One of the biggest challenges in computer graphics has been being able to create a photo-real, digital human face. And one of the reasons it is so difficult is that, unlike aliens and dinosaurs, we look at human faces every day. They are very important to how we communicate with each other. As a result, we're tuned in to the subtlest things that could possibly be wrong with a computer rendering, in order to believe whether these things are realistic.
אחד מהאתגרים הגדולים בגרפיקה ממוחשבת היה ליצור פרצוף אנושי, פוטו ראליסטי. ואחת הסיבות שזה כל כך קשה, היא שבניגוד לחייזרים ודינוזאורים, אנחנו מביטים בפנים האנושיות כל יום. הן חשובות מאוד לדרך בה אנו מתקשרים אחד עם השני. כתוצאה מכך, אנחנו מכווונים להבדיל בדברים הקטנים ביותר שיכולים להיות שגויים בתוצאה הממוחשבת, כדי להבדיל אם הם ראליסטיים או לא.
And what I'm going to do in the next five minutes is take you through a process where we tried to create a reasonably photo-realistic computer-generated face, using some computer graphics technology we've developed, and also some collaborators at a company called Image Metrics. And we're going to try to do a photo-real face of an actress named Emily O'Brien, who is right there. And that's actually a completely computer-generated rendering of her face. By the end of the talk, we're going to see it move.
ומה שאני עומד לעשות בחמש הדקות הקרובות זה לקחת אתכם דרך תהליך בו ניסינו ליצור פרצוף ממוחשב פוטו ראליסטי טוב מספיק, תוך שימוש בטכנולוגית גרפיקה ממוחשבת שפיתחנו, ושותפים בחברה הנראת "Image Metrics". ואנחנו עומדים לנסות לעשות פרצוף של שחקנית בשם אמילי אוברייאן, שנמצאת שם. וזה בעצם יצוג ממוחשב לחלוטין של הפנים שלה. בסוף השיחה, נראה אותו זז.
The way that we did this is we tried to start with Emily herself, who was gracious enough to come to our laboratory in Marina Del Rey, and sit for a session in Light Stage 5. This is a face-scanning sphere, with 156 white LEDs all around that allow us to photograph her in a series of very controlled illumination conditions. And the lighting that we use these days looks something like this. We shoot all of these photographs in about three seconds.
הדרך שבה עשינו זאת היא להתחיל עם אמילי עצמה, שהיתה נדיבה מספיק לבוא למעבדה שלנו במרינה דל ריי, ולשבת בסשן בבמה 5. זה ספרה סורקת פנים, עם 156 לדים לבנים מסביב, שמאפשרת לנו לצלם אותה בסדרה של מצבי תאורה מבוקרים. והתאורה שבה אנו משתמשים נראת בערך ככה. אנחנו מצלמים את כל התמונות תוך בערך שלוש שניות.
And we basically capture enough information with video projector patterns that drape over the contours of her face, and different principle directions of light from the light stage, to figure out both the coarse-scale and the fine-scale detail of her face. If we zoom in on this photograph right here, we can see it's a really nice photograph to have of her, because she is lit from absolutely everywhere at the same time to get a nice image of her facial texture.
ואנחנו מקבלים מספיק מידע עם מקרני וידאו שעוטפים את כל קווי הפנים שלה, וכיווני תאורה עיקריים שונים מבמת התאורה, כדי לקבל גם קנה מידה גס וגם את הפרטים העדינים של הפנים שלה. אם נעשה זום על התמונה הזו כאן, אפשר לראות שזו ממש תמונה טובה שלה, מפני שהיא מוארת מכל הכיוונים באותו זמן כדי לקבל תמונה טובה של הטקסטורה של הפנים שלה.
And in addition, we've actually used polarizers on all the lights -- just like polarized sunglasses can block the glare off of the road, polarizers can block the shine off of the skin, so we don't get all those specular reflections to take this map. Now, if we turn the polarizers around just a little bit, we can actually bring that specular reflection of the skin back in, and you can see she looks kind of shiny and oily at this point. If you take the difference between these two images here, you can get an image lit from the entire sphere of light of just the shine off of Emily's skin.
ובנוסף, השתמשנו במקטבים על כל התאורה -- כמו שמשקפי שמש מקוטבות יכולות לחסום את החזרי האור מהכביש, מקטבים יכולים לחסום את הבוהק של העור, אז אנחנו לא מקבלים את כל הבוהקים האלה כדי ליצור את המפה הזאת. עכשיו, אם נסובב את המקטבים רק קצת, נוכל להחזיר את הבוהקים של העור בחזרה, ואתם יכולים לראות שהיא קצת בוהקת ושמנונית עכשיו. אם תקחו את ההבדל בין שתי התמונות, תקבלו תמונה מוארת מכל כדור האור של רק הבוהק של העור של אמילי.
I don't think any photograph like this had ever been taken before we had done this. And this is very important light to capture, because this is the light that reflects off the first surface of the skin. It doesn't get underneath the translucent layers of the skin and blur out. And, as a result, it's a very good cue to the detailed shape of the skin-pore structure and all of the fine wrinkles that all of us have, the things that actually make us look like real humans.
אני לא חושב שאי פעם צילמו תמונה כזאת לפני שעשינו את זה. וזה אור מאוד חשוב לתפוס, מפני שזה האור המוחזר מהשכבה הראשונה של העור. הוא לא מגיע מתחת לשכבות השקופות למחצה של העור ומתפזר. וכתוצאה מכך, זה סמן טוב מאוד למבנה המדוייק של נקבוביות העור וכל הקמטים העדינים שלכולנו יש, הדברים שגורמים לנו להראות באמת אנושיים.
So, if we use information that comes off of this specular reflection, we can go from a traditional face scan that might have the gross contours of the face and the basic shape, and augment it with information that puts in all of that skin pore structure and fine wrinkles. And, even more importantly, since this is a photometric process that only takes three seconds to capture, we can shoot Emily in just part of an afternoon, in many different facial poses and facial expressions.
אז, אם נשתמש במידע שמגיע מההשתקפות הזאת נוכל לעבור מסריקת פנים רגילה שנותנת את הקווים הכלליים של הפנים והצורות הבסיסיות, ולרבד אותה עם מידע שמוסיף את כל נקבוביות העור והקמטים. ואפילו חשוב יותר, מאחר וזה תהליך צילומי שלוקח רק שלוש שניות, אנחנו יכולים לצלם את אמילי בחלק מאחרי הצהריים, בהרבה פרצופים והבעות פנים.
So, here you can see her moving her eyes around, moving her mouth around. And these we're actually going to use to create a photo-real digital character. If you take a look at these scans that we have of Emily, you can see that the human face does an enormous amount of amazing things as it goes into different facial expressions. You can see things. Not only the face shape changes, but all sorts of different skin buckling and skin wrinkling occurs. You can see that the skin pore structure changes enormously from stretched skin pores to the regular skin texture. You can see the furrows in the brow and how the microstructure changes there. You can see muscles pulling down at flesh to bring her eyebrows down. Her muscles bulging in her forehead when she winces like that.
אז, כאן אתם יכולים לראות אותה מזיזה את העיניים לצדדים, מזיזה את הפה. ובאלה בעצם נשתמש כדי ליצור דמות ממוחשבת. אם תביטו בסריקות האלה שיש לנו של פניה של אמילי, תראו שהפנים האנושיות עושות טווח רחב של דברים מדהימים כשהם עוברות להבעות פנים שונות. תוכלו לראות דברים, לא רק צורת הפנים משתנה, אלא כל מיני התקפלויות של העור וקימוטים שונים. רואים שמבנה הנקבוביות משתנה לחלוטין מנקבוביות מתוחות, לטקסטורת עור רגילה. אתם יכולים לראות את החריצים בגבה ואיך המבנה המיקרוסקופי משתנה שם. אפשר לראות את השרירים מושכים את הבשר כדי להוריד את הגבות. השרירים מתנפחים במצח שלה כשהיא נרתעת ככה.
In addition to this kind of high-resolution geometry, since it's all captured with cameras, we've got a great texture map to use for the face. And by looking at how the different color channels of the illumination, the red and the green and the blue, diffuse the light differently, we can come up with a way of shading the skin on the computer. Then, instead of looking like a plaster mannequin, it actually looks like it's made out of living human flesh.
בנוסף לגאומטריה ברזולוציה גבוהה, מאחר והכל נקלט במצלמות, יש לנו מפת טקסטורה מעולה לשימוש בפנים. וכשמביטים בכל ערוצי הצבע בתאורה, האדום והירוק והכחול, מפזרים את האור בצורה שונה, נוכל להגיע לדרך להצליל את העור במחשב. ואז, במקום להראות כמו בובת פלסטיק, היא נראית כאילו היא באמת עשוייה מעור אדם.
And this is what we used to give to the company Image Metrics to create a rigged, digital version of Emily. We're just seeing the coarse-scale geometry here. But they basically created a digital puppet of her, where you can pull on these various strings, and it actually moves her face in ways that are completely consistent with the scans that we took. And, in addition to the coarse-scale geometry, they also used all of that detail to create a set of what are called "displacement maps" that animate as well. These are the displacement maps here. And you can see those different wrinkles actually show up as she animates.
וזה מה שנתנו לחברת Image Metrics כדי ליצור גירסה דיגיטלית מאובזרת של אמילי. אנחנו רק רואים את הגאומטריה הגסה פה. אבל הם בעצם יצרו בובה דיגיטלית שלה, שבה אפשר למשוך את כל החוטים האלה, וזה באמת מזיז את הפנים שלה בדרכים עקביות לחלוטין לסריקות שלקחנו. ובנוסף לגאומטריה הגסה, הם השתמשו בכל הפרטים שלה כדי ליצור סט של מה שאנחנו קוראים לו "מפות הזחה" שאפשר גם להנפיש. אלה מפות ההזחה כאן. ואפשר לראות שהקמטים ממש מופיעים כשהיא מונפשת.
So the next process was then to animate her. We actually used one of her own performances to provide the source data. So, by analyzing this video with computer vision techniques, they were able to drive the facial rig with the computer-generated performance. So what you're going to see now, after this, is a completely photo-real digital face. We can turn the volume up a little bit if that's available.
אז השלב הבא היה להנפיש אותה. השתמשנו ממש באחת ההופעות שלה כדי לספק מידע. אז, על ידיד ניתוח הסרטון הזה עם טכניקות מוחשבות, הם הצליחו להפעיל את הפנים עם ההופעה שנוצרה במחשב. אז מה שתראו עכשיו, אחרי זה, הן פנים פוטוראליסטיות דיגיטליות. נוכל להגביר קצת את הווליום אם זה אפשרי.
Emily: Image Metrics is a markerless, performance-driven animation company. We specialize in high-quality facial animation for video games and films. Image Metrics is a markerless, performance-driven animation company. We specialize in high quality facial animation for video games and films.
אמילי: Image Metrics היא חברת אנימציה מונעת ביצועים. אנחנו מתמחים באנימציות פנים באיכות גבוהה למשחקי מחשב וסרטים. Image Metrics היא חברת אנימציה מונעת ביצועים. אנחנו מתמחים באנימציות פנים באיכות גבוהה למשחקי מחשב וסרטים.
Paul Debevec: So, if we break that down into layers, here's that diffuse component we saw in the first slide. Here is the specular component animating. You can see all the wrinkles happening there. And there is the underlying wireframe mesh. And that is Emily herself.
פול דבווק: אז, אם נשבור את זה לשכבות, הנה שכבת ההחזרה שראינו בשקופית הראשונה. הנה החלק האחורי מונפש. אפשר לראות את כל הקמטים נוצרים כאן. והנה שכבת הגאומטריה הבסיסית שמתחת. וזו אמילי עצמה.
Now, where are we going with this here? We've gone a little bit beyond Light Stage 5. This is Light Stage 6, and we're looking at taking this technology and applying it to whole human bodies. This is Bruce Lawmen, one of our researchers in the group, who graciously agreed to get captured running in the Light Stage. And let's take a look at a computer-generated version of Bruce, running in a new environment. And thank you very much. (Applause)
עכשיו, לאן אנחנו הולכים עם זה עכשיו? עברנו קצת את בימת האור 5. זו בימת אור 6. ואנחנו רוצים לקחת את הטכנולוגיה הזאת וליישם אותה על גוף אנושי שלם. זה ברוס לאומן, אחד מהחוקרים בקבוצה, שהסכים ברוב טובו להצטלם רץ בבימת האור. ובא נביט בגרסה הממוחשבת של ברוס, רץ בסביבה חדשה. ותודה לכם מאוד. (מחיאות כפיים)