Физика сказок и математика фантазий

(Апрель 2002)

shrek_swamp

Начиная с этого (2002) года в списки лауреатов «Оскара», самой престижной в области мировой кинематографии премии, добавлена еще одна категория —«Лучшему анимационному персонажу». Члены американской киноакадемии, избирающие номинантов и время от времени добавляющие новые категории, широко известны своим консерватизмом, однако и они не могли не откликнуться на веяния времени.

Хотя «Оскаров» за лучший анимационный фильм или спецэффекты вручают уже не первое десятилетие, компьютерная графика в последние годы заняла в киноиндустрии настолько выдающееся положение, а порождаемые с ее помощью новые миры и персонажи зачастую бывают столь колоритны и реалистичны, что явно пришла пора возвестить о вступлении кино в новую эпоху.

И самый убедительный, возможно, для этого способ — уравнять в правах на признание актеров живых и анимационных.

Производство полнометражных мультипликационных фильмов, полностью сгенерированных на компьютере, понемногу ставится уже вполне обычным делом. В 2001 году на киноэкраны вышло уже три крупнобюджетных картины такого рода — «Шрек» студии DreamWorks, «Последняя фантазия» компании Square Pictures и «Корпорация Мостры» от Pixar, студии компьютерной анимации Стива Джобса.

Поскольку персонажи двух из этих фильмов — «Шрек» и «Монстры» — фигурируют в числе трех оскаровских номинантов на лучшего анимационного актера, а наибольшее число номинаций во всех остальных категориях «Оскара» в этом году собрал фильм «Властелин колец», немыслимый без компьютерных спецэффектов, то и рассказ обо всем этом мире явно не имеет смысла искусственно делить на искусство «живое» и «анимационное».

Мультяшная физика

На сегодняшний день практически любое зрелищное кино не обходится без компьютерной графики. С ее помощью делают все — от добавления толп массовки в «Гладиаторе» до изъятия с экрана тросов, поддерживающих летающих героев в «Крадущемся тигре, затаившемся драконе», или моделирования гигантской виртуальной битвы во «Властелине колец».

Мощные компьютерные симуляторы заняли в кинематографе столь важное место во многом благодаря ученым, пришедшим в индустрию развлечений из университетстких лабораторий и исследовательских институтов.

В свое время режиссеры и продюсеры картин сами призвали ученых-исследователей, почувствовав, что именно они со своими математическими уравнениями и с помощью компьютерной графики смогут делать в области спецэффектов то, что нужно кинематографистам, причем весьма реалистично и сравнительно недорого.

Эксперименты пионеров компьютерной анимации с моделированием движения в 3-мерном пространстве начались в 1960-е годы. Поначалу были решены проблемы автоматизации перемещений простых твердых объектов, типа мяча в воздухе или звездолета в космосе. Физика и математика таких движений достаточно просты для компьютера, и он легко рассчитывает перенос объекта на новую позицию для каждого следующего кадра.

Те же самые ньютоновские законы движения применяются и для моделирования столкновений твердых объектов. Как известно, эти расчеты стремительно становятся гигантской вычислительной задачей по мере того, как возрастает количество и сложность сталкивающихся объектов. Однако возрастает и мощь компьютеров, так что на сегодняшний день подобного рода программы стали совершенно обыденным инструментарием при изготовлении анимационной продукции.

Если вспомнить, что все наши законы физики являются упрощением реальности, то аналогичным образом и в анимационных фильмах царят упрощенные версии физических законов. Некоторые называют это «мультяшной физикой». Неподъемные в расчетах задачи словно углы срезаются здесь для экономии времени и денег.

Ученые отлично дают себе отчет, что компьютерная анимация ограничена нашим пониманием физического мира, но от спецэффекта или мультфильма ведь и не требуется «правильное» воплощение абсолютно всей физики. Задача ставится так — сделать нечто такое, что выглядит натурально, и изготовить это настолько дешево, насколько вообще возможно.

[Врезка]

PearlHarbor

В фильме «Перл Харбор» настоящие боевые самолеты и корабли неотличимы от анимационных, когда те и другие тесно перемешаны в батальных сценах на экране. При съемках не был разбит ни один из настоящих самолетов, уничтожались только сгенерированные компьютером. Ненастоящие самолеты встраивались графически с помощью так называемых «твердотельных моделей» для расчета динамики неизменяемых систем.

По сути дела аниматоры строили конструкции из виртуального комплекта частей — фюзеляжей, крыльев и т.д., — а затем разносили все это взрывом на осколки. Клубы дыма и разрывы снарядов зенитной артиллерии в некоторых сценах — это результаты компьютерной симуляции уравнений гидродинамики, обильно приправленных уравнениями нарастания тепла и ударных волн, добавляемых для правдоподобия. Убедительное изображение вспышек достигается комбинированием съемок реальных взрывов и вручную добавленной компьютерной графики.

[конец врезки]

Некоторые феномены повседневной жизни, такие как движение воды, облаков, дыма или желе, происходят чрезвычайно сложным образом, вызывая массу проблем при компьютерном моделировании. Для того, чтобы сделать изображение таких вещей более реалистичным, у ученых существуют два основных подхода.

Один — это попытаться подступиться к решению задачи с большим и довольно загадочным в решении уравнением, представляющим поведение всей этой массы. Другой же способ — рассматривать данный объект как большое скопление имеющих форму кусочков. Второй вариант — это ответвление области исследований, известной как вычислительная гидродинамика, он более практичен в использовании и аниматоры-компьютерщики явно отдают ему предпочтение.

Взгляните на гигантские волны в «Идеальном шторме», струи пива, грязи и раскаленной лавы в «Шреке», множество других эффектов с жидкостями в прочих картинах. Для моделирования всего этого разнообразия ученые-аниматоры адаптировали методы физиков, разбивающих пространство, занятое жидкостью, на множество небольших объемов, каждый из которых по отдельности обрабатывается компьютером.

Для каждого такого объема и каждого кадра компьютер вычисляет силы, действующие между фрагментом и его соседями, а также прочие внешние силы типа гравитации. С учетом всех результатов программа определяет скорость и давление, которые должна иметь жидкость в центре каждой ячейки. Затем, чтобы изобразить движение, компьютер рассматривает занятое жидкостью пространство как тысячи частиц, случайным образом разбросанных по компонентам-ячейкам.

Машина рассчитывает промежуточные скорости в этих точках и устанавливает, куда переместить все эти частицы в следующем кадре. После чего компьютер использует эти новые координаты для построения гладкой полной поверхности, изображающей жидкость. Хотя настоящие жидкости на самом деле не действуют подобно десяткам тысяч толкающих друг друга отдельных ячеек, такое приближение дает весьма реалистичные на вид струи и потоки.

perfectstorm
У аниматоров по-прежнему возникает много сложностей с воспроизведением всего жидкого. Когда делали спецэффекты для фильма «Идеальный шторм», то обнаружилось, что физики просто не знают, как описывать движение пены по волнам. В таких ситуациях на помощь аниматорам-ученым как правило приходит богатое воображение художников-мультипликаторов.

В последнее время, вместе с нарастанием вычислительной мощи компьютеров, ученые стали добавлять больше физических нюансов в симуляторы жидкостей. От однородной решетки, разбивающей пространство на равные объемы, переходят к такой, где ближе к поверхности ячейки становятся меньше по размеру и более плотны в упаковке. Это позволяет компьютеру воспроизводить тонкую рябь, воронки и прочие нюансы поверхности наряду с общим движением массы жидкости.

Виртуальное растрепывание

Возможности полного воссоздания на компьютере трехмерного мира художники-аниматоры нередко считают одновременно и благом, и проклятием. Тщательное воспроизведение персонажей и окружающей их обстановки делает возможным съемку с любого ракурса и позволяет легко манипулировать героями с помощью компьютерных команд. С другой стороны, практически все в каждой сцене должно иметь аккуратнейшим образом определенные физические характеристики и границы, чтобы не было никаких взаимных наложений и пересечений.

Проблемы же с реалистичным воссозданием мягких или пушистых тканей временами повергают аниматоров в состояние, близкое к отчаянию. Ведь такие объекты двигаются и отражают свет настолько сложным образом, что даже наиболее изощренные графические пакеты затрудняются воспроизвести это в динамике. Достаточно лишь вспомнить, как играет мех у бегущей длинношерстной собаки, чтобы понять, насколько сложен должен быть код компьютерной программы, подобную вещь моделирующей.

Совсем не случайно все персонажи «Игрушечной истории» 1995 года — первого полнометражного мультика, целиком сгенерированного на компьютере в 3D — были такие твердые, зализанные и блестящие. Аналогичной особенностью отличались и два последующих фильма студии Pixar — «Жизнь жуков» и Toy Story 2.

Однако уже к четвертому фильму столь унылая ситуация ощутимо переменилась. Главные герои последней картины «Монстры» — это Салли, покрытое густейшим мехом забавное чудище, и маленькая девочка Бу, основную часть фильма разгуливающая в мешковатой ночной майке, меняющей свои формы чрезвычайно натурально.

Sulley_Boo

Для максимально реалистичного оживления этих персонажей в Pixar прибегли к сугубо научному решению — разработали специальный пакет программ со встроенными законами физики. Программа Fizt (произносится как «физ-ти» — сокращение от physics tool) стала главной гордостью ученых-аниматоров студии, поскольку принимает в учет все: гравитацию, ветер, воздействие воды и тумана, влияние столкновений предметов друг с другом.

Например, поведение меха Салли воссоздано с помощью математического аппарата для обсчета движений множества миниатюрных систем из пружинок и грузиков. Для вычислений брались нескольких тысяч волос монстра в разных частях тела. Затем компьютеры пересчитывали, каким образом эти «репрезентативные волокна» будут реагировать на движения массивного тела в сочетании с гравитацией, ветром и другие условия внешней среды в анимационной картине. Эти несколько тысяч «пружинок» служат в качестве своего рода указательных знаков, по которым компьютер интерполирует поведение всех остальных миллионов волосков.

Благодаря такой технологии при съемке «Монстров» художники-аниматоры получили возможность не беспокоится о складках ткани и о том, как должен вести себя мех. Они работали с персонажами-голышами, а затем передавали отснятый материал в группу симуляции, где героев одевали в цифровую шкуру и одежду. Все последующее делалось с помощью программы Fizt, которая добавляла в одежду складки, в мех блики, во все — тени, а также всевозможные воздействия движений, погоды и прочих внешних воздействий среды. Это своеобразное виртуальное «растрепывание» сцен занимало примерно 17 минут компьютерной обработки на каждую секунду готовой картины.

Mons_Sulley

[Врезка] Один из центральных персонажей мультфильма «Корпорация Монстры» — это Джеймс Пи Салливен или попросту «Салли», чудище ростом под два с половиной метра, с макушки до пят покрытое длинной голубой шерстью в легкомысленный розовый горошек. С технической точки зрения самое потрясающее в Салли — это самостоятельное движение каждого из 3,2 миллионов волосков его мощного мехового покрытия. Характерное подрагивание шерсти при ходьбе и движениях , натуральная реакция меха на воздействие воды и снега — все это придает искусственному персонажу редкостную для компьютерной анимации реалистичность.

Та же самая программа помогала аниматорам и при моделировании столь тонких феноменов, как поведение пара или облаков. Успехи при таком подходе оказались чрезвычайно впечатляющими. Например в сцене, где Салли попадает в снежную бурю, снег липнет к его меху настолько натурально, как будто это кадры из документального фильма о природе.

Тем не менее, работающие в данной области ученые и художники предупреждают, что компьютерным моделям все же еще очень и очень далеко до реальности. Причем наиболее сложными зачастую оказываются совершенно тривиальные вещи. Например, по свидетельству одного из ведущих ученых Pixar Тони ДеРосе, «никто так еще и не сумел сделать убедительную картину разломанной пополам буханки хлеба»…

Главные проблемы

Но все же самая сложная в анимации вещь — это воспроизведение людей. С этим утверждением согласен практически всякий, кто работает в графической индустрии. Даже не говоря о тончайших нюансах в изображении человеческих лиц, компьютеры по сию пору не способны адекватно моделировать с помощью уравнений естественные движения тела, такие как ходьба или бег. Математический аппарат ученых пока что просто еще не достиг такого уровня сложности.

Задача воссоздания движения живого существа намного сложнее, нежели пассивные симуляции, скажем, динамики жидкостей. Людей трудно анимировать уже по той причине, что мы весьма нетривиально устроены. Невероятно сложно заставить правильно и натурально морщиться кожу или создавать впечатление сокращающихся под кожей мускулов.

Наконец, чрезвычайно существенным неудобством является и то, что за миллионы лет эволюции мы стали чрезвычайно искушенными в анализе особенностей лиц и тел. Например, человек достаточно легко отличает фальшивую улыбку от настоящей, но можно представить себе, насколько сложно объяснить это различие компьютеру.

Для того, чтобы заставить персонаж двигаться, аниматоры используют программы, представляющие объект как сборную модель из отдельных частей тела. Большая матрица чисел определяет, каким образом все эти части совместно перемещаются в пространстве и каковы ограничения, налагаемые на каждую из частей. Кроме того, для воссоздания правдоподобного движения нередко используют технологию «захвата движения», когда основой для моделируемого персонажа служит регистрация действий реальных людей или животных.

Но в большинстве случаев, однако, аниматоры просто используют компьютер как инструмент для покадровой вырисовки действия. Подобно мастерам-кукловодам, они воздействуют на контрольные точки, предоставляемые программой анимации, для перемещения частей виртуального тела или для добавления дополнительных выразительных нюансов в мягкие ткани лица. В современных программах персонажи имеют по 700-800 точек анимационного воздействия. Одна лишь бровь, к примеру, у некоторых героев может изгибаться до шести раз, чтобы создать реалистичную дугу или сморщенность кожи.

FinalFantasy

И все же никогда не следует забывать, что главная задача всякого фильма — это рассказ истории. Как показал разочаровывающий опыт с картиной «Последняя фантазия», в технически сложном анимационном фильме очень легко перестараться с использованием инструментария, принеся в жертву фундаментальную основу картины — сам рассказ. И тогда, несмотря на все чудеса компьютерной графики, фильм оказывается безнадежно провальным.

The END