功能，包括简化了以下操作：对体积重新采样、重建等值面、创建空体积以及获取体积平铺信息。还会显示适用于多分辨率平铺树的体积细分结构选项（如果适用），包括在 read_OpenVDB 节点上。

08.MPM

布料和薄壳模拟

MPM 布料使用新方法更好地处理自碰撞，可检测不连续性并避免粘滞。这可改进诸如以下情况的结果：一片折叠的布料、有细缝或任何类型的不连续性的衣服以及叠加在一起的多层布料。此外，还改进了材质（例如沙子和雪与布料和壳）之间的交互。

使用新方法可以改进分辨率较低情况下的行为，而以前需要非常精细的细节大小。这由 mpm_solver_settings 节点上的 detect_discontinuity 选项控制，默认情况下处于启用状态。如果不需要改进的碰撞，可禁用此项以提高性能。

新的 use_mesh_resolution 用于将解算器细节大小设置为匹配传入网格的分辨率（使用最小平均边长）。这样可防止因网格分辨率和解算器细节大小非常不匹配，在模拟布料期间出现任何类似栅格的瑕疵。默认情况下启用此选项。

启用了此选项且场景中存在布料源时，将忽略 detail_size。如果场景中有多个源，则从布料源推导的分辨率将应用于整个 MPM 模拟，包括存在的任何沙子、雪等。如果没有布料源，则忽略此选项。

基于布料输入网格分辨率设置了细节大小后，可以使用新的 detail_size_scale 特性对其进行粗化或细化。这两个特性已分组在一起以方便使用。

09.Terminals (测试版)

Terminals终端可替代用于创建可渲染几何体的输出节点。它们在任意节点内部创建，而不仅仅存在于图表的顶层。

终端有多种输出类型：“最终”(Final)（表示最终可渲染结果）、“代理”(Proxy)（表示快速视口表示）和“诊断”(Diagnostic)（表示诊断结果查看）。默认情况下，仅渲染“最终”(Final)，但可以单独打开和关闭每种类型。使用具有嵌套终端的节点上的标志可以切换图表的任意级别的输出。

公共版本中提供终端，但其视为 Beta 测试功能，因为称为“选择性解算”的关键功能尚不可用。这意味着，在使用默认设置的情况下，图表更新时，将同时对“最终”(Final)和“代理”(Proxy)进行解算。但是，“诊断”(Diagnostic)输出按预期工作。

10.Arnold

Maya 2020.4包含Arnold 6.1，带来了强大的新渲染功能和改进，包括用于创建曝光，色彩校正和渐晕效果的后处理节点，并支持嵌套电介质，从而可以更真实地渲染场景，例如带有液体的玻璃容器内容物和气泡或冰块。每个版本的Arnold GPU仍将继续变得更快，更强大。

Arnold 集成逐步进行了多次改进，例如，每个 Arnold 会话仅加载一次 Bifrost。通过并行调用程序以及不再以冗余方式进行编译，加快了节点的初始化速度。例如，在实时模拟或模拟缓存中，通过使用改进的启发式方法，由速度驱动的运动模糊更好地匹配场景。此外，Arnold 还支持图表形状的新功能，例如在Bifrost节点图中查询图表的世界变换信息。

另外，Arnold Alembic 程序现在已与实例化系统集成，可用于实例化已设置动画的时间偏移角色群组。可以使用 Arnold 运算符（尤其是 MaterialX 运算符）应用材质。Arnold 运算符现在也可用于 compound_instance 和 render_archive_instance。