隨著第 95 屆奧斯卡頒獎典禮於 13 日正式落幕，《阿凡達：水之道》也不負眾望贏得最佳視覺特效獎項。Wētā FX （2021 年為 Unity 所收購）也展現了一系列用於製作《阿凡達：水之道》的工具與解決方案，其中多是針對電影中 CG 水背後的製作技術。而 Unity 也預計開放給一般人註冊使用與 Wētā FX 在電影中相同的工具與技術，文末將附官網連結可註冊使用，本篇為這一系列技術工具的簡單介紹。

水，對於導演 James Cameron 來說，並非是陌生的製作項目。除了《鐵達尼號》之外，在 2012 年他曾經打破個人獨潛紀錄，駕駛潛艇潛入太平洋馬里亞納海溝底部，那是地球上最低點，將近 11 公里深。如他在 2014 年的紀錄片《Deepsea Challenge》所說。「在底下，你會感受到人們對於自然界威力的想像，是遠比你自己想像的還要更巨大」。看到潘朵拉世界，以及其令人驚嘆的視覺效果，最終是來自 James Cameron 自己的想像，這是一件非常了不起的事。

Unity Wētā Tools: 水製作特遣隊

為了演譯出導演的視界，也就是續集中出現的全新梅卡伊納族（Metkayina）的珊瑚礁領地，需要廣泛地使用視覺特效，特別是其以水為重的設定。其用來創造電影中視覺特效的工具與解決方案，包含獲獎無數的水體特效，即是由 Unity 的 Wētā Digital（現為 Wētā FX）所開發的。

為了確保角色與水之間的互動是夠真實的，一組由 Unity 和 Wētā 水模擬特效所組成的專家團隊，包含 Alexey Stomakhin、Steve Lesser、Joel Wretborn 以及 Sean Flyn 組成了「Water Taskforce」。而他們開發的 CG 水工具，近期還獲得了 VES 尖端技術獎項（Emerging Technology）的肯定。 團隊投入極大程度的研究與實驗，協同紐西蘭國家水與大氣研究所（NIWA）合作，找出最佳創造 CG 水的方法。包含潮汐、風以及水生環境中的海底的效果。

CG 水製作工具組

《阿凡達：水之道》與水有關的特效有多達 2,225 顆鏡頭，有些花上八天的時間來模擬，以達到最高解析度的需求。當中也有一些場景和鏡頭，是水與超過 50 種生物互動的需求。這掀起了對於物體規模與模擬精確度的挑戰，從大規模群體的大型生物，到生物皮膚上接近次毫米波（submillimeter）解析度的薄膜。由於創造單一表現的水系統在計算上幾乎是不可行的，其工具組必須開發幾組獨特的解算器（Solver），確保獲得最短的運算時間。

Loki

由團隊基於 Wētā Digital 的自製模擬框架 Loki 所主要開發的水工具。這些科技包含了多種水狀態的解算器，包含程序性波浪、大規模水體、噴霧、薄霧、主要氣泡、擴散氣泡、泡沫、毛細表面波、薄層（Thin film）和殘餘濕氣等獨特的解算器。

State machine

這些許多解算器都包含在 Loki 的 State machine—一種機載噴霧系統（Airborne spray system）。水的狀態加上周圍的空氣，以質量和動量守恆定律（Conservation of momentum）的方式來處理不同水狀態之間的轉換。

並非以「一體適用」方式，Loki state machine 允許多種解算器進行串聯運行。每一種解算器在細節都經過其各自的狀態所優化，像是大量水體、噴霧以及薄霧。這樣子能夠確保大規模的水模擬能夠更有效率的運行，同時又能夠捕捉非常細微的噴霧和薄霧所需的水滴彼此相互作用。所有的狀態包含周圍的空氣，都是經由單一次的模擬運算所完成。同時所有的解算器彼此都是經過適當的實體互動計算，對於創造電影中所看到，如此自然、真實的水模擬來說是很有幫助的。

「Loki: A unified multiphysics simulation framework for production」，發表於 SIGGRAPH 2022。

薄層（Thin film）和滴水的模擬

在 SIGGRAPH 2019 展會上，一種建構出特寫水與角色互動的實際方法被展示出來，專注在水在皮膚上移動和滴落時，具有高擬真的表面張力和黏附效果。使用來自電影《戰鬥天使：艾莉塔》中的場景（同時也是由 James Cameron 寫的劇本），研究團隊展現這個方法如何能表現出足夠細節的效果，在幾分之一毫米的尺度上，用一層水薄層來覆蓋整個角色。

而這個方法被改寫成一種「現有的細胞內粒子 (FLIP/APIC) 解算器」，用於捕獲小規模的「水—固體」相互作用的動力學。這種技術在《阿凡達：水之道》中獲得進一步的發展，來製作所有當角色從水裡冒出來的片段。

水下泡泡與耦合*

為了達到水底場景中，令人信服的動態效果，舉例來說，當角色在水底呼吸時，水中泡泡的作法，是將它們與交錯區域周圍的窄帶水（Narrow band of water）一同模擬。泡泡本身會由兩個部分所組合：英雄和擴散的泡泡

英雄（主要的）部分是較大顆的氣泡，它們較具爆發性和動感的行為。它利用歐拉網格（Eulerian grid）上不可壓縮的兩相 Navier-Stokes 求解，以 FLIP/APIC 粒子為代表，來啟動的體積守恆和準確界面的追蹤。而擴散的部分則是捕捉歐拉網格之下解析度較小泡泡的動態。團隊開發了一種將擴散氣泡與大規模水體耦合的全新方法，此方法也同時可以運用於其它像浸沒在水中的多孔物體，如沙子、頭髮和布料等等。

*耦合 (物理學)：二個系統之間有交互作用。

波浪曲度和水面的模擬

為了加強水表面模擬的視覺細節，來自 Wētā Digital 和澳洲 IST 團隊開發了一種後期處理方法，將模擬作為輸入，並透過在其上模擬更細緻的拉格朗日水波（Lagrangian water wave）來提高其表面的解析度。

「Wave Curves: Simulating Lagrangian water waves on dynamically deforming surfaces」，發表於 SIGGRAPH 2020

氣泡和溼泡沫組成真實的白沫效果

團隊開發了一種技術用來產生水下逼真的氣泡動態，是由水的動態所產生，以達到水表面並轉化成泡沫。這對於《阿凡達：水之道》中幾乎所有的水景是很重要的。

以網格為基礎的 Navier-Strokes 模擬*器，通常保留用於捕獲大規模的運動（例如大規模水體），其本質上受其網格解析度的限制，使得這種方法對於產生小規模現象（例如碎波產生的噴霧和薄霧）是不實用的。這些白泡沫效果通常被模擬為獨立的拉格朗日粒子。

大多數現有的解算器忽略了關鍵點是集體效應：由於一組氣泡組成的浮力會比單一顆氣泡上升得快，而這些氣泡的聚集會對水的動態產生巨大的影響。這種新的技術解決了模擬氣泡與周圍流體的雙向耦合的限制。有效地捕捉了集體氣泡效果，並在氣泡和流體運動之間創造了更緊密的聯結。當氣泡到達水表面時，它們會轉變為受水表面限制的「濕泡沫」顆粒，並透過光滑顆粒流體動力學 (SPH) 進行離散化。最後，在那些特寫鏡頭、大型海洋鏡頭中，都產生了極度真實的白泡沫動態效果。

*基於物理模型的水體模擬方法的核心是對 Navier-Stokes方程式（Navier-Stokes Equations,NS方程）進行求解。Navier-Stokes 方程式是一組描述液體和空氣之類的流體物質的方程式，描述作用於液體任意給定區域的力的動態平衡。除了水體模擬之外，其還可以用於模擬天氣、水流、氣流或恆星的運動。

於 SIGGRAPH 2022 展會上展示的「Guided bubbles and wet foam for realistic whitewater simulation」 / Wētā FX.

以上這些由 Water Taskforce 所使用的模擬技術，是由前後 Wētā Digital 的夥伴以及 Wētā FX 和學術機構所創造的，包含 Alexey Stomakhin、Joel Wretborn、Kevin Blom、Gilles Daviet、Steve Lesser、John Edholm、Noh-Hoon Lee、Eston Schweickart、Xiao Zhai、Sean Flynn、Andrew Moffat、Gary Boyle、Tomas Skrivan、Andreas Soderstron、John Johansson、Christoph Sprenger、Ken Museth 以及 Chris Wojtan。更多關於 Unity Wētā Tools 的測試資訊，請點此連結。

 資料來源：Unity Blog。映 CG 翻譯，如需轉載請標明出處。