Weta的新渲染器-Manuka

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Weta作为世界最大且最成功的视效工作室之一，多年来一直致力于研究，最近他们研发出了一款全新的基于物理原理的渲染器Manuka。

除了渲染器本身，还包含一个名为Gazebo的同样基于物理原理的预照明工具。Gazebo基于硬件、速度非常快，使得图像可以在不同渲染器之间保持一致性，让艺术家能够预测最终效果。

Manuka不仅能出色地渲染普通场景，还可以处理极其复杂的渲染需求，并以极高的效率和速度完成这些工作，帮助Weta Digital更高效地完成那些需要大量计算资源的电影特效制作。

1997年，Eric Veach完成博士论文，基础研究集中在高效蒙特卡罗路径追踪技术在图像合成中的应用。而Manuka渲染器，可能是迄今为止对这种基于物理的渲染方法最完整的实现。Veach通过更精确地模拟材料和光源，改变了计算机图形学中的光照效果，让数字艺术家可以专注于艺术创作而非渲染的复杂细节。尽管在90年代末，许多想法在技术上无法实现，但Veach规范化了蒙特卡罗路径追踪的原则，并引入了诸如多重重要性采样等重要的优化技术，使得基于物理的渲染在今天成为可能。

Manuka最开始就作为这一方法的技术验证项目诞生的，为了验证Weta在工作室渲染管线其他地方拥有的模型。Weta团队希望通过Manuka来测试和确认不同材料模型，以及光线在这些材料上是如何传输的。这是因为路径追踪是一种模拟光线在场景中自然行为的方法，而Veach的论文为这种技术提供了一个非常完整和系统的框架。

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Weta Digital团队最近凭借在球谐函数的研究和PantaRay渲染器荣获了奥斯卡科学技术奖。在PantaRay渲染器的加持下，自《阿凡达》第一部开始就能够在Weta的 RenderMan流程中对高度复杂的场景进行预处理。

Manuka就是在这两个工具的基础上进行了改进，从最初的小型研发平台，迅速发展为拥有超过75万行代码，完全面向生产的硬核渲染器。

Manuka&Gazebo

Weta Digital

Manuka和Gazebo使用了相同的反射模型，来模拟光如何从物体表面反射，以便外观开发可以从一个渲染器平滑过渡到另一个。

Manuka

Manuka专注于电影制作，既要控制现实世界的电影制作流程以实现导演的愿景，又要拥有一个更复杂的内部系统，允许渲染更大的复杂场景和模型；同时还提供了一些高级功能，如在渲染过程中改变光源的位置或者颜色(重新照明)，或者在渲染时与场景进行交互。

作为一款高级渲染器，Manuka能同时追踪光线从光源到摄像机的路径（单向路径追踪）以及从摄像机反弹回光源的路径（双向路径追踪）。 并且采用了多重重要性采样(MIS)技术：因为皮肤在不同波长的光下会表现出不同的散射特性，为了更好地模拟这些特性，Manuka使用了一种叫做“英雄光谱采样”Hero Spectral Sampling的技术。这是第一次在实际制作中应用光谱MIS技术(这里的“英雄”是指那些用于高质量渲染的关键样本，类似于电影行业中用来展示最佳效果的“英雄镜头”Hero shot) 。

Manuka 的方法可以直接与光子映射技术结合使用，能很好地融入多通道全局光照技术中。因为不仅仅依靠红绿蓝（RGB）三种颜色的组合，而是考虑了真实的光谱数据，能有效减少噪点并提高渲染质量，所以光谱渲染能让渲染更加准确，有助于让生成的CG对象更加贴近真实物体，更准确地匹配颜色和反应。

Gazebo

Gazebo的起源可以追溯到新《阿凡达》电影准备期间。对于Weta来说，实时光线追踪或基于GPU渲染最关键的一点，是能够给艺术家提供最终图像的精确预览，这意味着光照和材质的表现必须能够平稳地衔接到Manuka中。

Gazebo是Weta首次尝试使用GPU渲染技术，最初是为了让艺术家们能够在制作过程中提前看到最终图像的样子。这就要求Gazebo中的着色和材质描述能够达到与Manuka相同的标准。

虽然Gazebo无法处理像Manuka这样的大型制作渲染器所能处理的高度复杂场景，但Gazebo中的工作，仍需要尽可能在视觉上与Manuka中光线角度、镜头构图保持一致。

无论是在不同帧率下提供快速反馈，还是帮助艺术家检查灯光在整个场景中的效果，Gazebo在Weta整个制作流程中起到了核心作用。虽然不能完全模拟所有类型的间接光照，但最终渲染会由能够呈现所有复杂细节的Manuka来接手完成。

Manuka的使用

即将上映的《霍比特人：五军之战》，是Weta首次使用Manuka作为主要渲染器的大制作电影。

对于像《霍比特人：五军之战》这样的复杂特效电影，Weta面临的挑战是如何处理最复杂的散射效果，其中包括体积散射和次表面散射。

在同一个画面中，制作团队需要在角色皮肤表面呈现出一层细微的雾气或光晕效果、精确模拟和渲染角色的每一根头发(包括光泽、透明度和互相之间的交互),以及模拟角色服装的材质、褶皱和运动。同时还要保证所有这些元素，以同等高质量的标准被呈现出来。复杂程度本身已经超出了普通渲染软件的能力范围。

其实不止是《霍比特人：五军之战》，在《霍比特人2》和《猩球崛起：黎明之战》中的一些镜头，也使用了Manuka进行渲染。

特别是在《猩球崛起：黎明之战》中，Manuka展现出了卓越的能力，尤其是在处理拥有复杂毛发细节的角色方面。不仅可以高质量地渲染单个角色的毛发，还可以同时处理大量角色，即使在同一帧画面里有70-80个猿猴角色，也能够流畅地进行渲染。

例如，在电影中有一个被称为“力量展示”的场景，猿猴们骑马进入旧金山，警告人类不要进入森林。这个场景中有大量猿猴角色，每一个都有细致复杂的毛发，对任何渲染器都是个巨大挑战。而Weta团队在测试了Manuka后，发现所有复杂的猿猴角色都可以在同一渲染过程中完成，大大提高了渲染效率。

01

管线方面

Weta之前的所有渲染工作，都已经完全融入了他们的深度数据管线，Manuka在设计之初，就充分考虑了深度数据的应用问题。

Manuka并不是扩展了深度数据功能，而是完全匹配了Weta已经在RenderMan中拥有的极其复杂且强大的设置。例如：在NUKE中通过ID选取场景中猿猴，只需要绘制一帧猿猴手部或身体其他部位遮罩，基于深度数据，即便猿猴的姿势改变，绘制的遮罩也不会受到影响，从而避免一帧一帧画遮罩抠图的繁琐工作。

这里用到了一个名为“Deep-CompC”的工具，最初在RenderMan中开发，而现在在Manuka中也可以使用。能够对一个静止姿态的对象进行深度绘制，从而避免进行大量手动跟踪遮罩的工作。

02

相机模型方面

·正交投影和投影映射：Manuka暂时只提供两种类型的投影方式，一种是正交投影，所有的平行线在投影后仍然保持平行，没有透视效果；另一种是投影映射，通常用于将纹理映射到3D模型上。

当然，不是因为Manuka不强大，只是因为还没有用户提出对其他类型的投影（如球形或圆柱形投影）的需求。

·景深和运动模糊：Manuka具有高级的景深和运动模糊效果。

·偏移胶片背面的位置：可以在渲染过程中调整虚拟胶片（即成像平面）的位置和角度，使其相对于镜头的主轴方向有所偏移或倾斜。能够用来模拟特殊的摄影技巧，例如大画幅相机中使用的倾斜/偏移镜头，以便创造特定的焦点或视觉效果。

另外，尽管Manuka目前还不支持滚动快门效果的模拟，但是Weta正在快速推进这一功能的开发。

03

AOV(任意输出变量)

关于AOV(任意输出变量)，工作室倾向于在初始渲染阶段就尽可能解决问题，而不是依赖于后期合成来添加或修改。以此来减少后期合成的工作量，同时确保最终效果更加一致。

基于物理的渲染遵循统一的原则，所有的光照、材质和其他效果都在单一的、符合物理逻辑的模拟中工作。虽然AOV能够为后期提供很大的灵活性，但过多的AOV也会增加数据处理的复杂性和存储需求。因此，Weta工作室选择有意识地限制AOV数量，来简化工作流程，提高整体效率。

04

灯光方面

Weta团队采用的是基于区域光源和IBL(基于图像的光照)/环境照明。不仅是平面光源，任何形状都可以成为光源(比如火焰模拟)，任何体积或形状都可以成为完整的区域光发射器。

Manuka从设计之初就能够处理数量庞大的光源，不管是处理体积光、多彩光源还是纹理光源都变得简单得多。

04

着色器方面

由于Manuka是为了配合工作室现有的着色器管线而设计的，因此不支持开放着色语言(OSL)。

考虑到与现有工作的兼容性和简便性，团队希望让现有系统过渡到Manuka的过程尽可能简单。技术人员不需要花费长时间来使用转换工具或编写脚本来看效果，只需要添加少量的Manuka特定代码，RenderMan和Manuka就可以在同一套着色器上运行。

支持Ptex(一种高级纹理映射技术)和UV映射(一种常用的纹理映射技术)，不会强迫未来的生产团队采用单一的方法，可以根据具体需求灵活选择。能够兼容旧的场景和模型可以继续使用，减少了迁移成本。

05

实例化方面

Manuka在处理实例化方面具有很强的能力，能够高效处理大量的重复对象，但它的实现方式与其他大多数用于电影制作的渲染器有所不同。

1. 强大的实例化支持：

   在CG学中，实例化指的是在场景中重复使用同一个对象或几何体多次。 Manuka 在处理这种重复几何体方面做得非常好，能够高效地管理和渲染大量的实例化对象。

2. 不同于其他渲染器：

• 其他渲染器的实现方式：大多数其他渲染器也有实例化功能，有些渲染器可能在处理大量实例化对象时效率较低，或者在某些特定情况下会出现性能瓶颈。

• 团队吸取了开发和维护PantaRay时的教训，对 Manuka进行了独立的开发和改进。 不仅能够处理原本用PantaRay制作的旧镜头，而且在处理复杂场景时更加高效。

• Manuka的数据管理和存储得到了简化，处理旧场景变得更加容易，不需要再进行复杂的分割或预渲染。

大厂果然是大厂，一出手就是如此硬核。

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本文整理翻译自：

https://www.fxguide.com/fxfeatured/manuka-weta-digitals-new-renderer/

end

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我滴个大神，只用Max就做出好莱坞大片镜头了？