Физика и математика анимации: как фантазии воплощаются в реальность
На сегодняшний день практически любое зрелищное кино не обходиться без компьютерной графики. С её помощью делают всё - от добавления толп массовки в "Гладиаторе", до моделирования гигантской виртуальной биты в "Игре престолов".
Однако как известно, для того, чтобы отснять действительно качественный фильм требуется очень много времени и денег. Поэтому в своё время режиссёры и продюсеры решили призвать учёных, надеясь на то, что именно они с помощью математических уравнений и компьютерной графики смогут делать в области спецэффектов то, что нужно кинематографии, причём весьма реалистично и сравнительно недорого.
Первым результатом, было решение проблемы автоматизации перемещений простых объектов, таких как мяч или звездолёт. Физика и математика таких движений была очень проста, поэтому рассчитать перенос объекта на новую позицию для каждого последующего кадра было довольно простой задачей.
Со временем, аналогичным образом начали использовать всем известные ньютоновские законы движения (почитать можно здесь). Которые в анимационных фильмах применялись в значительно упрощённом варианте, что позволяло сэкономить время и конечно же деньги.
Конечно компьютерная анимация ограничена нашим пониманием физического мира, но от спецэффекта ведь и не требуется правильно воплощение абсолютно всех физических законов. Здесь задача совсем другая - сделать нечто такое, что выглядело бы натурально и стоило настолько дёшево, насколько это вообще возможно.
Но некоторые явления из повседневной жизни: движение воды, облаков, дыма - всё-таки создавали массу проблем при компьютерном моделировании. И для того, чтобы сделать эти изображения более реальными, использовалось несколько методов:
- Первый - попытаться подступиться к решению задачи с большим и довольно загадочным уравнением, представляющим поведение всей этой массы. Или же рассматривать данный объект как скопление имеющее форму фрагментов.
- Второй - это ответвление области исследований, известной как вычислительная гидродинамика, который более практичен в использовании.
Поэтому, для моделирования "естественного разнообразия" аниматоры решили адаптировать методы используемые в физике, разбивающие пространство занятое жидкостью на множество небольших обьёмов, каждый из которых обрабатывался по отдельности.
Для каждого такого объёма в каждом кадре вычислялась сила, действующая между фрагментом и его соседями, а также прочие внешние силы такие как - гравитация. А затем исходя из результатов, программа определяла скорость и давление, которое должна иметь жидкость в центре любой ячейки. Затем чтобы изобразить движение, программа рассматривала занятое жидкостью пространство как тысячи частиц, случайным образом разбросанных по компонентам-ячейкам.
Далее программа рассчитывала промежуточные скорости в этих точках и устанавливала куда переместить все эти частицы в следующем кадре. После чего программа использовала эти координаты для построения гладкой поверхности изображающей жидкость. Настоящие жидкости в реальности не действуют подобным образом, однако такой метод давал весьма реалистичные эффекты.
Виртуальное "растрёпывание"
Возможности полного воссоздания на компьютере трёхмерного мира художники-аниматоры нередко считают благом и проклятием одновременно:
- С одной стороны тщательное воспроизведение персонажей и окружающей их обстановки делает возможной съёмку из любого ракурса и позволяет легко манипулировать героями с помощью команд.
- А с другой, практически всё в каждой сцене должно иметь аккуратнейшим образом определённые физические характеристики и границы, чтобы не было никаких взаимных наложений и пересечений.
Однако если создание реалистичной обстановки, доставляло много проблем. То воссоздание реалистичных мягких или пушистых тканей и вовсе могло повергнуть любого аниматора, в состояние близкое к отчаянию. Ведь такие обьекты двигаются и отражают свет настолько сложно, что порой воспроизведение их динамики кажется совсем невозможной.
Поэтому для максимально реалистичного оживления персонажей наподобие той рыбки Spryke из видео выше, профессиональные аниматоры используют специальные программы реализующие законы физики. Одной из таких программ является FIZT - сокращение от physic tool, которая принимает в учёт абсолютно всё: гравитацию, ветер, воздействие воды и тумана, влияние столкновений друг с другом.
В фильмах подобная программа использовалась для рисования персонажа голышом - рисовался скелет персонажа или героя, который состоял из множества костей или пружинок. А затем материал передавался в руки группе симуляции, которая одевала персонажа в "цифровую шкуру" или одежду, добавляла складки, блики, тени. Такой своеобразный процесс и называется виртуальным "растрёпыванием".
Главная проблема
И всё же самая сложная вещь в анимации - это воспроизведение людей. С этим утверждением согласиться наверное практически каждый, кто работает в графической индустрии. Даже не говоря о тончайших нюансах в изображении человеческого лица, ни одна программа до сих пор не способна адекватно моделировать с помощью уравнений естественные движения тела.
Поэтому задача воссоздания живого существа всегда будет сложнее, нежели чем пассивные симуляции динамики жидкостей. Да и людей очень трудно анимирировать по той причине, что мы весьма нетривиально устроены. Ведь заставить правильно и натурально морщиться кожу или создать впечатление сокращающихся под ней мускулов - очень сложно.
Но самым чрезвычайно существенным неудобством является и то, что за миллионы лет эволюции мы стали чрезвычайно искушёнными в анализе особенностей лиц и тел. Например многие из нас без труда смогут отличить фальшивую улыбку от настоящей - однако программе этого не обьяснишь ...
Поэтому для того, чтобы заставить персонажа двигаться, аниматоры используют программы, представляющие объект как сборную модель из отдельных частей тела, например - Anime Studio. Где большая матрица чисел определяет, каким образом все эти части совместно перемещаются в пространстве и каковы ограничения налагаемые на каждую из частей.
В каком-то смысле аниматоры действуют подобно кукловодам, воздействуя на контрольные точки, предоставляемые программой анимации, для перемещения частей виртуального тела или для добавления выразительных мимических выражений лица. Самый простой персонаж в этом случае может иметь 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.
Реализовывая свой проект, никогда не следует забывать, что главная задача любого фильма, мультика, игры - это рассказ истории. Ведь в технически сложном анимационном проекте можно запросто перестараться, принеся в жертву основу самого проекта - сам рассказ. И тогда, несмотря на все чудеса компьютерной графики, проект окажется безнадёжно провальным.