Im Film Animation: Simulation von 128 Milliarden Elemente

Je gefragt, wie animierte Filme wie The Incredibles Haare, Kleidung, Wasser, Pflanzen und andere Details so realistisch aussehen? Oder wie, wie der Löwe in die Chroniken von Narnia, animierte Charaktere in live-Action-Filme eingearbeitet werden? Ist dies nicht der Fall, die Animatoren würde mich freuen, da sie nicht, Spezialeffekte wollen, aus der Geschichte abzulenken. Hinter den Kulissen ist jedoch eine ausgeklügelte Kombination aus Artistik, Berechnung und Physik.

Traditionell, Animation war Hand gezeichnet von Künstlern, die "einige der gleichen magischen Auge, die der Renaissancemaler hatte man den Eindruck, das es realistisch beleuchtet hat," benötigt, sagt Paul Debevec, Computer Graphics Forscher an der University of Southern California. In den vergangenen zehn Jahren hat die handbemalten Animation schwand, als physikalisch basierten Simulationen immer verwendet wurden, um realistischere Beleuchtung und Bewegung zu erreichen. Trotz dieser Bewegung in Richtung Realität in Animationsfilmen, die Physik der realen Welt bleibt ein Sklave zu Zweckmäßigkeit und Kunst: Vereinfachungen und Verknüpfungen machen die Simulationen schneller und billiger, und was der Regisseur will physische Genauigkeit Trumpf.

Mehrere Schiffe kollidieren in einer dramatischen Szene in dem Film 300, dem Beginn des Jahres 2007 herauskam, heftig--ihre Rümpfe Splinter, Masten Pause Segel reißen und die Schiffe sinken. Stephan Trojansky, der auf 300 als visual-Effects-Supervisor für die deutsche Firma ScanlineVFX arbeitete, sagte nur die Schaffung des Ozeans in dieser Szene Beteiligten 128 Milliarden Elemente zu simulieren. "Wir haben wahrscheinlich die höchste Strömungssimulation Detail je benutzt in der visuellen Effekte geschaffen", sagte er.

"Für die Spaltung und Zersplitterung der Schiffe," fügte er hinzu, "Wir Splittern Technologie entwickelt. Holz bricht nicht wie einen steinernen Turm. Es beugt. Um realistische Verhalten zu erhalten, müssen Sie berücksichtigen, wie das Schiff zusammen genagelt ist. Die Physik beteiligt ist vor allem die Gleichungen, die definieren, wo das Material bricht."

Animationen von Flüssigkeiten und Feststoffen – und der Mimik und Kleidung, u. a. — verwenden Sie verschiedene Berechnungsmethoden und eine Vielzahl von Gleichungen. Aber es ist ein Kompromiss in der Push für realistischere Animationen – Annäherung an Realität erfordert immer mehr Rechenleistung und wird immer teurer. Es gibt drei gängige Methoden der Computeranimation--Pause das Objekt wird in diskreten simuliert Elemente, Sample-Punkte aus dem Objekt zu verwenden, oder erstellen Sie Zellen im Raum fixiert.

Mark Sagar, von WETA Digital, eine visuelle Effekte Unternehmen in Wellington, New Zealand, spezialisiert auf Gesichter zu simulieren. Eine Technik ist Motion-Capture, in welche Marker auf einen Schauspieler Fläche platziert sind, ihre Positionen sind bekannt für verschiedene Ausdrücke und die Positionen werden dann auf einer animierten Figur abgebildet. "Für King Kong abgebildet wir des Schauspielers Ausdrücke auf ein Gorilla", sagte Sagar.

Simuliert das Gesicht umfasst Bewegung in Form von Muskel zu interpretieren, sagte Sagar. "Wir nähern sich die detaillierte mechanische Eigenschaften lebender Gewebe Schichten und Schichten. Sie haben Bewegungsdaten und anfangen zu arbeiten, was die treibenden Kräfte sind." Modeling realistische Dehnung der Haut erfordert einiges an finite-Elemente-jeder ein kleines Stück Gewebe, "sagte er. "Sie berechnen und lösen für Kräfte an jedem Punkt und dann addieren, bis Sie eine ausgeglichene Gleichung erhalten. "Es ist nicht von einem technischen Standpunkt aus anspruchsvoll aber produziert qualitativ hochwertige Ergebnisse."

Realistische Bewegung oft zu kompliziert für Animatoren von hand machen, sagte Michael Kass, ein Forscher an der Pixar Animation Studios. "Die Ergebnisse können schrecklich und sehr teuer werden." In der ursprünglichen 1995 Toy Story sagte er, "siehst du eine Falte in der Kleidung, deshalb, weil ein Animator beschlossen, in eine Falte zu diesem Zeitpunkt. Danach haben wir beschlossen [bei Pixar] einen Kurzfilm zu versuchen, eine physikalisch basierten Kleidung-Simulation zu tun."

Die Bewegung der Kleidung als Lösung partieller Differentialgleichungen berechnet wird, sagte er. "Beginnen Sie mit einzelnen Fäden. Was sind ihre grundlegenden Eigenschaften? Dann Sie die Volumeneigenschaften prüfen wenn [sind] gewebt. Die wichtigsten physikalischen Effekte sind Dehnung, Scheren, biegen und. Zu einem gewissen Grad können Sie echte Tuch nehmen und tatsächliche Messungen zu erhalten."

Während animieren Kleidung immer noch Probleme, er sagte präsentiert: "ist es jetzt Teil einer standard Tasche Tricks. Unsere Simulationen genau genug, dass wir Kleidungsstücke mit im Handel erhältlichen Muster-machen Software entwerfen und dann sie sich bewegen haben, weitgehend wie ein Schneider in unseren virtuellen Simulationen erwarten geworden."

Animieren von Haar "in vielerlei Hinsicht einfacher als Kleidung ist es nämlich wie einzelne Fäden," sagte Kass. "Der Unterschied ist, dass Kleidung nicht wie Kleidung bewegt, es sei denn, die Fäden interagieren. In ein echtes Haar die Fäden interagieren, aber Sie können Bewegung ohne Berücksichtigung, dass überzeugend zu bekommen."

Beleuchtung ist ein weiterer Bereich, in dem Physik eine Schlüsselrolle in der Animation spielt. Für eine lange Zeit sagt Cornell University Steve Marschner, "Rendering Haut war hart. "Es würde wachsartige oder zu glatt aussehen." Das Update sei zu berücksichtigen, dass die Haut durchscheinend ist, die er und seine Kollegen "vom Blick auf ein anderes Problem herausgefunden – Rendern Marmor."

Wie bei Simulationen von Flüssigkeiten, Tuch, steifen Körper und So weiter, beinhaltet die Einbeziehung Transluzenz Modell Haut alte Physik. "In einigen Fällen haben wir die Modelle von Grund auf erstellen. Aber manchmal finden wir jemanden in einem anderen Zweig der Physik, die ein ähnliches Problem gelöst hat und wir nutzen können, was sie getan haben." Für Haut Transluzenz konnten"wir eine Lösung aus der medizinischen Physik aus einer Berechnung der Verteilung der Strahlung in der Haut anpassen, die für Laser-Therapie bei Hautkrankheiten verwendet wurde."

"Eines der coolsten Dinge, die Sie in einem Film zu sehen ist, wenn es irgendeine Art von jenseitigen Tier oder digitale Zeichen, das in der Szene unterwegs, sitzt und es sieht aus wie es wirklich dort war", sagt Debevec. "Der einzige Weg, die Sie tun können ist durch Verständnis der Physik der Lichttransport, respektieren wie Licht funktioniert in der realen Welt, und dann mit dem Computer um zu versuchen, die Differenz aus was wirklich erschossen wurde."

Zum Beispiel sagt er, "gefilmt in Narnia sie einiges davon mit den Kindern in ihre Ritter-Kostüme gekleidet und ließ einen leeren Raum für den Löwen." Dann, um den digitalen Löwen genau richtig, "Rhythmus und Hues Studios verwendet radiometrisch Kameras, um die Farbe und die Intensität der Beleuchtung aus allen Richtungen in der Szene messen kalibriert." Die Messungen, fügt er hinzu, "werden Algorithmen wurden ursprünglich in der Physik-Gemeinschaft entwickelt und angepasst worden von der Computer-Grafik-Community als eine realistische Möglichkeit, den leichten Weg simulieren um in der Szene springt zugeführt."

Ähnliche Methoden für die Erstellung von digitalen Doppel – virtuelle Stunt-Zeichen, die für live-Akteure zu füllen. Dafür Debevec sagte, "Filmstudios bringen manchmal Schauspieler hier in unserem Institut, wo wir gebaut haben, Geräte, wie eine Person oder ein Objekt zu messen, oder was auch immer Sie kleben im [Gerät], reflektiert Licht kommen aus allen möglichen Richtungen." Das resultierende Dataset, sagt er, lässt sich eine virtuelle Version der Person zu simulieren. "Es gibt etwa 40 Aufnahmen von einer digitalen Alfred Molina Dr. Otto Octavius in Spider-Man 2 zu spielen. Es sieht wie er, aber es ist eine animierte Figur. Die Reflexion von der Haut sieht realistisch, mit seiner Textur, Transparenz und Glanz, da es alle auf Messungen des realen Schauspieler beruht."

"Wir selten mehr als zwei indirekte springt der Beleuchtung simulieren während in Wirklichkeit Licht nur um bouncing hält," setzte Debevec. "Mit keine springt, sieht viel zu spartanisch und die Schatten sind zu scharf." Eine Bounce füllt vielleicht drei Viertel des fehlenden Lichtes, und mit zwei springt man in der Regel über 95 %. "Das ist gut genug." Eine andere Verknüpfung, fügt er hinzu, ist nur die Lichtstrahlen konzentrieren, die am Auge landet. "Wir versuchen, die Cheats herauszufinden, können Sie machen, die Ihnen Bilder geben, die richtigen aussehen."

"Es gibt eine lange Tradition des Betrugs möglichst viel" sagte Marschner, "weil eine exakte Simulation einrichten entweder nicht möglich oder zu teuer ist." "Wir Physik verwenden um Realismus," sagte Trojansky. "Aber ich bin ein Physik-Betrüger. Ich benutze es als Basis, aber ich interessiere mich für die visuelle Wirkung."

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Anmerkung der Redaktion: Ist eine bearbeitete Fassung eines Artikels, die in der November 2007 Ausgabe des Physics Today Magazin erschienen. Es wird hier mit freundlicher Genehmigung veröffentlicht.