Inside Movie Animation: 128 Miljard Elementen Simuleren

{h1}

Het realiseren van visueel realisme is het doel bij geanimeerd filmmaken.

Ooit afgevraagd hoe geanimeerde films zoals The Incredibles haar, kleding, water, planten en andere details zo realistisch laten lijken? Of hoe worden, net als de leeuw in The Chronicles of Narnia, geanimeerde personages verwerkt in live-actiefilms? Zo niet, dan zouden de animators tevreden zijn, omdat ze niet willen dat speciale effecten het verhaal afleiden. Achter de schermen is echter een uitgekiende combinatie van artisticiteit, rekenen en fysica.

Traditioneel werd animatie met de hand getekend door kunstenaars die "iets van hetzelfde magische oog als de Renaissance-schilders nodig hadden, om de indruk te wekken dat het realistisch verlicht is", zegt Paul Debevec, een computergrafisch onderzoeker aan de Universiteit van Zuid-Californië. In de afgelopen tien jaar is de met de hand geschilderde animatie vervaagd, omdat simulaties op fysieke basis steeds vaker worden gebruikt om een ​​meer realistische verlichting en beweging te bereiken. Ondanks deze beweging naar de werkelijkheid in animatiefilms, blijft de fysica van de echte wereld een slaaf van opportuniteit en kunst: vereenvoudigingen en snelkoppelingen maken de simulaties sneller en goedkoper, en wat de regisseur wil, overtreft de fysieke nauwkeurigheid.

In een dramatische scène in de film 300, die begin 2007 uitkwam, botsen verschillende schepen met geweld - hun rompen splinteren, masten breken, zeilen scheuren en de schepen zinken. Stephan Trojansky, die aan 300 werkte als supervisor van visuele effecten voor het in Duitsland gevestigde bedrijf ScanlineVFX, zei dat het creëren van de oceaan in die scène 128 miljard elementen simuleerde. "We hebben waarschijnlijk het hoogste vloeistofsimulatiedetail gemaakt dat ooit in visuele effecten is gebruikt," zei hij.

"Voor het breken en versplinteren van de schepen," voegde hij eraan toe, "hebben we splintertechnologie ontwikkeld: hout breekt niet als een stenen toren, het buigt. Om realistisch gedrag te krijgen, moet je rekening houden met hoe het schip aan elkaar wordt genageld. De betrokken fysica bestaat voornamelijk uit vergelijkingen die bepalen waar het materiaal zal breken. "

Animaties van zowel vloeistoffen als vaste stoffen - en van gezichtsuitdrukkingen en kleding, onder andere - maken gebruik van verschillende computationele methoden en een groot aantal vergelijkingen. Maar er is een compromis in het streven naar meer realistische animaties - dichter bij de realiteit komen vraagt ​​steeds meer computervermogen en wordt steeds duurder. Er zijn drie veelgebruikte methoden voor computeranimatie - breek het object dat wordt gesimuleerd in afzonderlijke elementen, gebruik voorbeeldpunten uit het object of maak vaste cellen in de ruimte.

Mark Sagar, van WETA Digital, een bedrijf voor visuele effecten in Wellington, Nieuw-Zeeland, is gespecialiseerd in het simuleren van gezichten. Een techniek is motion capture, waarbij markeringen op het gezicht van een acteur worden geplaatst, hun posities worden genoteerd voor verschillende uitdrukkingen en de posities worden vervolgens toegewezen aan een geanimeerd teken. "Voor King Kong brachten we de uitdrukkingen van de acteur in kaart op een gorilla", zei Sagar.

Het simuleren van het gezicht impliceert het interpreteren van beweging in termen van spier, bovengenoemde Sagar. "We benaderen de gedetailleerde mechanische eigenschappen van levend weefsel en de lagen en lagen ervan. Je hebt bewegingsgegevens en begint uit te werken wat de drijvende krachten zijn." Het modelleren van het realistische uitrekken van de huid vereist veel eindige elementen - elk een klein stukje weefsel, "zei hij." Je berekent en lost op elk punt de krachten op en telt dan op totdat je een uitgebalanceerde vergelijking krijgt. Het is niet technisch geavanceerd, maar levert resultaten van hoge kwaliteit op. "

Realistische beweging is vaak te ingewikkeld voor animators om met de hand te doen, zei Michael Kass, een onderzoeker bij Pixar Animation Studios. "De resultaten kunnen vreselijk en erg duur zijn." In de originele Toy Story uit 1995 zei hij: "Als je een rimpel ziet in kleding, komt dat omdat een animator op dat moment besloot om een ​​rimpel in te zetten. Daarna [bij Pixar] besloten om een ​​korte film te proberen een fysiek gebaseerde kledingssimulatie. "

De beweging van kleding wordt berekend als een oplossing voor partiële differentiaalvergelijkingen, zei hij. "U begint met afzonderlijke threads. Wat zijn hun basiseigenschappen? Dan bekijkt u de bulkeigenschappen wanneer [ze] geweven zijn. De belangrijkste fysieke effecten zijn uitrekken, scheren en buigen. Tot op zekere hoogte kunt u echte stof aantrekken en meet actuele metingen. "

Terwijl het animeren van kleding nog steeds problemen oplevert, zei hij: "het maakt nu deel uit van een standaard zak met trucs." Onze simulaties zijn zo nauwkeurig dat we kleding kunnen ontwerpen met in de handel verkrijgbare software voor het maken van patronen en ze dan grotendeels kunnen laten bewegen zoals een kleermaker zou verwachten in onze virtuele simulaties. "

Haar animeren "is in veel opzichten gemakkelijker dan kleding, omdat het op individuele draden lijkt," zei Kass. "Het verschil is dat kleding niet als kleding beweegt, tenzij de draden een wisselwerking hebben.In een echte haardos werken de draden wel op elkaar in, maar je kunt wel overtuigende bewegingen maken zonder daar rekening mee te houden."

Verlichting is een ander gebied waarop de natuurkunde een sleutelrol speelt bij animatie. Lange tijd, zegt de Steve Marschner van de Cornell University, was "het renderen van de huid hard, het zag er wasachtig of te glad uit." De oplossing, zegt hij, was om rekening te houden met het feit dat de huid doorschijnend is, wat hij en zijn collega's "hebben ontdekt toen ze naar een ander probleemafgevend marmer keken".

Net als bij simulaties van vloeistoffen, stoffen, stijve lichamen, enzovoort, is het integreren van doorschijnendheid om huid te modelleren oude fysica. "In sommige gevallen moeten we de modellen van de grond af aan maken.Maar soms vinden we iemand in een andere tak van de natuurkunde die een soortgelijk probleem heeft opgelost en we kunnen gebruikmaken van wat ze hebben gedaan. "Voor huidtranslucentie:" we konden een oplossing uit de medische fysica aanpassen, uit een berekening van stralingsdistributies binnenin de huid die werd gebruikt voor lasertherapie bij huidziekten. "

"Een van de coolste dingen die je in een film ziet, is wanneer er een soort buitenaards beest of digitaal personage in de scène rondzwerft, en het lijkt erop dat het er echt was," zegt Debevec. "De enige manier om dat te doen is door de fysica van lichttransport te begrijpen, respect te hebben voor hoe licht werkt in de echte wereld en vervolgens computers te gebruiken om het verschil te maken van wat werkelijk is neergeschoten."

Hij zegt bijvoorbeeld in Narnia: "Ze hebben er veel van gefilmd met de kinderen gekleed in hun ridderkostuums en een lege ruimte voor de leeuw achtergelaten." Om de digitale leeuw precies goed te krijgen, gebruikten Rhythm and Hues Studios radiometrisch gekalibreerde camera's om de kleur en intensiteit van de verlichting te meten vanuit elke richting in de scène. " De metingen, "voegt hij eraan toe," worden ingevoerd in algoritmen die oorspronkelijk zijn ontwikkeld in de fysica-gemeenschap en zijn aangepast door de grafische gemeenschap van computers als een realistische manier om de manier te simuleren waarop licht rondvliegt in de scène. "

Vergelijkbare methoden worden gebruikt voor het maken van digitale doubles-virtuele stuntkarakters die worden ingevuld voor live acteurs. Daarom zei Debevec: "filmstudio's brengen soms acteurs hier naar ons instituut, waar we apparaten hebben gebouwd om te meten hoe een persoon of object, of wat je ook in het apparaat steekt, licht weerkaatst vanuit elke mogelijke richting." De resulterende dataset, zegt hij, kan worden gebruikt om een ​​virtuele versie van de persoon te simuleren. "Er zijn ongeveer 40 opnames van een digitale Alfred Molina die Dr. Otto Octavius ​​speelt in Spider-Man 2. Het lijkt op hem, maar het is een geanimeerd personage. De weerspiegeling van de huid ziet er realistisch uit, met zijn textuur, doorschijnendheid en glans, omdat het allemaal gebaseerd is op metingen van de echte acteur. "

"We simuleren zelden meer dan twee indirecte lichtsterktes, terwijl het licht in werkelijkheid gewoon rond blijft stuiteren," vervolgde Debevec. "Zonder bounces zien dingen er veel te spartaans uit en zijn de schaduwen te scherp. Eén bounce vult misschien driekwart van het ontbrekende licht en met twee bounces ben je meestal voorbij 95%. Dat is goed genoeg." Een andere kortere weg, voegt hij eraan toe, is om alleen te focussen op de lichtstralen die bij het oog terechtkomen. "We proberen de cheats te achterhalen die je kunt maken en die je afbeeldingen geven die er goed uitzien."

"Er is een lange traditie van vals spelen," zei Marschner, "omdat het opzetten van een exacte simulatie niet mogelijk of te duur is." "We gebruiken natuurkunde om realisme te krijgen," zei Trojansky. "Maar ik ben een natuurkundig bedrieger, ik gebruik het als basis, maar ik ben geïnteresseerd in het visuele effect."

  • Volgende stap: wilde en ontwrichtende technologieën
  • Video: Hologram-modeshow
  • Planet Earth 2007: Top 10 Science Revelations

Opmerking van de uitgever: Dit is een bewerkte versie van een artikel dat verscheen in het tijdschrift Physics Today van november 2007. Het wordt hier opnieuw gepubliceerd met toestemming.


Video Supplement: .




Onderzoek


Wat Is De Zone Of Silence?
Wat Is De Zone Of Silence?

Reacties Sneller Dan Acties, Onderzoek Vindt
Reacties Sneller Dan Acties, Onderzoek Vindt

Science Nieuws


Het Drie Beleid Dat Tegen Opwarming Van De Aarde (Op-Ed) Kan Optreden
Het Drie Beleid Dat Tegen Opwarming Van De Aarde (Op-Ed) Kan Optreden

Welke Facebook-Verslaving Eruit Ziet In De Hersenen
Welke Facebook-Verslaving Eruit Ziet In De Hersenen

Obama Bekleedt Wetenschapsonderzoek In Het Adres
Obama Bekleedt Wetenschapsonderzoek In Het Adres

Na Een Zombie-Apocalyps Zijn Hier 9 Sleutels Voor Het Opnieuw Opbouwen Van Een Beschaving
Na Een Zombie-Apocalyps Zijn Hier 9 Sleutels Voor Het Opnieuw Opbouwen Van Een Beschaving

Onverbiddelijke Sex Drive Kan Dodelijke Hondsdolheid Signaleren
Onverbiddelijke Sex Drive Kan Dodelijke Hondsdolheid Signaleren


WordsSideKick.com
Alle Rechten Voorbehouden!
Reproductie Van Materialen Toegestaan Alleen Prostanovkoy Actieve Link Naar De Site WordsSideKick.com

© 2005–2019 WordsSideKick.com