三维动画技术

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    三维动画技术



    三维动画技术:更新“看电影”的概念

             三维动画技术作为艺术与技术的结晶,在电影业所产生的每一次技术变革都令全世界为之着迷。而未来人们欣赏到的一切,电影、电视、游戏,都将是三维动画技术所带来的。它带给人们的,不仅是视听感官上的体验,更重要的是将以超越所有行业的姿态,最大程度地呈现可视和交互技术的魅力,颠覆人们“看电影”的传统概念。
           国际上习惯将利用计算机技术进行视觉设计和生产的领域通称为CG(Computer Graphics,计算机图形技术),二十世纪八九十年代以来,
    三维动画制作技术得到迅猛发展,几乎被运用于所有的视觉艺术创作活动中,如影视特效、三维动画、平面设计、多媒体技术等,其中最为我们所熟识的当然还是在现代电影工业中的运用。这种通过CG技术生产的影片可分为两大类:一类是真实人物、物体经过数字技术处理合成制作的“实拍片”;一类是完全利用计算机技术虚拟影像的“动画片”。
           作为现代工业文明的产物,商业电影在赋予作品社会文化价值的同时,又被生产者的商业利益所左右,在不违背基本价值观的情况下,以追求最大的商业价值为目的。因此,现代电影工业追求的是“新”(不断创新形式和内容以刺激受众的感官)与“快”(不断创新技术和管理以提高生产的效率),而三维动画技术恰好能够帮助电影生产者完美、统一地实现这个两个目标。

    求“新”:景观电影的盛行和立体电影时代的到来

      作为一种视听艺术,电影的发展除了本身的艺术探索实践之外,技术的进步起到了决定性的作用。好莱坞作为商业电影的霸主,一直是迎合观众这种需求的典型代表。上世纪八十年代以来,三维动画技术给电影工业带来了一次深刻的变革,使好莱坞电影经历了从“叙事电影”到“景观电影”的华丽转向,用数字技术营造出来的“视觉奇观”,成为好莱坞这些年来进一步占领和巩固全球市场份额的制胜法宝。

      从库布里克的《2001太空漫游》首先尝试运用,到卢卡斯的《星际迷航记2》,三维动画技术开始正式进入电影业,再到卡梅隆的《终结者2》大规模运用三维动画技术,以及此后的《阿甘正传》、《泰坦尼克》、《角斗士》、《魔戒三部曲》和最近的《阿凡达》,一部部影片不断制造着一幕幕绚丽的电影盛宴,三维动画技术所营造的各种影视特效已经成为今天保证影片票房的关键手段。
       
       对于《阿凡达》,普通观众使用最多的一个词就是“身临其境”,许多媒体、专家甚至预言,此次《阿凡达》里程碑式的出现,标志着立体电影时代的真正来临,“2D电影就像当年的默片对有声片一样显得过时”。

      这种说法是有一定道理的。有位观众在看完《阿凡达》后感慨:“我觉得自己这么多年好像就看过两部电影,一部是《阿凡达》,一部是剩下的所有其他电影。以前进影院觉得自己是在看电影,这一次走出来,却觉得自己好像是体验了电影一样。”

      这种“真实幻象”的“体验”观感,是“快感原则”、“奇观化原则”等现代电影的美学原则的最好体现。精彩的三维动画技术,创造了“虚拟逼真”的电影奇观。

      现在,市场的反应又进一步带动了资本的骚动,全球又掀起了发展数字立体影院的热潮,放映商纷纷开始实施数字3D系统安装计划,单美国的3D银幕,就从去年夏天的800个一下子增加到了现在的3500个。制片商方面的反映更为明确,迪士尼、梦工厂等宣布今后出品的动画影片将全部采用数字立体格式。

     三维动画技术的成熟和制作流程的广泛使用

      
        随着三维动画技术,特别是三维动画技术的运用,动画的创作及制作方式被完全更新,工序大大简化,制作效率得到极大提高。1995年,皮克斯的《玩具总动员》作为第一部真正的
    三维动画影片诞生。从此,迪斯尼、皮克斯、梦工厂、蓝天工作室等每年都给我们带来视觉的惊喜和票房的奇迹。这一革命性的变革为动画产业注入了新的活力,将动画产业带入前所未有的繁荣时期。

      现在,无论是从制作方式、艺术表现,还是从市场反应、社会影响等诸多方面来看,三维动画电影已经成为国际上动画发展的主流。

      当前最高端的三维动画技术,给3D电影、三维动画带来了前所未有的震撼效果,但真正带来革命性发展的,还不仅仅是视觉语言的突破,而是充分实现了三维动画影片“创作/制作、技术研发、过程管理”三位一体的现代电影工业化生产流程,从而在技术上、生产上实现了“实拍片”、“动画片”的合流。

      《阿凡达》的制作,就充分借鉴了现代三维动画的流程与技术,除了实景拍摄的镜头外,其他镜头的制作几乎和现代三维动画一样:首先是数字建模,也就是在电脑上做出虚拟人物的模型;其次是虚拟摄像,让演员穿上装有传感器的衣服,通过表演捕捉等技术采集身体各部分的参数并运用在虚拟模型上,让模型动起来;最后是渲染,通过计算机技术让人物出现在虚拟的环境中。

      卡梅隆这一次留下的不仅仅是一部辉煌的电影,还有其团队独创的3D摄影机、虚拟摄像机、表演捕捉系统,还有其首次尝试的GPU加速渲染技术,正是这些三维动画技术开创了3D与数字特效的新时代。


    立体影像技术:将颠覆“看电影”的传统概念

      
        现在的立体电影,主要是电影银幕的光线透过立体眼镜对光的选择,分别呈现在人的左眼和右眼中,使人产生立体影像的感觉。随着技术的进展,现在裸眼式不须戴眼镜的真3D立体显示技术也正逐步成熟,具有全视景、多角度、多人同时观察等优点,可直接观察到具有物理景深的三维图像技术,其显示图像深度(第三维),效果就像我们看真实的世界一样。同时,感知技术也离我们越来越近,能够解决人机交互的便捷性、准确性和功能的多样性等问题,这将会全方位地影响我们的生活。


     

    这些立体影像技术、交互技术的进步,对于未来电影的发展意义重大。

      
        首先,可以造就新的电影时空,观众感觉真正置身其中,真正“身临其境”,观众将不再是坐在银幕外的“旁观者”,转而成为置身其中的“局内人”。这种全景式电影的出现,很可能会引起创作观念和观影观念的变化。例如,目前我们观影的时间概念都是物理上的,比如90或120分钟,而在全景式电影中,更多的是心理时间,这不难理解——就像一个有恐高症的人坐过山车,物理上的一分钟,在他的心理感受上可能变得无比漫长。

      其次,新技术形成了新的电影传播方式。传统的电影接受理论是建立在影院观影模式上的,大屏幕、黑暗场景、集体观看,成为电影接受美学研究的典型观看方式,并由此产生一种观影的仪式感,构成了一个观影的“信息场”。由于全景式电影是空间范畴,不需银幕作为载体,因而不限于影院,观影的集体行为转变个体化、私密化的观影体验,改变了观影心理,因此全景式电影将来应用的具体形式目前尚不太好断定。

      最后,新技术产生了交互式立体影像的可能。在很多科幻电影里都有这样的场景,即戏中的人物可以对着真实人类的虚拟影像说话,而不是拿着电话和对方通话。这样的科幻场景随着交互技术的产生,可以在现实中看到了,形成交互的虚拟现实。这在真正意义上创造了一个全新的时空关系,势必打破原来的电影创作模式,但具体的形式目前也不太好断定。

      未雨绸缪:推动中国三维动画技术技术和电影事业的发展

      仅就技术上而言,目前立体影像技术已经成熟,甚至全息立体影像、感知技术等都已开发出来,将来投入到电影的实际制作中只是个时间早晚的问题。

      作为电影创作者,我们对这一趋势要有清醒的认识,要有充分的准备和应对,将来才能够临危不乱,避免出现《阿凡达》来临之初大家上下瞠目惊呼的局面,因为未来立体全景式电影、交互电影带来的冲击,势必比《阿凡达》来的还要大。

      未来的立体全景式电影、交互电影,由于观影方式的改变,由于交互形式的出现,势必要打破现在的电影形态,势必要打破现在电影的语言和语法,势必要创造新的艺术语言,甚至电影产业也可能要发生调整,诞生新的艺术品种也未可知。

      纵观三维动画技术的历程,重新审视三维动画技术在国内的发展,可以看到三维动画技术确实被我们忽略了。作为电影人、三维动画制作人,我们任重而道远。三维动画技术作为艺术与技术“爱情”的结晶,电影业所产生的每一次技术变革都令全世界为之着迷。而未来人们欣赏到的一切,电影、电视、游戏,都将是三维动画技术所带来的。三维动画技术未来带给人们的,不仅是视听感官上的体验,更重要的是以超越所有行业的姿态,最大程度地呈现可视化和交互式技术的魅力。

     

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    用游戏引擎拍电影:Unity遇见《奇幻森林》(上)

        迪士尼制作的3D电影《奇幻森林》以其以假乱真的动物角色和强大的CG效果征服了全球众多的观众。这篇文章将讲述《奇幻森林》这部电影的拍摄过程以及Unity引擎在其中的作用。
    当摄影指导Bill Pope初次与导演Jon Favreau开会讨论《奇幻森林》这个项目时,其实他本人是拒绝的。他并不认为自己是合适的人选,他觉得自己“是实拍电影摄影师,缺少在纯数字空间合作的经验。”严格来说,摄影指导Pope是正确的。尽管他曾经拍过多个复杂的特效(VFX)项目,像《黑客帝国》系列《蜘蛛侠2》《蜘蛛侠3》,但《奇幻森林》却与这些电影大不相同。导演不想在丛林之间拍摄儿童,他觉得外景时间短,并且条件限制太多了,拍摄其实不轻松。并且摄影机把丛林拍得很美,但是往往实拍的情况下,在屏幕上看丛林,看起来就像盘沙拉。

        在迪斯尼公司主席F. Horn的激情呼吁下,导演Favreau不出意外地签下了合同。但《奇幻森林》与迪斯尼于1967年推出的动画版《森林王子》完全不同,导演Favreau想要实拍!当然了,他也知道实现这个项目的唯一方式:就是使用由导演James Cameron和视效总监Rob Legato为2009年发行的《阿凡达》所开发的虚拟摄影技术。

     

     


          “导演想让观众觉得电影是在印度实拍的,” Pope回忆说。“我们想要达到的效果是让人们觉得我们是使用真实的摄像机进行拍摄的,我们可以使用镜头光晕、镜头畸变、镜头运动和逼真的实拍感。其实这与CG电影正好相反。”

           视效总监Rob Legato与导演和执行制片人Pete Tobyansen一起创建CGI工作管线,使电影看起来像是由真实摄影机而不是虚拟摄影机所拍摄的。他需要将导演和摄影师熟悉的传统电影制作流程转换成可以用CG动画技术来实现。

            导演和摄影师拍摄时必须能够按照他们的直觉,而不是理性做出判断。他们必须能直接将镜头上下左右的移动来寻找需要的画面。他们不可能直接和动画师说:“把我往右边移动6.7英寸”。我必须做一个Bill习惯于使用的输入设备,他可以用这个设备来控制电脑,获得他需要的镜头。

       这个电影联合制作和视觉特效团队包括摄影指导Bill Pope(《黑客帝国》系列《蜘蛛侠2》《蜘蛛侠3》的摄影指导),视效总监Rob Legato(《雨果》与《泰坦尼克号》两座小金人获得者),制作设计师Christopher Glass,动画总监Andrew Jones,现场视觉效果总监Michael Kennedy和来自MPC的视觉特效总监Adam Valdez。MPC公司是本片的主要视觉特效提供商,负责本片90%的CG。在Dan Lemon的监管之下,MPC与维塔数字(Weta Digital)处理一切涉及猿的动画。而Digital Domain也积极参与,与Legato共创使画面栩栩如生的虚拟摄影系统。

           故事板和概念艺术是由Favreau和戴夫·洛厄手下的MPC团队负责的,这个团队在格拉斯,琼斯以及Digital Domain的虚拟制作主管加里·罗伯茨的监管之下——这些数字艺术家组成了“虚拟艺术工作部门”(VAD)——开始构建第一级虚拟场景。这包括环境的组合,一些是基于在访问印度期间拍摄的寺庙和森林,还有一些简单“棋子”(电影中角色可破坏的部分),以创造所谓的“可摧毁的资源”——简单到足以在视频游戏的环境中发挥作用。
           剧组特意使用了视频游戏的制作方法。它使导演能够使用操纵杆来做整片的初始虚拟勘景。这种低分辨率版本利用了视频游戏引擎Unity的改良版,《奇幻森林》是第一个用Unity引擎来做可视化的重大项目。

    Legato说:“Unity让导演可以实时的操控场景。”

           “我们可以设置所有需要的摄影机和镜头,让导演和团队从这些位置探索现场”,Roberts说。最后这些资料被保留下来,留待以后的通道使用(如动作捕捉)。摄影指导Bill Pope也使用了Unity中的全局光照来查看灯光效果。

           导演在一台大显示器上用操纵杆查看每个场景,并标记出他喜欢的部分。导演喜欢和很多人在房间里一起进行头脑风暴。然后挑选出他想要的部分,并指导你。他就像一个真正的侦察兵,会调整摄像机,和你说“这个角度不错”;或者说“他可以下到这条路上来”。事实上,导演可能觉得一棵树或者河流布置的位置不对。然后我们就需要去调整它。幸好这是在Unity引擎中渲染的,可以实时调整。

            当商定好虚拟场景之后,剧组会在Digital Domain的Playa Vista动作捕捉舞台拍摄那个十岁的小演员Neel Sethi(饰演Mowgli)和特技演员(与Mowgli演对手戏的动物角色)。粗略版本的现场是由美工部门建造的,尽量的模拟现实地形,然后内置到60英尺×80英尺的摄影棚中。利用Unity游戏引擎和设计好的虚拟布景,导演和摄影指导可以实时改变排练或现场。现场的一切看起来都像一个视频游戏,不过,导演可以走到虚拟场景里指导演员。

           为了片中的十个镜头,Legato和Kennedy去了一个地势崎岖的外景地,请跑酷表演者表演追逐、跳跃等动作。这些场景多用在电影的片头和片尾——Mowgli被他的导师黑豹Bagheera追赶。这段拍摄使用了十几台摄影机,沿着演员行进路径放置在不同位置和角度。这被称为遮罩捕捉(rotocapture)过程。

           演员都戴着跟踪点,使用视频摄影机拍摄,动作捕捉舞台而后使用“遮罩动作(RotoMotion)”系统来提取运动和创建粗略的、类似动作捕捉所创建的移动人物。
    动作捕捉素材被编辑为由多个表演以及镜次组成的、每个镜头组都有的“全景镜头”,再按导演和摄影师的排练方案放入虚拟场景。动画总监让他的数字领域实验室(Digital Domain LAB)的动画师创建步行循环,坐下循环等动作,随即将其替换为动作捕捉舞台上的动物角色的大致表演。使用动作捕捉作为排练工具,然后插入适当的动物行走。

           在这种情况下,摄影指导放置了虚拟摄影机。他利用Legato和Digital Domain的“数字和模拟设备系统”——它结合了Autodesk MotionBuilder的角色动画软件以及基于Unity游戏引擎的一个应用。这被称为Photon,是Digital Domain与微软之间的合作成果。

    MotionBuilder在实时领域效果很好,但它有渲染的局限性。添加Photon让摄影指导可以使用游戏引擎快速渲染,并且提供实时照明场景的能力。这样摄影指导在工作时可以分辨太阳和月亮在哪里,并添加补光和反射光,并且能看到灯光以及它如何表现。
          这台虚拟摄像机(或“摄影机捕获”)被用于Digital Domain的65英尺×35英尺的摄影棚,以及剧组在Playa的20英尺×30英尺的摄影棚,然后是在洛矶中心影城的2号摄影棚,在实拍同时创造额外的镜头。

          虚拟摄影机的拍摄过程中允许摄影指导直接指引摄像机移动的确切路径,就像他是在实拍一样。游戏引擎记录了每一个镜头,摄影指导能作为虚拟的灯光师动态拉焦,操作光影如何落在人物和环境之上,并且可以与美术指导及艺术总监合作,通过增加特效,如气氛、开花、火焰、雨水、尘埃来唤起每个镜头组的感觉。

        Pope(有时是Legato)会在“鲨鱼笼”中工作,并和Digital Domain的两个技术指导Girish Balakrishnan and John Brennan一起,后者会在Digital Domain虚拟产品实验室总监April Warren,Pipeline总监Ryan Beagan的指导下分别负责操作Photon和MotionBuilder。虚拟编辑器会在剪辑序列的同时与Pope校对。“物理虚拟摄像机”是一种带有追踪特性的碳纤维铝,可以使用小型的动作捕捉系统来获得它的位置和朝向。在任意一方都有定制的操纵杆进行比例输入,每个输入端拥有4或5个按钮,以及一个8英寸的OLED显示屏。该显示屏可以让Pope通过这个“相机”观察虚拟环境。

          通过使用操纵杆,Pope可以在这个虚拟场景中漫步,寻找适合拍摄的位置。“他可以沉浸在这个数字世界中,就像在玩游戏一样”。Roberts说,“他可以上下移动摄像机,也可以向前向后,左移右移。”操纵杆按钮也是Digital Domain根据Pope的喜好专门定制的。

    工作从当天上午7点开始,在当天下午4点30分换班,因为团队内有儿童演员的缘故。4点30分后,Pope就会进行虚拟相机上的工作,直到晚上7点为止。自始至终,团队成员都会根据Favreau的注释检查动画样片(例如已经剪辑好的Photon场景。)

          自始至终,剧组会看动态分镜(即完成的Photon版本的场景),并且听取导演的意见。这对于构图很有帮助,如果Mowgli正在与叫Baloo的熊说话,考虑到熊的头非常大,斯坦尼康操作员就得把这一帧的三分之二留给Baloo,把Mowgli放在剩下的三分之一。 Kennedy有本书里介绍了更多的TechViz数据,包括从灯光到悬臂的位置等等。

           还制作了一些细节道具,包括所有需要与Sethi进行物理交互的内容。导演带来了Henson的木偶,或是穿着两人大、只有眼睛是贴在手上的橡胶服(以模拟Baloo)与小演员互动。

          “我们对这些场景格外上心,”Favreau说到。“我自己跟不少网球演过对手戏,但它们从来都不是好搭档。”Jones也会为小演员提供一些互动上的建议,他对这些未来的动画角色很有经验。

           长时间追逐的场景被分成几个部分,斯坦尼康操作员会手持或者是骑在Technocrane摇臂顶端的电动车上拍摄小演员。摄影指导也特意让操作员不尽完美,以使观众确信影片是“在野外拍摄”。所以有时候看起来就像操作员跟不上那孩子了。

            团队利用巧妙的方法创造小演员身上的阴影,一种方法是通过动画制作的场景中的搭档,另外则是来自不存在的丛林树叶的阴影。MPC预先做了人物和树叶的阴影,并用几对高性能投影机把影子的黑色遮罩射到小演员身上。(这与后期画出主光不同,可以自始至终保持皮肤细节。)在与Baloo散步和谈话时,小演员身处一个直径30英尺的转盘上,树叶和Baloo的阴影会在预定处出现在道路上。

       《阿凡达》时一样,Glenn Derry 和Technoprops在现场操作Simulcam系统,为用户提供Photon/Unity现场和动画与机内图像的实时组合。摄影机配备了LED跟踪标记,由分散在现场的四五台动作捕捉摄影机塔及IMU传感器拍摄,为摄像提供准确的旋转数据    Digital Domain和MPC创造了360度的环境半球,或称“bubblecam”图像,让灯光师Bob Finley可以在现场用iPad查看。Finley可以看到Pope和希普在摄影机捕捉步骤之后决定的照明方案,通过MPC完成的动画(以灰度)查看任何位置和陈列,并相应地调整自己的现场仪器。“我们可能会向上倾斜,看到现场上面有更多的树木,并意识到需要增加更多的叶子,以此创造更多树荫,”Pope描述。如果摄影棚的设置被关闭了,迭代摄影机流程需要Pope冲到第二摄影棚并且在鲨笼(与V-CAM)中创造新动作。“这就像实拍素材”,Legato笑着说。“我们会一直拍到满意。”

    用游戏引擎拍电影:Unity遇见《奇幻森林》(下)
    Unity官方平台 
        在Unity系统中,Pope会使用两种方式来移动和操作摄像机。第一种,也就是大家所知的“Parenting”,允许Pope指导操作人员将相机放在一个固定的距离,例如在Mowgli后面,一个男孩穿过场景。“Bill就可以抬升或降低他的摄像机,或左右移动,和在一辆车上使用操作杆来拍摄相似。”Legato解释说,“就像是真人手动录像一样,而不是预先定义好的程序路线。”

    第二种方法是,Pope可以设置一些关键帧位置,通过(使用操纵杆)移动相机沿着路线到达指定的位置,并在移动到下一个位置前由Brennan存储这个位置。然后Pope就可以指定拍摄时这些点之间移动的类型,速度以及其他移动的参数——这些参数都可以被调整。

        “他们会去设置路线并向他反馈。”Roberts说,“然后他说, ‘这里平滑一下,把这里的曲线修正。”然后他就会在修正好的曲线上继续修改。” 他做出的摄像机移动轨迹如此自然,就像相机被放在一个假人的头上,坐在一个真实的椅子上,按照他的指令向前推动一样(事实上Pope把他的V-Cam装置放在了假人头上,假人被放置在鲨鱼笼里的一个定制三脚架上)。

     

        Digital Domain Virtual Production团队还创造了另一个系统,可以让Pope通过一个双人系统来创建一个相机稳定装置(Steadicam)。场工会将碳纤维棒带着运动追踪标记沿着路线移动。Pope的V-Cam装置使用电子原理吸附在棒的头上,且这个连接是牢不可分的。“由一个人去操作假人,或者操纵机的头部,然后通过Bill的相机观察它们的移动。”Legato解释道,“然后Bill会操作顶部的相机,就像与相机固定装置分离一样。”在摄像机捕捉完毕后,Pope就会与Digital Domain团队商谈,继续对相机参数作出调整。之后会着手于Photon,和MPC的顶级灯光师Michael Hipp一起完成场景的布光。最后,使用Pixar的Renderman渲染。
    在Favreau和编辑Mark Livolsi将场景剪辑好并整理后,创作团队会再次进行检查,找出可能存在的舞台布置、光照和相机移动上的一些问题并加以修改。“有的场景我拍摄了20次”,Pope回忆着。“我想只有一回,他们说 ‘嗯这样可以了’,听到时我差点跌出椅子。” 

        在一场完整的拍摄过程中,MPC会进行一次TechViz分析,这是为了真人实时拍摄做准备。TechViz报告可以让美术人员准备/制作物理道具,并为团队提供照明及场工信息。“我们到达现场时“,Roberts写道,“舞台上的一切与数字场景中拍摄到的一切是如此契合。”
    二十八个实时拍摄片段均在LACS拍摄,并且它们都涉及到了Mowgli。“我不确定能否区分浣熊之间的区别,但浣熊可以,”动画总监Jones说,“人也是一样,我们还是婴儿时,我们会不断地学习大人的面部表情,然后从面部的细节里读出大人们哪怕一丝的心情变化。如果没有这些细节,它看起来就会不自然,不像是活着的真实的东西。然后一切就会变得令人毛骨悚然”。据此,Mowgli的戏是实时拍摄的,正如Favreau表述的“:这是一次完美的拍摄”,之后便完成并替代了影片其余本应使用数字合成片断的部分。

        Favrea和Pope使用Cameron Pace Alexa M Start装置来拍摄原生3D片段。“对于机器人来说使用[后转换]技术是很合适的,”Favreau陈述道。“但对于孩子脸部的细节,尤其是近景——这时就是转换手段大显身手的时候。”
    Pope会在准备摄像机和镜头时与大家进行盲测,然后他说“Jon,Rob和Chris总是会选择Arri Alexa和Panayision镜头,主要是因为它们的清晰度和色彩表现。”在首席AC E.J.的建议指导下,经验丰富的Steadicam/摄像机操作人员Roberto De Angelis会参与拍摄。他和Pope会在第一舞台(Stage 1)上进行拍摄,同时Legato在第二舞台(Stage 2)进行第二单元的工作,借助De Angelis的帮助进行技术上更加复杂的拍摄。“Bill和我工作上的协同,使这个团队的合作变得紧密无间。”
    在场的600个成员,包括Misisco,都把注意力放到了De Angelis和第二AC Liam Sinnott身上。当Pope运行B相机时,首席AC Mike Klimchak和第二AcBilly McConnell都在协助他。Jr.也是和Legato在第二单元一起工作的人。