Inside Movie Animation: Simulering Af 128 Milliarder Elementer

{h1}

At opnå visuel realisme er målet med animeret filmskabelse.

Har du nogensinde tænkt over, hvordan animerede film som Incredibles får hår, tøj, vand, planter og andre detaljer til at se så realistisk ud? Eller hvordan, som løven i The Chronicles of Narnia, bliver animerede figurer indarbejdet i live-action-film? Hvis ikke, ville animatorerne være tilfredse, da de ikke ønsker special effekter til at distrahere fra historien. Bag kulisserne er der dog en sofistikeret kombination af kunst, beregning og fysik.

Traditionelt blev animationen tegnet af kunstnere, der havde brug for "noget af det samme magiske øje, som renæssancemalerne havde, for at få indtryk af, at det er realistisk oplyst," siger Paul Debevec, computergrafikforsker ved University of Southern California. I løbet af det sidste årti eller deromkring er den håndmalede animation falmet, da fysisk baserede simuleringer i stigende grad er blevet brugt til at opnå mere realistisk belysning og bevægelse. På trods af denne bevægelse mod virkelighed i animerede film forbliver fysikken i den virkelige verden en slave til hensigtsmæssighed og kunst: Forenklinger og genveje gør simuleringerne hurtigere og billigere, og hvad regissøren ønsker at trumme fysisk nøjagtighed.

I en dramatisk scene i filmen 300, der kom ud i begyndelsen af ​​2007, kolliderer flere skibe voldsomt - deres skrog splinter, master bryder, sejler tårer, og skibene synker. Stephan Trojansky, der arbejdede på 300 som visuelle effekter tilsynsførende for det tyskbaserede firma ScanlineVFX, sagde bare at skabe havet i den scene involveret simulerer 128 milliarder elementer. "Vi skabte sandsynligvis den højeste væskesimulationsdetalje nogensinde blevet brugt i visuelle effekter," sagde han.

"For brud og splintring af skibene," tilføjede han, "vi udviklede splinteringsteknologi. Træ bryder sig ikke som et stentårn. Det bøjer. For at få realistisk adfærd, skal du tage højde for, hvordan skibet er spikret sammen. Den involverede fysik er hovedsagelig ligninger, der definerer, hvor materialet vil bryde. "

Animationer af både væsker og faste stoffer - og af ansigtsudtryk og tøj, blandt andet - brug forskellige beregningsmetoder og et væld af ligninger. Men der er en bytte i push for mere realistiske animationer - at komme tættere på virkeligheden kræver mere og mere computerkraft og bliver stadig dyrere. Der er tre almindeligt anvendte metoder til computer animation - bryd objektet bliver simuleret i diskrete elementer, brug prøvepunkter fra objektet, eller skab faste celler i rummet.

Mark Sagar, fra WETA Digital, et visuelt virkningsfirma i Wellington, New Zealand, har specialiseret sig i simulerende ansigter. En teknik er motion capture, hvor markører er placeret på en skuespiller ansigt, deres positioner er noteret til forskellige udtryk, og positionerne kortlægges derefter på en animeret karakter. "For King Kong mapper vi skuespillernes udtryk til en gorilla," sagde Sagar.

Simulering af ansigtet involverer fortolkning af bevægelse i form af muskler, sagde Sagar. "Vi tilnærmer de detaljerede mekaniske egenskaber af levende væv og dets lag og lag. Du har bevægelsesdata og begynder at udforske, hvad drivkræfterne er." Modellering af realistisk strækning af huden kræver mange finite elementer - hver en lille plet af væv, "sagde han." Du beregner og løser for kræfter på hvert punkt og summen op, indtil du får en afbalanceret ligning. Det er ikke sofistikeret fra et teknisk synspunkt, men producerer resultater af høj kvalitet. "

Realistisk bevægelse er ofte for kompliceret for animatorer at gøre med hånden, siger Michael Kass, en forsker ved Pixar Animation Studios. "Resultaterne kan være forfærdelige og meget dyre." I den originale Toy Toy Story 1995 sagde han: "Hvis du ser en rynke i tøj, er det fordi en animator besluttede at lægge en rynke på det tidspunkt. Derefter besluttede vi [at Pixar] at lave en kort film til at prøve ud en fysisk baseret tøj simulering. "

Klædningsbevægelsen beregnes som en løsning på partielle differentialligninger, sagde han. "Du starter med individuelle tråde. Hvad er deres grundlæggende egenskaber? Så overvejer du de store egenskaber, når de er vævede. De vigtigste fysiske virkninger strækker, skærer og bøjer. I en vis grad kan du tage rigtig klud og få faktiske målinger. "

Mens animerende tøj stadig frembyder problemer, sagde han: "Det er nu en del af en standard taske med tricks. Vores simuleringer er blevet præcise nok til at vi kan designe beklædningsgenstande med kommercielt tilgængelig mønstrings software og derefter få dem til at bevæge sig stort set som en skrædder ville forvente i vores virtuelle simuleringer. "

Animerer hår "er på mange måder lettere end tøj, fordi det er som individuelle tråde," sagde Kass. "Forskellen er, at tøj ikke bevæger sig som tøj, medmindre trådene interagerer. I et rigtigt hårhår virker tråderne, men man kan få overbevisende bevægelse uden at tage højde for det."

Belysning er et andet område, hvor fysik spiller en central rolle i animationen. I lang tid, siger Cornell Universitys Steve Marschner, var "rendering af huden hård. Den ville se voksagtig eller for glat." Den løsning, han siger, var at tage højde for, at huden er gennemskinnelig, som han og kolleger "regnede ud fra at se på en anden problemgengivelse marmor."

Som med simuleringer af væsker, klud, stive legemer og så videre indbefatter translucens til model hud involverer gammel fysik. "I nogle tilfælde er vi nødt til at lave modellerne fra bunden.Men nogle gange finder vi nogen i en anden fysikbranche, der har løst et lignende problem, og vi kan udnytte det, de har gjort. "For hudtranslucens" kunne vi tilpasse en løsning fra medicinsk fysik fra en beregning af strålingsfordelinger inde den hud, der blev brugt til laser terapi i hudsygdomme. "

"En af de sejeste ting du ser i en film er, når der er en slags verdensdyr eller digital karakter, der sidder på scenen, roaming rundt, og det ser ud til at det virkelig var der," siger Debevec. "Den eneste måde du kan gøre er ved at forstå lysetransportens fysik og respektere, hvordan lyset virker i den virkelige verden og derefter bruge computere til at forsøge at gøre forskellen fra det, der virkelig blev skudt."

For eksempel siger han i Narnia "de filmade meget af det med børnene klædt i deres ridderdragt og forlod et tomt rum for løven." Så for at få den digitale løve helt rigtigt, brugte "Rhythm and Hues Studios" radiometrisk kalibrerede kameraer til at måle farve og intensitet af belysning fra alle retninger i scenen. " Målingerne tilføjer han "indføres i algoritmer, der oprindeligt blev udviklet i fysiksamfundet og er blevet tilpasset af computergrafiksamfundet som en realistisk måde at simulere den måde, som lyset springer rundt i scenen."

Lignende metoder bruges til at oprette digitale dobbelt-virtuelle stunt-figurer, der udfylder for levende aktører. For det sagde Debevec, at "filmstudier sommetider bringer skuespillere her til vores institut, hvor vi har bygget enheder til at måle, hvordan en person eller en genstand eller hvad du holder fast i [enheden], afspejler lys fra alle mulige retninger." Det resulterende datasæt, siger han, kan bruges til at simulere en virtuel version af personen. "Der er omkring 40 billeder af en digital Alfred Molina, der spiller Dr. Otto Octavius ​​i Spider-Man 2. Det ligner ham, men det er en animeret karakter. Refleksionen fra huden ser realistisk ud, med sin tekstur, gennemskinnelighed og glans, da det hele er baseret på målinger af den virkelige skuespiller. "

"Vi simpelthen simulerer mere end to indirekte bounces af belysning, mens i virkeligheden bare holder lyset rundt," fortsatte Debevec. "Uden hoppe ser det alt for spartansk ud, og skyggerne er for skarpe. En bounce fylder måske tre fjerdedele af det manglende lys, og med to hopper er du normalt forbi 95%. Det er godt nok." En anden genvej tilføjer han, er at fokusere bare på lysstrålerne, der vil ende med øjet. "Vi forsøger at finde ud af de snyder du kan gøre, der giver dig billeder, der ser rigtigt ud."

"Der er en lang tradition for at snyde så meget som muligt," sagde Marschner, "fordi det ikke er muligt eller for dyrt at oprette en præcis simulering." "Vi bruger fysik til at få realisme," sagde Trojansky. "Men jeg er en fysik snyder. Jeg bruger den som base, men jeg er interesseret i den visuelle effekt."

  • Næste trin: Vilde og forstyrrende teknologier
  • Video: Hologram Fashion Show
  • Planet Earth 2007: Top 10 Science Revelations

Redaktørens note: Dette er en redigeret version af en artikel, der blev vist i november 2007-udgaven af ​​Physics Today magazine. Den genudgives her med tilladelse.


Video Supplement: Week 0.




Forskning


Kan En Tornado Blæse Halm I Et Træ?
Kan En Tornado Blæse Halm I Et Træ?

Amx-13 Light Tank
Amx-13 Light Tank

Videnskab Nyheder


Russisk Jordskælv Kunne Være Dybeste Nogensinde
Russisk Jordskælv Kunne Være Dybeste Nogensinde

Undersøgelse: Homofober Kan Være Skjulte Homoseksuelle
Undersøgelse: Homofober Kan Være Skjulte Homoseksuelle

Dung Beetle'S Poop Præference: Smellier The Better
Dung Beetle'S Poop Præference: Smellier The Better

Den Globale Opvarmning Sænker Antarktis Kuleste Strømme
Den Globale Opvarmning Sænker Antarktis Kuleste Strømme

Salmonella-Tainted Kratom Syner En Halv Snes Flere Mennesker I Udbrud
Salmonella-Tainted Kratom Syner En Halv Snes Flere Mennesker I Udbrud


DA.WordsSideKick.com
All Rights Reserved!
Reproduktion Af Materialer Tilladt Kun Prostanovkoy Aktivt Link Til Webstedet DA.WordsSideKick.com

© 2005–2019 DA.WordsSideKick.com