重返《阿凡达》,视觉特效背后的数据处理

(原文写于2009年12月21日)

新西兰惠灵顿的一个棕榈树环绕的郊区,不像是你要找世界上最大专设数据中心的首选之地。然而,米拉玛(Miramar)恰恰是这样的地方,这里有8,334人,是一个由工作室、产业设备和录音棚组成的巨大园区。

这个园区是15年前开始的一个项目,由电影制片人彼得·杰克逊(Peter Jackson)、理查德·泰勒(Richard Taylor)和杰米·塞尔克(Jamie Selkirk)始创。此后,这些工作室成为创作《指环王》电影、《金刚》和其他一些电影的主要地点。

正中间的是维塔数码公司(Weta Digital),这个声名日显的视觉效果制作公司是高端广告和大片的幕后推手,最近的一部是耗资2.3亿美元的詹姆斯·卡梅隆(James Cameron)巨制《阿凡达》。

维塔数码

尽管地处偏僻,维塔还是吸引了大量的关注。五项奥斯卡提名和四项奥斯卡奖推动了这一点,但公关人员朱迪·艾利(Judy Alley)说,没有什么能与《阿凡达》带来的喧嚣相提并论。“在过去的几个月里,我们已经做了100多次采访,”艾利说。由于大部分注意力都集中在电影的沉浸式景观上,艾利很高兴有人有兴趣看看维塔公司的高科技设备,并友好地为我们联系了两位相关工作人员。

正如他们所说,使维塔公司和像《阿凡达》这样的项目得以运作的,是创造视觉效果的数据中心的算力,以及驱动计算的艺术过程的数据管理。

我们只要调整一度温差就能节省数万美元。

维塔数码是一个真正的视觉特效工作车间,管理着有成千上万的密集数据的工作订单。这就要预先选择大部分所需的快速、恒定容量的设备。用于处理《阿凡达》特效的数据中心是维塔一个占地10,000平方英尺的设施,在2008年夏天重建并储备了惠普BL2x220c刀片服务器。

惠普BL2x220c

计算核心——34个机架,每个机架有4个机箱,每个机箱有32台机器——加起来有大约40,000个处理器和104TB的内存。刀片服务器通过来自BluArc和NetApp的3PB快速光纤来对磁盘网络区域存储进行读取和写入。

所有设备都紧紧挤在一起,并由多个万兆网络连接。“我们需要紧密地堆叠设备,以获得我们的视觉效果所需的带宽,而且,由于数据流如此之大,必须是本地储存。”维塔的数据中心系统管理员保罗·古恩(Paul Gunn)说。

这就排除了主机托管或云计算基础设施,使古恩成为一种所有者-经营者,负责维持设备运行。这也需要对硬件进行一些额外的设计,因为行业标准的高架地板和强制空气冷却,都无法跟上生产《阿凡达》这样的项目的机器所产生的持续热量。

像维塔这样的设备的热交换必须是封闭的、水冷的机架,热气被吸入一个散热器,然后在机器前面水冷循环一遍。“机器运行时只是温热,房间本身还是很凉爽的。”古恩说。

维塔的水冷管道使能耗惊人地降低。

随着建筑成本的回收,水冷变得比空调便宜得多,而且数据中心的工程允许进行微调。古恩说道:“我不想给你一个确切的数字,但我们只要调整一度温差就能节省数万美元。”

由于被动式热交换器和当地的气候,每年除了特殊的几个月,维塔为散热所支付的费用都不超过运行水泵的费用。就在几周前,威塔因为建造了一个占地面积较小的数据中心而获得了卓越能源奖,该中心的冷却成本比同类数据中心低了40%。

成片约24万帧,每一帧都会花上许多小时乃至几天的精心打磨

维塔数码故事的另一半,是频繁激烈的视觉特效,就是它们在使数据中心升温。

维塔数码实际上是两家公司,一个是维塔工作室(Weta Workshop),由艺术家和工匠组成的团队来制作实体模型的工坊,另一个是名字相同的维塔数码,为广告、短片和大片制作数字效果。

维塔工作室作品

“如果是你能拿在手里的东西,那它来自维塔工作室,”古恩说,“而如果它是不存在的东西,那就由我们来做。”

在制作视觉效果的过程中,来自各种故事板的输入、导演的修改,以及内部和外部数字艺术家的调整,他们通过Maya或皮克斯的RenderMan等三维软件将导演的概念变成图像。艺术家们通过概念工作,迭代版本,使动作和灯光恰到好处。古恩说,电影业一直以来都是这样做的,只是现在的工具有所不同,而且数据更加密集。

视觉效果数据中心的主要活动被称为渲染,这是一个将包含图像的数据描述转化为实际图像的过程,可以保存到磁盘并最终写入电影或其他媒体。

计算机群被称为渲染墙,乔·维尔基(Joe Wilkie)在这里担任维塔的“牧马人”(wrangler),即监督数据流和相关反馈的人。

“牧马人”是一个传统但仍然常见的电影业术语,最初指的是西部电影中放马和其他牲畜的人。不过,维尔基说他最常被称为“渲染管理员”,在这种情况下,围捕的是数字文件而不是牛。他说:“一部电影的每个部分都是一个单独的项目,而且都必须放在一起。因此,当艺术家加工一个镜头时,他们会点击一个按钮,在渲染墙上启动一个作业,并将其加载到我们的队列系统中。”

队列系统是皮克斯的一个产品,叫Alfred,它创建了一个分层的工作结构或复合任务树,必须按照一定的顺序运行。在任何一项工作中,可能有成千上万个相互依赖的任务。一旦渲染墙上的CPU被释放出来,新的任务就会在闲置的处理器上启动。

在制作《阿凡达》的高峰期,维尔基每天要处理1万多项工作,加起来估计有130到140万个任务。这部每秒24帧的电影的每一帧都在导演和艺术家之间多次来回迭代,并花好几个小时来渲染。

超过4000个惠普刀片服务器为维塔数码的处理提供算力。

对于古恩的数据中心来说,这相当于每秒处理8GB左右的数据,这项工作在过去一个月或更长时间都要每天运行24小时。这是一项保持齿轮快速运行的金手指任务,古恩说,为保持生产进度,“不要太快,也不要太慢,恰到好处,这是一个复杂的系统,当你处在这样一个大项目的最后期限时,你只想确保灯光不熄。”

《阿凡达》的最终拷贝版本已经比其经历的要温和得多:以每帧12MB计算,每秒钟印在赛璐珞电影胶片(celluloid)上的数据量为288MB,或每分钟17.28GB。从166分钟的电影中减去片尾字幕(2.87TB),你大概就知道这电影有多少内容了。

但《阿凡达》那身临其境的效果,成片中大约24万帧,每一帧都会花上许多小时乃至几天的精心打磨。维塔公司要求我们提到视效主管乔·莱特瑞,他负责监督导演和半打首席概念艺术家还有其他辅助艺术家之间的沟通交互,正是这帮人让技术处理过程如此高强度。

《阿凡达》剧照

对于像维尔基和古恩这样的技术专家来说,这里的工作环境有意思并且充满人情味,因为事情总在不断向前发展。“艺术家展示了他们的作品,导演想要更多的这个或那个,所以要来回拉扯很多遍,”维尔基说,“正是这种反复推敲推动了事情的发展和工作。每一个细节都会因此变得越来越好,直到满意后,我们就会进入下一个项目。”

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