技术,为虚拟数字人赋予生命

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初音未来和“前辈们”相比,

具有更好的互动性。

随着技术发展,数字人会越发逼真,恐怖谷效应会逐渐减弱——尤其是AI技术的发展,让数字人不止在外观上,更在其“思想”上接近真人。


1998年,一支名为街头霸王(Gorillaz)的乐队在英国埃塞克斯成立了。在诞生过披头士(the Beatles)、滚石(the Rolling Stone)、平克•弗洛伊德(Pink Floyd)、皇后(the Queen)等伟大乐队的英国,一般不会有人注意到这样一支新晋乐队,况且上世纪90年代的英国还有山羊皮(Suede)、绿洲(Oasis)、模糊(Blur)等当红英伦摇滚乐队。

可这支乐队有点不太一样。这支乐队不是什么乐坛新人搞的,而是模糊乐队的主唱代蒙•阿尔本(Damon Albarn)牵头创建的,可以说是“系出名门”。更重要的是,乐队的主唱2-D、贝斯手Murdoc Niccals、吉他手Noodle和鼓手Russel Hobbs,其实是四个虚拟角色——虽然他们的背后是真人。

街头霸王是世界上第一支虚拟乐队,他们涉猎了包含嘻哈、前卫流行/摇滚、牙买加雷鬼、古巴传统情歌以及英伦摇滚在内的极其丰富的音乐风格,后来取得了不错的成绩,成立20多年来一直坚持发专辑,甚至还有演出。可以说,街头霸王是一支成功的乐队,也是一个成功的虚拟偶像运营案例。

技术,为虚拟数字人赋予生命虚拟乐队“街头霸王”和背后的创造者。

街头霸王的成功,不仅是音乐的成功,创造虚拟人的技术辅助也不可或缺——那几个看上去简单、粗暴,动起来却生动细腻的虚拟乐队成员,让人们领略了不一样的乐队形象。

今天,虚拟数字人已经深入到人们生活的方方面面,技术的发展也让虚拟数字人更加丰富多彩。


技术,为虚拟数字人赋予生命

虚拟数字人的概念

在对虚拟数字人的技术脉络进行梳理之前,我们必须要了解虚拟数字人这个概念到底意味着什么。虚拟数字人,英文对照名为digital human,meta human,也就是“数字人、虚拟人”,具体可以解释为:运用数字技术创造出来的、与人类形象接近的数字化人物形象。狭义的数字人是信息科学与生命科学融合的产物,是利用信息科学的方法对人体在不同水平的形态和功能进行虚拟仿真。

我们现在说的虚拟数字人,指存在于非物理世界中,由计算机手段创造及使用,并具有多重人类特征(外貌特征、人类表演能力、交互能力等)的综合产物。这个概念包含虚拟和数字两个维度,虚拟和真实对应,数字则是其生成技术。之所以称为数字人,强调了它存在于数字世界。而数字世界是人类设计运行于计算设备上的代码和数据,它是计算设备上运行的程序。我们将主要从数字技术的发展来看虚拟数字人的发展历史。

数字人研究最早出现于1989年美国国立医学图书馆的可视人计划,后来科罗拉多大学于1994-1995年间建立了两个数字化可视人数据集。2001年,美国科学家联盟(FAS)将人类基因组计划(Human Genome Project,HGP)、可视人计划(Visible Human Project,VHP)、虚拟人计划(Virtual Human Project,VHP)、人类脑计划(Human Brain Project,HBP)概括为“数字人计划”(Digital Human Project,DHP)。而我们所熟知的数字人,则主要应用在娱乐和商业领域,在此领域,虚拟数字人是指具有数字化外形的虚拟人物。与具备实体的机器人不同,虚拟数字人依赖于显示设备存在,我们所知的很多虚拟人都要通过手机、电脑或者智慧大屏等设备才能显示。

有人总结,虚拟数字人有人的外观,具有特定的相貌、性别和性格等人物特征;有人的行为,具有用语言、面部表情和肢体动作表达的能力;拥有人的思想,具有识别外界环境、与人交流互动的能力,也就是具备形象能力、感知能力、表达能力和娱乐互动能力。虚拟数字人可按人格象征和图形维度划分,亦可根据人物图形维度划分。人物形象、语音生成模块、动画生成模块、音视频合成显示模块、交互模块,构成了虚拟数字人通用系统框架。

通过概念梳理,可以发现,数字人的未来发展和AI人工智能水平密不可分——只有高水平的人工智能,才能支持数字人的形象能力、感知能力、表达能力和娱乐互动能力,其中表达能力和娱乐互动能力是更高级、需要更高技术的能力。

虚拟数字人的技术发展史,就是从基础的形象能力到高阶的表达甚至“思考”能力演化的历史。


技术,为虚拟数字人赋予生命

从虚拟偶像到CG数字人

一般谈到虚拟数字人,最早会追溯到1982年的一部动画片《超时空要塞》。这部作品中的女角色林明美作为虚拟歌姬出道,当时日本媒体率先提出了“虚拟偶像”的称号。

同样是虚拟偶像,诞生在20世纪的林明美、MaxHeadroom、街头霸王和后来的初音未来、洛天依有着很大的不同。首先,上世纪著名的几位虚拟偶像都是手工绘画制作的2D图像;其次,上世纪的虚拟偶像一般都是概念先行,围绕概念打造虚拟偶像的人设,这些偶像不具备与粉丝的交互能力;最后,上世纪的虚拟偶像只能称得上是虚拟人,但很难说是数字人,这当然是当时的计算机技术不成熟造成的。

技术,为虚拟数字人赋予生命初音未来可以说是第一个著名的CG虚拟偶像

21世纪是计算机和互联网技术大爆发的时代,计算机硬件和软件都为虚拟数字人的出现、发展提供了必要的条件。虚拟数字人的基础软硬件支撑,包括显示设备、光学器件、传感器、芯片等,基础软件包括建模软件、渲染引擎。显示设备是数字人的载体,既包括手机、电视、投影、LED显示等2D显示设备,也包括裸眼立体、AR、VR等3D显示设备。光学器件用于视觉传感器、用户显示器的制作。传感器用于数字人原始数据及用户数据的采集。

初音未来可以说是第一个著名的CG虚拟偶像,她和“前辈们”相比,具有更好的互动性。初音未来(はつねみく,Hatsune Miku),是2007年8月31日由Crypton Future Media以雅马哈的Vocaloid系列语音合成程序为基础开发的音源库,音源数据资料采样于日本声优藤田咲。也就是说,她的诞生完全是计算机技术发展的结果,但真正让她广受欢迎的,则是她的演唱会。初音未来的演唱会是世界上第一个使用全息投影技术举办的现场演出,她也是第一个使用此技术的虚拟偶像。

初音未来演唱会中使用的3D全息透明屏幕是一种采用了全息技术的透明投影屏幕,这种投影屏幕具有全息图像的特点,只显示来自某一特定角度的图像,而忽略其他角度的光线。即使是在环境光线很亮的地方,也能显示非常明亮、清晰的影像。

2010年3月9日举行的“感谢祭”采用的是日本KIMOTO公司的Dilad Screen2.5D半全息透明屏播放3D影像实现的,准确意义上来说这场演唱会是2.5D的,简单解释即在屏幕上播放3D画面,就和看电影一样,只不过这个屏幕可以调节透明度,如调节为全透明的舞台上就只留下MIKU成像,原来就是调节屏幕中的局部粒子浓度显示出不透明效果并成像。

全息投影技术一直是科幻电影中最引人瞩目的炫酷技术之一,《星球大战》中所展现的“视频通话”就是一种全息投影技术。全息投影对于虚拟偶像来说是非常重要的一种技术,它可以让虚拟偶像从电脑屏幕的二维世界跳跃到眼前的立体世界,显得更加栩栩如生。相比全息投影,CG技术对21世纪的虚拟人来说,是更重要的技术基础。

技术,为虚拟数字人赋予生命全息投影技术一直是科幻电影中最引人瞩目的炫酷技术之一,《星球大战》中所展现的“视频通话”就是一种全息投影技术。

所谓CG,就是Computer Graphics的首字母,也就是计算机动画。传统CG技术脱胎于游戏行业,主要基于专业CG软件进行相应的建模、动画制作和渲染等,可以从外形、表情到动作方面还原真人的影视级效果。CG能够创造出与人类形象接近的数字化形象,并赋予其特定的人物身份设定,在视觉上拉近和人的心理距离,为人类带来更加真实的情感互动。

另一个重要的技术就是动作捕捉。动作捕捉技术来源于电影工业,即通过红外线摄像机、动作分析系统,透过由受试者身上反光球执行反射回来的光线,将运用摄像机拍摄到的2D影像转换成3D资料。

初音未来的虚拟形象采用CG和动作捕捉技术。在动作捕捉技术的助力下,初音未来可以直接采用人类的表情和动作,借助CG技术,能够对动作捕捉生成的“人物骨骼”进行“无痕”对接。初音未来的一颦一笑都与人类更加接近。

初音未来让我们看到了一个真正的虚拟偶像或者说虚拟数字人应该是什么样的。自初音未来之后,虚拟偶像层出不穷,比如国内的洛天依等,都取得了不错的成绩。现在,偶像已经不是虚拟数字人唯一的“职业”了,他们已经在身边随处可见,甚至成为我们在生活中不可或缺的助手、陪伴者。


技术,为虚拟数字人赋予生命

3D与真人化

1995年,由皮克斯制作的动画片《玩具总动员》上映了。这是世界上第一部全部由电脑绘制的3D动画长片。从此之后,皮克斯成为3D动画领域的佼佼者,而电脑3D动画也开始逐步蚕食传统动画的领地,成为技术推动艺术发展的又一案例。3D绘图技术不仅催生了新的动画艺术和电影市场,还为数字人提供了新的技术支撑,让虚拟数字人更接近真人。

技术,为虚拟数字人赋予生命《玩具总动员》的3D绘图技术不仅催生了新的动画艺术和电影市场,还为数字人提供了新的技术支撑。

在技术层面,数字人制作、交互需要五大技术模块,即人物生成、人物表达、合成显示、识别感知、分析决策等模块。其中,人物生成即人物建模方面,2D数字人较为简单,3D数字人需要额外使用三维建模技术。人物表达包括语音生成和动画生成。动画生成则包含驱动和渲染两大部分。相比2D数字人,3D数字人在技术架构方面基本一致,但3D数字人需要额外使用三维建模技术生成数字形象,信息维度增加,所需的计算量更大。

除了用计算机建模的方式生成数字人,真人扫描、动作捕捉等技术也让3D数字人和真人更加接近。目前业界最广泛的应用方式是通过3D建模软件塑造出人的静态3D模型,实现各种高低细节效果。考虑到人体外形本身就是复杂的不规则体,肢体活动又复杂多变,这种方式非常考验建模人员的经验与手感,人工建模的效率是不可控的。因此,在3D建模之外,近年来又逐步兴起了仪器采集建模和自动化建模这两种新方法,前者是通过仪器扫描的方式来将采集的人体信息转换为数字信号,完成人物的几何建模。后者则通过一套AI系统来直接生成人体结构。这两种新方式都极大降低了建模的时间成本,使虚拟数字人的大规模生产成为可能。

现阶段,通过各种先进技术生成的数字人已经非常惟妙惟肖了,不仔细看的话,和真人难辨真假。可如果稍加留意会发现,现在的数字人仍然会处于恐怖谷效应区间。1970年,日本机器人专家森昌弘提出恐怖谷理论:由于机器人与人类在外表、动作上相似,所以人类会对机器人产生正面的情感。当机器人与人类的相似程度达到一个特定程度的时候,一点点的差别都会显得非常刺目,并带来负面和反感情绪。而当机器人与人类的相似度继续上升,人类对其情感会再度回到正面。

随着技术发展,数字人会越发逼真,恐怖谷效应会逐渐减弱——尤其是AI技术的发展,让数字人不止在外观上,更在其“思想”上接近真人。2016年,一位由3D电脑动画公司Modelingcafe制作的虚拟人、巴西和西班牙混血女孩Lil Miquela引起大众热议。许多粉丝相信她是真实存在的人物,只是修图“狠”了点。直到黑客们入侵了她的账号,才最终确定了她是由电脑制作的虚拟人。

技术,为虚拟数字人赋予生命Lil Miquela有着模特与歌手的身份,受到时尚圈青睐。

这说明,现在的技术已经可以让虚拟人回归正常区间。不过,当虚拟人开始做动作,尤其做面部表情时,其嘴角上翘的幅度、眉眼以及皮肉之间联动等细节都需要被照顾到。对于动态的拟人虚拟人来说,细节的不到位往往带来说不出的僵硬和古怪。因此,恐怖谷效应下,不仅建模技术需要实现拟真,在渲染和交互上也提出了更高要求。


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人工智能为数字人赋予灵魂

为了摆脱恐怖谷效应,很多数字人不再追求在外形上完全模拟人类,而是退一步,用适当的卡通化突出其可爱的特点。2019年上映的电影《阿丽塔:战斗天使》中,导演故意将CG制作的主角阿丽塔的眼睛进行放大处理,让她可以很容易被看出是动画人物,便是出于避免恐怖谷效应的想法。

但有些技术可以让数字人不但外形像真人,还能让其一举一动、一颦一蹙都和真人毫无二致,也不会让人产生恐怖谷效应。动作捕捉就是这样的技术。

动作捕捉是在运动物体的关键部位设置跟踪器,通过数字手段记录现实人们的运动过程。动作捕捉可应用在电影行业、动画产业、运动分析、虚拟现实等领域。动作捕捉一般可分为人体四肢动作捕捉、人脸面部表情捕捉、人手动作捕捉三个方面。

将捕捉采集的动作迁移至数字人是目前3D数字人动作生成的主要方式。动作捕捉系统根据实现原理的不同,可以分成光学动作捕捉、惯性动作捕捉以及以人工智能为主的动作捕捉方案。现阶段,光学式和惯性式动作捕捉占据主导地位,基于计算机视觉的动作捕捉成为聚焦热点。当通过不同的设备记录下动作方案之后,还需通过渲染引擎,对毛发、衣物等细节尽量还原。

动作捕捉技术事实上是直接将真人的动作、表情用计算机迁移到数字人身上,所以能够做到完全还原人类的形象。不过,动作捕捉技术也有很多缺点,其中最重要的缺点便是人力成本太大。动捕原始数据帧间隔是不固定的,所有动捕数据都有巨大的工作量,需要去人力抽帧优化原始数据。此外,动作捕捉还需要演员配合,这对于数字人来说,似乎有多此一举之嫌。

无论在技术上将虚拟数字人的身体做得多么惟妙惟肖,缺少了头脑就只能作为一只高科技的提线木偶而存在。这就要赋予虚拟数字人真人一样的“灵魂”,借助各种复杂的当代人工智能技术(比如计算机视觉技术、语音识别与合成技术等),人们能够使数字人获得看到、听见、说话等基础感知,在此基础上还能获得一定的认知、判断甚至创造能力。随着虚拟数字人技术的发展,AI技术成为制作和驱动虚拟人重要的工具。AI技术的支持下,数字人制作过程得以简化,深度学习算法突破,提升了虚拟人语音表达、语义理解以及对话等能力。

目前,人工智能驱动的数字人正在成为虚拟人的主流方式之一。以科大讯飞为例,基于其自主研发的语音合成、识别、自然语言、图像处理等技术,创新发布虚拟生成、驱动、交互技术,搭建了科大讯飞 AI虚拟人交互平台。该平台可以提供虚拟人形象构建、AI驱动、API接入、多场景解决方案,实现一站式的虚拟形象打造服务。

技术,为虚拟数字人赋予生命为了消除“恐怖谷效应”,《阿丽塔:战斗天使》故意将主角的眼睛放大,让她看起来就是动画人物。

随着技术的不断突破,未来的数字人将具备更复杂的思想、更拟人的性格,甚至与人类产生共情,从单纯的活灵活现,变得真假莫辨。叠加5G、算力、AI等技术能力的提升,其落地场景日渐丰富。如今的虚拟数字人不再限于影视、动画在人物建模、CG等方面在虚拟形象塑造的应用,还在社交、游戏、办公等场景实现了真实人类虚拟化身的身份职能,并逐渐于直播电商、偶像造星、陪伴服务等AI虚拟数字人领域实现商业变现。

近些年来,全球众多企业都在发展人工智能技术,有些技术领域已经取得了令人瞩目的成就,比如OpenAI推出的一款名为ChatGPT的聊天人工智能,这款人工智能完全不像以往聊天机器人那样“人工智障”,它能充分“理解”人类语言并给出符合逻辑的回应。和它聊天,你会感到似乎在和一个真人对话。可以相信,随着这样的人工智能的发展,虚拟数字人终有一天会成为“有血有肉的人”,虽然我们不知道那到底意味着什么。


(文章来源:《创意世界》2023年2月号)

编校:苑宝平,审读:郭丽、管文明



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