Inside Movie Animation: Simulation Von 128 Milliarden Elementen

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Visueller realismus zu erreichen, ist das ziel des animierten filmemachens.

Haben Sie sich jemals gefragt, wie animierte Filme wie The Incredibles Haare, Kleidung, Wasser, Pflanzen und andere Details so realistisch aussehen lassen? Oder wie, wie der Löwe in The Chronicles of Narnia, animierte Charaktere zu Live-Action-Filmen verarbeitet werden? Wenn nicht, würden sich die Animateure freuen, da sie nicht wollen, dass Spezialeffekte von der Geschichte ablenken. Hinter den Kulissen verbirgt sich jedoch eine ausgeklügelte Kombination aus Artistik, Berechnung und Physik.

Die Animation wurde traditionell von Künstlern gezeichnet, die "dasselbe magische Auge hatten, das die Maler der Renaissance hatten, um den Eindruck zu erwecken, dass sie realistisch beleuchtet ist", sagt Paul Debevec, ein Computergraphiker an der University of Southern California. In den letzten zehn Jahren war die handgemalte Animation verblasst, da zunehmend auf physikalisch basierende Simulationen zurückgegriffen wurde, um eine realistischere Beleuchtung und Bewegung zu erreichen. Trotz dieser Bewegung zur Realität in Animationsfilmen bleibt die Physik der realen Welt eine Sklavin für Zweckmäßigkeit und Kunst: Vereinfachungen und Abkürzungen machen die Simulationen schneller und billiger, und was der Regisseur will, übertrifft die physische Genauigkeit.

In einer dramatischen Szene des Films 300, die Anfang 2007 herauskam, kollidieren mehrere Schiffe heftig - ihre Rümpfe splittern, Masten brechen, Segel zerreißen und die Schiffe sinken. Stephan Trojansky, der bei 300 als Visual Effects Supervisor für das deutsche Unternehmen ScanlineVFX tätig war, sagte, dass der Aufbau des Ozeans in dieser Szene die Simulation von 128 Milliarden Elementen betraf. "Wir haben wahrscheinlich das höchste Details der Flüssigkeitssimulation erstellt, das jemals für visuelle Effekte verwendet wurde", sagte er.

"Für das Brechen und Zersplittern der Schiffe", fügte er hinzu, "haben wir eine Splittertechnologie entwickelt. Holz bricht nicht wie ein Steinturm. Er biegt sich. Um realistisches Verhalten zu erzielen, muss man berücksichtigen, wie das Schiff zusammengenagelt wird Bei der Physik handelt es sich hauptsächlich um Gleichungen, die definieren, wo das Material zerbrechen wird. "

Animationen sowohl von Flüssigkeiten als auch von Körpern - unter anderem von Gesichtsausdrücken und Kleidung - verwenden verschiedene Berechnungsmethoden und eine Reihe von Gleichungen. Es gibt jedoch einen Kompromiss im Drang nach realistischeren Animationen - die Annäherung an die Realität erfordert immer mehr Rechenleistung und wird immer teurer. Es gibt drei häufig verwendete Methoden der Computeranimation: Unterteilen Sie das simulierte Objekt in einzelne Elemente, verwenden Sie Abtastpunkte des Objekts oder erstellen Sie feste Zellen im Raum.

Mark Sagar von WETA Digital, einem Unternehmen für visuelle Effekte in Wellington, Neuseeland, ist auf die Simulation von Gesichtern spezialisiert. Eine Technik ist die Bewegungserfassung, bei der Marker auf das Gesicht eines Schauspielers gesetzt werden, ihre Positionen für verschiedene Ausdrücke notiert werden und die Positionen dann einem animierten Charakter zugeordnet werden. "Für King Kong haben wir die Äußerungen des Schauspielers auf einen Gorilla abgebildet", sagte Sagar.

Um das Gesicht zu simulieren, muss man die Bewegung in Bezug auf die Muskeln interpretieren, sagte Sagar. "Wir nähern uns den detaillierten mechanischen Eigenschaften von lebendem Gewebe und seinen Schichten und Schichten. Sie haben Bewegungsdaten und beginnen herauszufinden, was die treibenden Kräfte sind." Um eine realistische Dehnung der Haut zu modellieren, sind viele finite Elemente erforderlich - jedes ein kleines Stück Gewebe. Sie berechnen und berechnen die Kräfte an jedem Punkt und summieren sich dann, bis Sie eine ausgeglichene Gleichung erhalten. Es ist vom technischen Standpunkt aus nicht anspruchsvoll, liefert aber qualitativ hochwertige Ergebnisse. "

Realistische Bewegungen sind für Animatoren oft zu kompliziert, als dass sie von Hand ausgeführt werden könnten, sagte Michael Kass, Forscher in den Pixar Animation Studios. "Die Ergebnisse können schrecklich und sehr teuer sein." In der ursprünglichen Toy Story aus dem Jahr 1995 sagte er: "Wenn Sie eine Falte in der Kleidung sehen, liegt das daran, dass sich ein Animator zu diesem Zeitpunkt dazu entschieden hat, eine Falte einzuarbeiten. Danach entschlossen wir uns bei Pixar, einen kurzen Film zu machen, um es zu versuchen eine physikalisch basierte Kleidungssimulation durchführen. "

Die Kleidungsbewegung werde als Lösung für partielle Differentialgleichungen berechnet, sagte er. "Sie fangen mit einzelnen Fäden an. Was sind ihre grundlegenden Eigenschaften? Dann berücksichtigen Sie die Volumeneigenschaften, wenn sie gewebt werden. Die hauptsächlichen physischen Effekte sind Dehnen, Scheren und Biegen. Bis zu einem gewissen Grad können Sie echte Stoffe nehmen Holen Sie sich aktuelle Messungen. "

Während die Animation von Kleidungsstücken immer noch Probleme bereitet, sagte er: "Es ist jetzt Teil einer Standardtasche voller Tricks. Unsere Simulationen sind so genau, dass wir Kleidungsstücke mit handelsüblicher Musterherstellungssoftware entwerfen und sie dann so bewegen können, wie es ein Schneider erwarten würde in unseren virtuellen Simulationen. "

Das Animieren von Haaren "ist in vielerlei Hinsicht einfacher als das Ankleiden, weil es wie einzelne Fäden ist", sagte Kass. "Der Unterschied ist, dass sich Kleidung nicht wie Kleidung bewegt, es sei denn, die Fäden interagieren. In einem echten Haarkopf interagieren die Fäden, aber Sie können überzeugende Bewegungen erzielen, ohne dies zu berücksichtigen."

Die Beleuchtung ist ein weiterer Bereich, in dem die Physik eine wichtige Rolle bei der Animation spielt. Für eine lange Zeit, sagt Steve Marschner von der Cornell University, "war das Rendern von Haut hart. Sie würde wachsartig oder zu glatt aussehen." Die Lösung bestand darin, zu berücksichtigen, dass die Haut durchscheinend ist, was er und seine Kollegen herausfanden, weil sie sich ein anderes Problem angesehen hatten - Marmor zu rendern.

Wie bei Simulationen von Flüssigkeiten, Stoffen, steifen Körpern usw. beinhaltet die Einbeziehung von Transluzenz in die Hautmodellierung alte Physik. "In einigen Fällen müssen wir die Modelle von Grund auf erstellen.Aber manchmal finden wir jemanden in einem anderen Zweig der Physik, der ein ähnliches Problem gelöst hat, und wir können das, was er getan hat, nutzen. "Für Hautdurchlässigkeit" konnten wir eine Lösung aus der Medizinphysik anpassen, durch eine Berechnung der Strahlungsverteilungen im Inneren die Haut, die zur Lasertherapie bei Hautkrankheiten verwendet wurde. "

"Eines der coolsten Dinge, die man in einem Film sieht, ist, wenn ein Tier aus einer anderen Welt oder ein digitaler Charakter in der Szene sitzt und herumstreift und es so aussieht, als wäre es wirklich da gewesen", sagt Debevec. "Die einzige Möglichkeit, dies zu erreichen, ist, die Physik des Lichttransports zu verstehen, die Lichtwirkung in der realen Welt zu respektieren und dann Computer zu verwenden, um zu versuchen, den Unterschied von dem, was tatsächlich geschossen wurde, auszugleichen."

Zum Beispiel, sagt er, in Narnia "haben sie viele davon mit den Kindern in ihren Ritterkostümen gefilmt und einen leeren Raum für den Löwen gelassen." Um den digitalen Löwen genau richtig zu machen, "verwendeten Rhythm and Hues Studios radiometrisch kalibrierte Kameras, um die Farbe und Intensität der Beleuchtung aus allen Richtungen der Szene zu messen." Er fügt hinzu, dass die Messungen "in Algorithmen eingespeist werden, die ursprünglich in der Physik-Community entwickelt wurden und von der Computer-Grafik-Community als realistische Methode zur Simulation des Aufpralls von Licht in der Szene angepasst wurden."

Ähnliche Methoden werden für die Erstellung digitaler Doppel verwendet - virtuelle Stuntcharaktere, die sich für Live-Darsteller ergeben. Dazu sagte Debevec: "Filmstudios bringen manchmal Schauspieler hier zu unserem Institut, wo wir Geräte gebaut haben, um zu messen, wie eine Person oder ein Objekt oder was auch immer Sie in [dem Gerät] stecken, Licht aus allen möglichen Richtungen reflektiert." Der daraus resultierende Datensatz kann verwendet werden, um eine virtuelle Version der Person zu simulieren. "Es gibt ungefähr 40 Aufnahmen eines digitalen Alfred Molina, der in Spider-Man 2 Dr. Otto Octavius ​​spielt. Es sieht aus wie er, aber es ist eine animierte Figur. Die Reflexion der Haut sieht realistisch aus, mit ihrer Textur, Transparenz und ihrem Glanz. da alles auf Messungen des echten Schauspielers basiert. "

"Wir simulieren selten mehr als zwei indirekte Beleuchtungshübe, während das Licht in Wirklichkeit einfach nur herumhüpft", fuhr Debevec fort. "Ohne Absprünge sehen die Dinge viel zu spartanisch aus, und die Schatten sind zu scharf. Ein Absprung füllt vielleicht drei Viertel des fehlenden Lichts aus, und mit zwei Abprallern sind Sie normalerweise über 95%. Das ist gut genug." Eine weitere Abkürzung, fügt er hinzu, ist, sich nur auf die Lichtstrahlen zu konzentrieren, die am Auge landen. "Wir versuchen herauszufinden, welche Cheats Sie machen können, um Ihnen Bilder zu geben, die richtig aussehen."

"Es ist eine lange Tradition, so viel wie möglich zu schummeln", sagte Marschner, "weil das Einrichten einer exakten Simulation entweder nicht möglich oder zu teuer ist." "Wir verwenden Physik, um Realismus zu erreichen", sagte Trojansky. "Aber ich bin ein Physik-Betrüger. Ich benutze es als Basis, aber ich interessiere mich für den visuellen Effekt."

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Anmerkung des Herausgebers: Dies ist eine bearbeitete Version eines Artikels, der im November 2007 der Zeitschrift Physics Today erschien. Es wird hier mit Erlaubnis neu veröffentlicht.


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