迪士尼机器人开发之路的启示

“研发机器人的目的都是为了表演,关键价值之一是降低特效成本。”

作者:苗正 出品:财经涂鸦

1956年,迪士尼幻想工程(Walt Disney Imagineering,下称WDI)于加州迪士尼乐园成立。起初,WDI的业务是负责负责设计建造世界各地的迪士尼主题乐园。随着科技不断进步,WDI为了让迪士尼主题乐园能够更好地迎合来客,他们不断为主题乐园增设新的业务,以提高娱乐性。

久而久之,WDI目前的岗位超过了140种,其中包括插画师、建筑师、工程师、灯光设计师、表演节目编剧、平面设计师等等。但事实上,WDI早已不满足只让科幻角色只停留在荧幕上,他们想要把这些本该属于电影、动画中的人物出现在现实里。

2018年,WDI的Project Kiwi计划启动。这是一个动态的的类人机器人,同时具有交互性。这款机器人身高约为0．75米,可以进行水平50度的旋转,且依然能够保持平衡。机器人后方链接的电缆用于控制,而非电力传输。在充满电的情况下,Project Kiwi可以运行45分钟。

为了能够让机器人更符合迪士尼版权下的角色特征,Project Kiwi能够进行从快速,富有表现力到极其缓慢和细微差别的动作。这需要开发定制的高速执行器,该执行器具有扭矩,安置在机械的结构中。每个执行器还配有机械离合器和在线扭矩传感器,以支持低刚度控制,进而实现顺应性的相互作用并减少振动。

相较于其他类人机器人,WDI装入Project Kiwi体内的定制化硬件并不常见。例如,锁骨和肩部仅具有五个自由度以支持耸肩功能,并具有用于展现自然手势的扩展配置空间。Project Kiwi还搭载了移动处理器以支持交互行为。

Porject Kiwi的尺寸只有0．75米,但是这款机器人内部的构造远超于其他相同规模的类人机器人。因此在包装和组件选择方面,WDI面临着严峻的挑战。当然,并不存在十全十美的办法,WDI为此在设计方面做出了妥协。例如,为了压缩尺寸,WDI几乎没采用电线和连接器,机器人整体全部依靠一种同时包含刚性和柔性材料属性的电路板。但是这种电路板非常复杂,成本和制造时间也因此大幅度增加。同时Project Kiwi还要根据角色的包装,而增加髋部和膝部促动器的尺寸。

从软件的角度来看,WDI花费了大量的时间来开发运动规划和动画工具,这样才能让动画制作者为Project Kiwi编写风格化的步态,手势和表情。但是与屏幕上的角色不同,物理规律是不可以改变的。因此,Project Kiwi目前仅限于在平坦的地面上进行程式化的步行和跳舞,但是未来将会增加上楼梯等动作。

Project Kiwi项目负责人Scott LaValley表示,根据经验,艺术家和动画师在赋予生活新的愿景方面同样发挥着重要作用。“我们经常从角色动画和游戏开发世界中汲取灵感,尽管机器人角色比虚拟角色更受限制,但我们正在解决许多相同的问题。另一个技巧是在设计过程的早期就利用运动研究(通过动画,运动捕捉和/或模拟工具)来为任何新机器人生成性能驱动的要求。”

不止一款

当所有观众都在沉浸迪士尼的CG技术时,该公司真正的内涵其实远不止如此。2013年,迪士尼开发了一种快速骨架设计工具,这是一种机电一体化的机器人,利用蒙布隐藏轴承、连接器等组件,再通过动力带动该工具移动,最终让这个机器人可以直接将运动轨迹显示在画布上,从而大大减少了动画制作过程。

当时,迪士尼用这套工具设计了十个动画角色,最终制作完成的有七个,在每种情况下,使角色按照自己的意愿完成工作都只用了不到半小时的时间,相较于以往一帧一帧地手绘,效率提升了数百倍。而且所有涉及的部件都是3D打印的,制作成本也远远低于传统手绘。

2016年时,迪士尼又推出了液压驱动机器人Jimmy。Jimmy没有类人机器人中常用的电机和齿轮。取而代之的是,它依靠迪士尼自主研发的液压执行器来驱动。不仅如此,相较于用耦合来传动动力,由于用液压阀直接作为驱动装置,使得Jimmy的灵活性远高于同时期电驱机器人。

2020年,迪士尼不满足于只将骨架制作成机器人,于是又开发了表情机器人Gaze。强调能真实地模拟人类脸部表情,尤其能以眼睛自然眨动形式活灵活现地表达眼神和情绪。

透过胸前的摄影机与计算机视觉技术,Gaze能感知站在它面前的人,以及人的面部表情,并与其进行互动。Gaze的设计着重于面部的细微表情,包括眼球注视方向、眨眼频率或转头动作都能模拟人类自然行为,同时当人类靠近时,Gaze也会自动给予回应。

商业启示

迪士尼所研发的机器人都有共同特点,这些机器人研发的目的都是为了表演,并且这些机器人都是以人或者动物为基础。另一方面,这些机器人都是定制化的,却也是通用型机器人。定制化在于,每款机器人都不会量产,他们的生产和制造都是有着明确且单一的目的。通用则在于,这些机器人都有着极强的拓展能力,一旦套上角色的包装,配合相应的运动规划,立刻就会变成那个角色。

迪士尼是世界范围内娱乐领域的龙头企业,旗下8大IP总价值将近4000亿美元。而它真正的技术内涵,甚至超过了绝大多数机器人公司。

以《复仇者联盟4》为例,该电影拍摄成本为3．65亿美元。其中,特效支出还不到1．5亿美元,占比低于40%。另一部以特效知名的电影《阿凡达》,总投资2．37亿美元,特效超过1．5亿美元,占比63%。

《阿凡达》上映于2009年,《复仇者联盟4》上映于2019年。即便前者的特效令人惊叹,但是两部相距10年的电影,其特效技术在荧幕上的表现力仍存在着巨大的差距。正是由于机器人技术带来的便利,让迪士尼拥有了更多施展的手段以及更低廉的拍摄成本。

这种专门为影视特效而生的机器人目前并未大规模启用,甚至全球仅有迪士尼一家在普遍采用机器人技术拍电影。传统的影视公司,如派拉蒙、20世纪福克斯,大多数仍采用纯特效技术。

诚然,类人机器人的开发工作非常复杂,其中涉及的交叉学科非常多。根据国际机器人联合会(IFR)的报告,2019年工业机器人出货量较2018年下滑16．9%,其中亚太地区两大机器人采购国家:中国和日本,分别下滑9%和10%。

机器人市场中,另一大高出货量、高安装量的机器人是服务机器人。2020年该类型机器人全球出货量为24万台,较2019年增长31%。其主要增长点为物流机器人,2019年物流机器人总量为7．5万台,2020年11．4万台。除此之外,公共环境机器人、军用机器人等领域均增长缓慢。

从技术角度出发,诚然,5G技术和人工智能技术的革新让机器人拥有了更高的智慧以及更多的功能。但目前为止,市面现有的机器人较传统机器人仍未有较大的差异化技术,因此,工业机器人已显露饱和态,服务器机器人也很难成为刚需。

迪士尼的机器人开发对于整个机器人产业来说,无异于开拓了一条全新的市场。2020年,全球动漫,视觉特效和视频游戏行业的市场规模为2610亿美元,而特效成本大约占作品生产总成本的20%到25%。

Project Kiwi每台的成本不到10万美元,相关的角色服装的价格约为100美元。与之相对的,Project Kiwi为特效制作中的骨架设计减少超过1000万美元(多角色)。事实上机器人为影视作品带来的成本降低是难以衡量的,特定场景中,甚至可以利用机器人完全取代特效技术。

有句网络流传的话是“全世界都在催你长大,只有迪士尼守护着你内心的童话”。不过,迪士尼守护的方法也在与时俱进。