3D版2012是怎么制作出来的,人都在哪呢
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斯蒂芬·沃尔夫勒姆这个名字,在中文世界里可能远谈不上家喻户晓;但他的英文名Stephen Wolfram恐怕反而却要熟悉得多。大名鼎鼎的数学软件Mathematica每次启动的时候都会用大红字提醒你这是Wolfram出品;而“计算知识引擎” WolframAlpha更是每一个极客必备的网站。

(IvyP/译)在统计某个区域内居住的人口时,通过上门走访和邮寄问卷的方式可能要花上几年时间;不过,在最新的一项研究中,科学家们提出了一种新方法——他们开发了一种利用手机记录进行人口统计的方法,不但可以获得居住地的信息,还能了解人口的动态。研究论文于10月27日发表在《美国科学院院刊》(PNAS)上。

当我们在电影院里看灾难片的时候,并不会担心影片中的景象有一天会变成现实。但是《2012》这部片子大概是个例外。就在那个传说中的日期(2012年12月21日)快要到来的时候,这部电影又出了3D视觉重建版,让观众可以提前一个月感受一下被世界末日的恐惧包围的感觉。

何谓“计算知识引擎”?WolframAlpha的主界面看起来就像是一个搜索引擎,可是它的任务不是搜索网上的东西原样给你看,而是用这些东西计算出知识、回答你的问题。从直接了当的数学问题(对 x^2 sin^3x dx积分),到简单的逻辑问题(哪些书的名字里有“蓝”这个词),到物理和化学问题(ATP的电子式是什么,描述三维盒子中的自由粒子需要哪些变量和方程),甚至更一般性的知识问题(卡西尼探测器上携带了多少核燃料,林白单人飞越大西洋的起点和终点,1969年8月发生了哪些大事件),它都可以回答。更重要的是,这些问题都可以用自然语言提出,无需懂计算机语言——当然像Siri一样接受调戏的能力也是有的(其实它比Siri早得多)。数学家格里高利·蔡廷(Gregory Chaitin)说,这是“第一个真正实用的人工智能”。

比利时那慕尔大学的应用数学家雷诺·朗比奥特(Renaud Lambiotte)本人没有参加这项研究,他对此评价道:“这是人们第一次用数据证明,用手机记录得到的人口数据质量很高。”

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而斯蒂芬·沃尔夫勒姆的野心,可远远不止于此。

世界上96%的人都在使用手机。在发达国家,手机服务订阅人数甚至超过了总人口,因为有些人拥有一部以上的手机。而在发展中国家,手机的使用人数也在不断攀升,可达国家总人口的90%。这对人口普查学家来说是非常有利的,因为他们可以利用手机信号塔来定位手机通话人所在的地点,并用信号塔周围的通话密度来估计当地的人口密度。

《2012》电影海报(图:豆瓣)

沃尔夫勒姆1959年出生在英国伦敦,父母是当年从德国来英避难的犹太人。10岁的时候他立志要当科学家,然后几乎立刻发现自己和所有“科学家的摇篮”都合不来。12岁的时候他拿到了大名鼎鼎的伊顿公学的奖学金,却根本不屑于听老师指挥,还靠帮别的学生写作业来赚零花钱。17岁时,他还没从伊顿真正毕业就被牛津录取了,但是却没有真正“上”过牛津——开学第一天他听了一堂大一新生课,觉得“糟透了”。第二天和第三天他分别听了大二和大三的课,结论是“全都糟透了,我再也不去听课了”。自此他几乎就没有去上过课,并在短短两年之后就前往加州理工大学攻读理论物理博士生——牛津的一些老教授至今对此耿耿于怀。他拿到博士学位后立刻被加州理工聘用,当时他年仅20岁;仅仅一年之后他就获得了奖励年轻创新者的著名奖项“麦克阿瑟天才奖”,至今仍然是该奖最年轻的得主。

作为绘制世界各国详细人口信息的开源项目WorldPop的一部分,比利时布鲁塞尔自由大学的地理学家凯瑟琳·林纳德(Catherine Linard)和鲁汶大学的数据科学家皮耶尔·德维尔(Pierre Deville)领导的研究团队,利用手机数据估计了法国和葡萄牙的人口密度。他们从每个国家的主要手机运营商处获得了汇总并且匿名的通话记录,总计超过10亿。在葡萄牙,这些通话来自200万名用户,占总人口的约20%。每个通话都由网络运营商记录了发送和接受信号的手机基站、通话时长以及用户标识符,用于话费统计。在法国,这些记录来自1700万名用户,占总人口的约30%。由于两国运营商的政策不同,法国的数据仅包括当天的通话记录。

当然这是在开玩笑,2012并不会出现“世界末日”(对这一点有疑问的同学请点击: 果壳网2012专区 )。但是电影的魅力就在于把人类的想象力具象化成看得见的实景,这种实景还是3D的,让你置身其中。

但是,这样一位少年天才此后的发展路线却出乎所有人的意料。在加州理工时,他发明了一种计算机语言,却因为学校规定他不能独享专利而和校方闹翻,转而前往普林斯顿高等研究院。在这里他放弃了理论物理,开始研究一个奇怪的新领域:“细胞自动机”。

利用通话记录,研究者们开发了一个模型,用通话密度来估计每个手机信号塔周围的人口密度,并将手机信号塔覆盖范围较高和较低区域内,手机使用情况的差异考虑在内。结果可以看到,不同时间和不同季节里,人口动态的明显趋势,这种信息是以调查为主的传统人口普查所无法反映的。在节假日里,城市里的人口锐减,而沿海和巴黎迪士尼公园等旅游景点的人数则激增。在一周里,工作日的时候人们到城市里上班,周末时则会回到郊区。

在3D版《2012》即将上线的时候,我们采访了整个3D视觉重建项目的技术总监Keith Collea和在项目中国团队的负责人、视觉工程师崔晓宇,了解一下工程师们究竟对这部影片做了什么,让它能激发剧场中更多的尖叫声。

想象一下,一望无际的大平面被分成了许许多多方格子。每个格子里正好能放下一个“细胞”。这个细胞不能运动,它可以是死的,也可以是活的;但它的状态,是由它周围8个细胞的死活决定。

图片 2模型分析发现,人们在工作日集中在城区(红色),而在假日则奔赴海滩(蓝色)。图片来源:sciencemag.org

3D视觉重建的工程量有多大

拍摄3D电影与把2D电影转换成3D,两者虽目标一致,工作状态却完全不同:前者好比生态生物学家,整天出野外;后者更像是分子生物学家,整天钻在实验室里。Keith说,对他来说整个项目里最困难的部分,就是要在一间黑暗的放映厅里,一小时又一小时地看片子,不出门也不上厕所。在影片制作的过程中,每个步骤都可能做出多个版本,需要拍板定夺。因此光是看样片,就是一项令人抓狂的工作。

在果壳网 《泰坦尼克号是怎么从2D转成3D的?》 这篇文章里介绍了一些2D电影转制3D电影的知识。文章提到,在3D影片制作中,相当一部分工作是计算机无法取代的,需要由人来进行。另一方面,要处理的数据是海量的。影片的每一帧都要制作出分别提供给左右眼看的画面。以每秒24帧计算,《2012》这部158分钟的影片包含22.75万帧。尽管在计算机的辅助下,不用一帧一帧地去修改画面,但要追求细节完美,整个工程还是耗时很久。《2012》的3D重建工作从2012年4、5月份进入具体操作阶段,终于赶在年底,玛雅人预言的日期到来之前完工。

至于决定的规则,在这个例子里只有这么几条:

研究者们还将他们的结果与利用遥感技术所获得的人口密度数据进行了对比,后者是被广泛使用的一种方法,用卫星图像来收集人口居住模式的具体信息,并估计人口数量。结果表明,这两种方法与基于调查的人口普查数据相比,在准确度上相当,但是利用手机数据能够获得更及时的信息,可以具体到每个小时。

《2012》如何从2D变成3D

具体来说,3D视觉重建是如何实现的呢?视觉工程师崔晓宇解释了大致的工作流程。

首先要对一段影片中每一幅画面做的是:“区分出不同的物体(如每一个人、每一辆车、每一幢建筑物等)”和“标识出每个物体的深度信息”。

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《2012》电影画面(图:豆瓣)

物体的区分属于计算机视觉中的图像分割领域,目前尚未有普遍适应的自动算法。同时,3D电影的恢弘场景中往往包含很多物体,其运动方式繁杂不一,却又需要遵循视觉上的协调和美感。这项工作绝非计算机能自动处理的,必须有大量的人工操作。

这些标识出的物体会分别添加“Z轴”信息。2D画面是由横轴X和纵轴Y组成的。3D画面与之最本质的区别就在于具备“Z轴”,也就是“深度”上的信息。这项工作不仅需要准确把握场景中的立体信息、物理信息、碰撞关系,甚至还要恢复正确的力学信息。

为二十多万帧画面添加深度信息已属不易。更不幸的是,《2012》这部电影大部分场景里,几乎所有的东西都在动!到处是倒塌的房屋,碎石、车辆和人四处乱飞,这样的画面里标识出上千、几千个物体是常有的事。不仅工作量巨大,而且如果深度信息不够准确,呈现出的画面就会有违和感。人类的深度感知方式多种多样又非常敏感,对电影中深度信息的精确性要求很高,需要反复审查和调整。

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《2012》电影画面(图:豆瓣)

上面的步骤完成之后,通过计算机合成,添加了深度信息的画面就构建出了一个具有深度层次的虚拟三维世界。(但它与真正的三维世界不同的是,无论你在电影院里怎么歪脑袋扭身子,都看不到侧面和背面是什么样。)这时就可以在这个三维世界中重新“拍摄”一遍电影,为左右眼制作不同的画面。

这里还需要解决的问题是:随着深度的恢复,原本的平面画面就有了凹凸信息。此时,“暴露出”的表面积(如物体的侧面)就增加了。如何填补这些信息,会对画面整体效果和视觉表现力产生非常明显的差异。这些“无中生有”的信息需要通过“视差恢复”等计算机视觉的相关算法来实现。

上面的几个步骤分别会由不同的技术团队来分工。各个影片片段经过一个部门处理之后,再传给下一个部门。由于部门繁多,甚至需要专门的人来负责追踪每一小段影片的去向和处理进度。《2012》的3D重建项目有多达460名技术工程师参与其中。终于知道电影片尾字幕为什么那么长了。

1 “人口过少”:任何活细胞如果活邻居少于2个,则死掉。
2 “正常”:任何活细胞如果活邻居为2个或3个,则继续活。
3 “人口过多”:任何活细胞如果活邻居大于3个,则死掉。
4 “繁殖”:任何死细胞如果活邻居正好是3个,则活过来。

然而,林纳德表示,这种方法也有不足之处,如果要在其它国家使用该方法,研究小组就必须根据不同的手机使用模式来对他们的模型做出调整。比如,有些国家的人可能更喜欢发短信而不是打电话,又或者某个区域的居民都太穷,用不起手机。她说,这种方法如果与例如遥感等技术结合使用,效果会很好,而不应代替人口调查。

未来的电影会是什么样子

为什么要把以前的电影制作成3D版?本质上还是因为3D同2D相比,看起来更真实,更像我们用双眼看到的世界。

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(图:filmschoolrejects.com)

最初,人类在岩壁上用白垩画画。后来我们用照相机描绘更真实的图像。再后来图像可以动了,有了声音,从黑白变成彩色。总体趋势上,电影作为一种媒体,正在向着越来越“仿真”的方向发展。3D电影比起2D,能够呈现出更加接近真实世界的效果。这个过程中,每一点技术上的进步都会让我们在“讲故事”的能力方面提高一小步。3D电影技术方兴未艾,Keith这样的先驱者们正在尝试各种可能性,探索3D电影的发展之路。

至于未来的电影会是什么样子,Keith认为,放映技术会更加成熟,帧数会更高,同时屏幕与真实世界的界限可能会更加模糊,比如也许我们能感受到剧中人经过时带起的微风。当然这还需要很长的路要走。最重要的是,发展这些技术的目的,是为了走进影院的人们忘记它们的存在,而完全沉浸在故事本身。

听起来是非常美好的展望。不过对我个人来说,如果未来电影变得如此真实,那我不知道还敢不敢去看《2012》这样的灾难片……

感谢 @唯一 对本文的帮助。

而下面这几张图,全是遵循这几条简单规则的产物。

美国人口统计局的首席科学家汤姆·路易斯(Tom Louis)认为,这项研究展示了大数据的优势和局限性:虽然可以获得及时信息,但这个方法的准确度还没达到正式使用的标准。他表示:“大数据非常有价值,但目前来说,还需要用传统的方法来对其进行验证。”

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