Содержание
- Красавица и компьютерщик
- Исправления симуляции
- Развитие разрушения
- Деформируемые переломы
- Перфоратор и цифровой мультиметр
- Тетраэдрический конечный элемент
- Как работает DMM
- Исследование О’Брайена
Реальность в большинстве случаев открыта для интерпретации. Точное моделирование того, какой вес мост может безопасно выдержать во время землетрясения, может означать разницу между жизнью и смертью. Симуляция военной подготовки может включать в себя фальшивый взрыв машины с разбросанными наемными кричащими залитыми кровью инвалидами и фальшивыми конечностями, или форсирование войск через фальшивый город, наполненный синтезированным запахом гниющих трупов.
На самом деле, машина, упавшая с этого моста, редко взорвалась; на самом деле они были тщательно разработаны, чтобы избежать таких реакций. Джеймс О’Брайен, профессор компьютерных наук Калифорнийского университета в Беркли, говорит: «Они могут быть скомканы, могут быть превращены в неузнаваемую кучу хлама, но они почти никогда не взрываются».
То же самое и с взрывающейся ручной гранатой. «Когда вы бросаете гранату в фильме, это вызывает фантастическое извержение огня. В реальном мире действительно страшно, как мало оно, кажется, делает. Есть небольшой клуб дыма, который выглядит очень не впечатляюще, но в десяти футах от него кто-то просто упадет замертво ". Но с точки зрения аудитории, из этого блокбастера не получится.
Развлечения имеют тенденцию подталкивать реальность, а не воссоздавать ее. И по иронии судьбы, после столетия кино люди привыкли ожидать зрелища, часто до такой степени, что ложная информация воспринимается как правдивая, а реальное зрелище - неточным и скучным.
Тем не менее, независимо от того, как настраивается реальность, если фильм является живым, каждый эффект должен быть правдоподобным, а это означает понимание физики реального мира, управление симуляциями, которые пытаются имитировать правильную физику, а затем изменение этих симуляций. чтобы получить должные драматические результаты.
Красавица и компьютерщик
Представьте себе такой сценарий: симуляция безупречна и ведет себя точно так же, как и должна в реальном мире. Ткань колышется и растягивается, когда накидка развевается на ветру. Супермен запускает ракеты над землей, в последнюю секунду подтягивается, ударяется о землю и останавливается на обеих ногах. Это драматический момент, основная сцена, в которой зрители хватаются за подлокотники театра. И пока Супермен угрожающе кладет кулаки на бедра и смотрит вниз на своих врагов, плащ продолжает свое движение, переворачиваясь через его голову.
Очевидно, это не желаемый эффект, но какие изменения необходимы, чтобы сохранить ощущение реализма при имитации реакции плаща? Супермен летит вперед на большой скорости и резко останавливается. Импульс плаща заставил бы его двигаться вперед, поскольку он не испытал тех же сил торможения, что и тело; он соединен в плечах, поэтому только эта точка соединения была замедлена, а остальная часть плаща может двигаться дальше. Чтобы решить эту проблему, TD, работающий над симуляцией, должен будет применить искусственные силы, такие как ветер или булавки, или просто противодействовать движению вперед.
Исправления симуляции
Разрушающееся здание могло быть скрыто в пыли, что потребовало моделирования, которое манипулировало обломками, приближающимися к камере, сохраняя здание в поле зрения. Разрез непрерывности, который требует, чтобы объект приземлился в определенном месте, где он не приземлился бы, если бы оставил только физику. Камера и сила тяжести заставляют объекты выглядеть так, будто они падают слишком быстро или слишком медленно.
Все эти сценарии требуют какого-то читерства.Хотя физически обоснованное моделирование может быть научно точным, чаще всего физические модели работают против процесса. Бен Коул - ведущий разработчик Kali, программного обеспечения для моделирования MPC. Kali была создана на основе программного обеспечения Pixelux, DMM (Digital Molecular Matter).
Решатель Pixelux определенно разработан для работы с величинами, которые соответствуют реальным значениям и дают очень реалистичный результат.
Kali использует подход, основанный на конечных элементах, и представляет собой очень физически точную систему моделирования. «Решатель Pixelux определенно разработан для работы с величинами, которые соответствуют реальным значениям и дают очень реалистичный результат, - говорит Коул, - но работа, которую мы проделали по интеграции их API, не сводилась только к цифрам. Речь шла о создании инструмент, которым могли пользоваться и управлять технические директора в контексте VFX, давая им доступ ко всей этой богатой и мощной физике ».
Развитие разрушения
Для эффектов разрушения в фильме используются два вида моделирования физики: твердое тело и конечный элемент.
Разрушение жесткого тела физически неточно; моделирование не может обрабатывать изгиб, изгиб или реалистичное разрушение материалов. Связи ограничений твердого тела могут быть разорваны в зависимости от сил или связности по сценарию. Всего шесть степеней свободы - три измерения движения, три степени вращения. Жесткие тела не допускают деформации или изгиба. Для твердых объектов, таких как камень, поведение приемлемо, но когда ожидается деформация материала, результаты будут менее привлекательными.
Для сравнения, разрушение методом конечных элементов имеет переменную степень свободы. Метод конечных элементов, или FEM, система, которая имеет определенный набор материальных параметров, может быть способна уловить более широкий диапазон явлений, но в зависимости от лежащих в ее основе допущений, все равно будут другие вещи, которые будет нелегко смоделировать. «По моему мнению, инструменты моделирования с большей степенью свободы и большим пространством параметров неизбежны, - говорит Коул, - поскольку они позволяют создавать гораздо более широкий диапазон эффектов.
Однако сбор необходимой информации и настройка параметров этого моделирования становится все более сложным процессом. Кроме того, нам часто нужно заставить вещи вести себя так, как это могло бы быть не в реальности, потому что реальность может не соответствовать видению режиссера. В конце концов, больше всего нас направляют глаза супервайзеров и технических специалистов ".
Рассмотрим пример с мысом: в настоящее время TD часто проще добавлять искусственные ограничения к своим симуляциям, такие как немотивированные силы или другие ключевые кадры или процедурные модификации, чем пытаться работать с все более точными представлениями природы.
Инструменты моделирования с большим количеством степеней свободы и большим пространством параметров неизбежны.
Многие студии по-прежнему проводят большую часть своих симуляций с твердыми телами, например, и предпочитают обмануть или аппроксимировать не представленные свойства, вместо того, чтобы работать со строго физической моделью. Даже при моделировании МКЭ дополнительные степени свободы и более точная физика могут не делать то, что хочет технический директор, и поэтому их нужно будет ограничить или иным образом отрегулировать.
Деформируемые переломы
Все началось с докторской диссертации 1999 года, опубликованной в Siggraph, написанной доктором Джеймсом О'Брайеном и его научным руководителем Джессикой Ходжинс. В этой статье «Графическое моделирование и анимация хрупкого разрушения» была разработана оригинальная методика моделирования разрушения, используемая в DMM и Kali. Соучредители Pixelux Эрик Паркер, Вик Сохал и Митчелл Баннелл связались с Джеймсом, профессором Калифорнийского университета в Беркли и наиболее продвинутым специалистом в этой области, о создании программного обеспечения для его работы.
В то время процесс был очень медленным, на запуск моделирования уходили дни. "Когда я работал в Технологическом институте Джорджии в качестве аспиранта, я использовал рабочую станцию SGI за полмиллиона долларов на своем столе, а симуляторы работали в машинном отделении на больших машинах Origin; размер холодильника с несколькими процессоров и оценивался в несколько миллионов долларов. У меня было пять гигабайт дискового пространства », - говорит О'Брайен. Но новой целью было запускать видеоигры в реальном времени на Xbox 360, а также создать немного другую оптимизированную версию. двигателя тот же MPC, что и сейчас, и так родился DMM.
Перфоратор и цифровой мультиметр
У клиента MPC, директора Sucker Punch Зака Снайдера, были последовательности, требующие усовершенствованной системы конечных элементов с необычно продвинутой технологией разрушения. MPC рассматривала возможность написания собственного решения, но исследования привели к публикации Эрика Паркера и Джеймса О'Брайена, в которой описывалось программное обеспечение цифрового мультиметра Pixelux, и студия воспользовалась возможностью, чтобы потенциально сэкономить много времени.
По словам Вика Сохала: «Мы разработали цифровой мультиметр для видеоигр, но MPC хотели использовать его для фильмов». Это была непростая задача, которая потребовала переноса DMM на 64-битный Linux и изменения некоторых внутренних структур данных, чтобы сделать его жизнеспособным для очень большого количества тетраэдрических элементов.
«Для игр DMM мог моделировать около 3000 элементов в реальном времени. В автономном режиме плагин MPC Maya мог обрабатывать около 300000 элементов. Но для своего высококачественного уничтожения пленки MPC хотел довести это до миллиона элементов, практически без ограничений по процессорам или память ".
Тетраэдрический конечный элемент
Любой 3D-художник знаком с сеткой, двумерным многообразием, обернутым вокруг трехмерного объекта, представляющим поверхность этого объекта, но конечные элементы представляют внутреннюю часть; объем внутри. Метод тетраэдрических конечных элементов - это метод моделирования, который является простым решением более сложной проблемы.
Одиночный тетраэдр (тет) - это просто тип элемента - пирамида с трехсторонним основанием, самая простая возможная трехмерная форма. По словам О'Брайена, «конечный элемент означает разбиение объекта на конечное или ограниченное число отдельных отдельных элементов, тысячи или даже миллионы отдельных тетраэдров, каждый из которых имеет уравнения, рассказывающие им, как двигаться и вести себя. Какие бы свойства материала ни были. присваиваются отдельным тетраэдрам, будь то резина, металл или что-то еще, структура, образованная из этих тетраэдров, будет вести себя так, как если бы это был твердый объект, сделанный из этого материала ».
Каждый тетраэдр может деформироваться ограниченным образом, но соединенные вместе, вы получаете структуру, которая может деформироваться и изгибаться довольно сложным набором способов. Например, если вы растягиваете тетраэдр в другую форму, вы можете описать, как он реагирует на внутренние силы, пытающиеся вернуть его к исходной форме. Если бы каждый тетраэдр не допускал гибкости, они были бы жесткими, и поэтому результаты были бы жесткими, без упругой энергии.
Это будет моделирование твердого тела. Когда вы используете моделирование твердого тела и не моделируете или не сохраняете внутреннюю упругую энергию, методы твердого тела дают вам результаты, похожие на падение блоков в кучу. Один выглядит как реальный эффект, другой - как эффект из мультфильма Тома и Джерри. Джерри бьет Тома по зубам, и они вылезают из его рта на пол. В нем нет напряжения.
Другой пример - это постепенное сгибание деревянного карандаша, сгибание его в сторону изогнутой формы, пока он не достигнет точки разрыва. Когда он ломается, части, которые ранее были изогнуты, теперь могут свободно переворачиваться и вылетать наружу, пытаясь выпрямиться. Это потому, что энергия, которая была сохранена в этой изогнутой форме, высвобождается, она проявляется в виде упругой энергии, бросающей кусочки, бросая карандаш, ломаясь в нескольких местах, когда осколки и кусочки летят наружу.
Та же логика применима и к стеклу, и (кроме безопасного стекла) является причиной того, что так редко можно увидеть, как трещина остановится на полпути вместо того, чтобы перейти к другому краю. Причина в том, что на микроскопическом уровне стекло реагирует так же, как карандаш. Когда стекло деформируется настолько, что начинает разбиваться, энергия, запасенная в изогнутом стекле, отбрасывает осколки с любой стороны от разрыва, продвигая трещину дальше через стекло.
А теперь представьте, что бьете молотком по стеклу. Даже если эта накопленная энергия не видна на макроскопическом уровне, если у вас нет такого поведения изгиба, смоделированного в вашей форме, реакцией не будет стекло, летящее, как вы могли бы ожидать. Вместо этого стекло разваливалось на мелкие кусочки, которые аккуратно падали кучей на пол. В результирующих эффектах отсутствует динамизм, и они не обладают таким же чувством энергии.
Почему это важно? Возвращаясь к примеру с карандашом, если вы наклоните этот карандаш к своему лицу, вы почувствуете это накопленное напряжение и поймете, что летящие к вам в глаза занозы будут опасны. Вы вздрагиваете, прищуриваетесь, поворачиваете голову в ожидании. Если бы этой энергии не было, ваш ответ был бы совершенно другим.
Точно так же вы хотите, чтобы аудитория осознавала опасность, улавливаемую тонкими визуальными очередями, встроенными в человеческое подсознание, даже если они не могут понять, почему одна ситуация имеет большее влияние, чем практически идентичная ситуация.
Без добавления этого напряжения в результате эффекты будут выглядеть немного мягкими. В одной сцене это летящая шрапнель, в другой - летящий картон. Как и в случае с миллионами тетраэдров, причины едва различимы, но разные результаты складываются.
Как работает DMM
DMM моделирует напряжение внутри каждого тетраэдра, а затем вычисляет это напряжение на основе ряда параметров. Например, параметр «вязкость» материала определяет, какое напряжение может выдержать пересечение узла тетради перед тем, как оно разделится.
У пластичности тоже много аспектов. Объекты могут вести себя в соответствии с физикой реального мира или могут быть настроены на любое количество неожиданных поведений. Подобно тому, как на съемочной площадке может быть «каменная» стена из пенополистирольных блоков, регулировка таких параметров, как плотность или прочность, может иметь тот же эффект. Можно также изменить способ его схлопывания, заставляя его странным образом изгибаться или расширяться при падении.
С помощью цифрового мультиметра, если вы достаточно замощите объем, вы получите более точное приближение к типу материала, который моделируете, включая более естественный узор изломов. Это интуитивно понятный результат, похожий на построение модели с меньшими и меньшими деталями. С большими частями вам не хватает деталей, с меньшими частями детали неявны.
В случае цифрового мультиметра разрушение методом конечных элементов предлагает градусы поворота и перемещения, а также 14 различных параметров материала, которые регулируют реакцию каждой стойки на напряжение. Количество тетов также влияет на реалистичность вашей симуляции. Если моделирование твердого тела может иметь семь степеней свободы, то моделирование методом конечных элементов может иметь тысячи или даже миллионы.
В 2009 году в SCA была опубликована статья Паркера и О'Брайена «Деформация и разрушение в реальном времени в игровой среде», посвященная технологии цифрового мультиметра.
Исследование О’Брайена
О’Брайен продолжает свои исследования в Калифорнийском университете в Беркли. Он и команда продвинутых студентов работают над треугольным моделированием с использованием треугольных элементов. Например, разрушение модели, которая не является твердым объемом - возможно, такой поверхности, как стеклянное окно - это будет быстрее и эффективнее, чем тетраэдры, и, возможно, лучше, чем все, что доступно в настоящее время.
Программное обеспечение с открытым исходным кодом, которое в настоящее время разработано с учетом кинематографии, называется ARCSim (Adaptive Refining and Coursing Simulation) и доступно в Интернете для использования здесь. Это обсуждалось в двух разных статьях: одна, Adaptive Anisotropic Remeshing for Cloth Simulation (Siggraph Asia 2012), которая фокусируется на моделировании ткани, а другая, Folding and Crumpling Adaptive Sheets (Siggraph 2013), которая сосредоточена на моделировании, требующем формирования складок, например складная бумага.
Это не ограничивает пользователя постоянной триангуляцией; вместо этого он динамически регулирует и уточняет поверхность по мере движения персонажа, добавляя треугольники по мере необходимости, представляя морщины и складки с более высоким разрешением и более высокой детализацией.
Используя тот же код моделирования с добавленными расширениями, вторая бумага обеспечивает реалистичное смятие с резкими складками, например, на бумаге или алюминиевой фольге. Несколько других университетов уже строят свои исследования на основе этого кода.
Еще неопубликованная работа доктора и студента использует тот же механизм адаптивного уточнения сетки, чтобы получить распространение трещин с очень высоким разрешением в тонких оболочках, таких как яичная скорлупа или рождественские украшения, которые будут неотличимы от реальности .
ARCSim вычисляет, где должны появиться трещины, складки или складки, и добавляет детали там, где это необходимо, без дополнительной дискретизации. «Одна из моих целей в этом наборе работ - не видеть треугольники, чтобы вы не осознавали, что это полигональный режим», - говорит О’Брайен. "Время моделирования очень быстрое; имитация орнамента может занять полчаса.
Причина в том, что для других методов может потребоваться смехотворное количество треугольников - например, 500 000 - в то время как этот метод может использовать 10 000 или меньше. Большинство треугольников большие и покрывают широкую область, и только уточняйте область, необходимую в период, когда требуется высокий уровень детализации. Когда в этом отпадет необходимость, эти прекрасные треугольники снова увеличатся до больших ".
Слова: Рене Данлоп
Рене Данлоп более 20 лет проработала сценаристом, творческим и техническим писателем, художником 2D и 3D. Она является редактором книги «Основы производства фильмов и игр». Эта статья впервые появилась в 180-м выпуске 3D World.
