Moviemaking efterligner naturen for kreativ kontrol og et mere realistisk udseende

En ny teori baseret på fysikken om skydannelse og neutronspredning kunne hjælpe animatorer med at skabe mere naturtro film, ifølge en Dartmouth-ledet undersøgelse. Software udviklet ved hjælp af teknikken fokuserer på, hvordan lys interagerer med mikroskopiske partikler for at udvikle computergenererede billeder.

Forskere fra Pixar, Disney Research, ETH Zürich og Cornell University bidrog til undersøgelsen. Et forskningspapir, der beskriver fremskridtet, vil blive offentliggjort i tidsskriftet Transactions on Graphics og præsenteret på SIGGRAPH Asia, finder sted fra 4.-7. december i Tokyo, Japan.

Objekter som skyer indeholder milliarder af individuelle vanddråber, som ikke er praktiske at plotte i computergrafik til filmscener. Som resultat, nuværende teknikker tillader kun kunstnere at specificere tætheden af ​​partikler i hver del af en sky for at definere dens form og udseende. Eksisterende systemer tillader ikke nogen kontrol over, hvordan partiklerne faktisk er arrangeret i forhold til hinanden.

"Ved kun at kontrollere tætheden, nuværende teknikker antager grundlæggende, at partiklerne er arrangeret tilfældigt, uden indbyrdes afhængighed, " sagde Wojciech Jarosz, en assisterende professor i datalogi ved Dartmouth College, der forestod forskningen. "Men denne begrænsning kan have en dramatisk effekt på det endelige udseende."

I virkeligheden, partikler er ikke altid tilfældigt arrangeret. De kan klumpe sammen eller spredes jævnt fra hinanden, afhængig af materialetypen. At forstå, hvordan partikler er arrangeret, og hvordan lys interagerer med dem, giver en række nye kunstneriske muligheder for filmskabere.

"Der er en hel række af dramatisk forskellige optrædener, som kunstnere bare ikke kunne udforske før nu, " sagde Jarosz. "Tidligere, kunstnere havde grundlæggende én kontrol, der kunne påvirke udseendet af en sky. Nu er det muligt at udforske en langt rigere palet af muligheder, en forandring, der er lige så dynamisk som overgangen fra sort-hvide billeder til farve."

I Dartmouth-undersøgelsen, forskere sammenlignede, hvordan en lysstråle bevæger sig gennem et materiale, der består af tilfældigt arrangerede partikler, med, hvordan den bevæger sig gennem et materiale, der består af partikler, der er mere naturligt ordnede. Holdet tog et gennemsnit af resultaterne af millioner af forsøg, der demonstrerede, hvor langt fotoner bevæger sig, før de slår ind i partikler eller andre objekter.

Normalt, en graf, der modellerer, hvordan fotoner bevæger sig gennem et materiale med uafhængigt arrangerede partikler, fremstår som en jævn, "eksponentiel" kurve, der indikerer, at lys falder jævnt af, mens det bevæger sig. Når partikler klumper sig sammen, som i en sky, fotoner overlever i gennemsnit længere afstande, resulterer i en kurve med en længere hale.

Ikke kun er resultatet spændende i matematiske modeller, holdet programmerede opdagelsen til software, der vil give kunstnere mulighed for at skabe en bredere vifte af udseende ved at tilpasse, hvordan lys bevæger sig gennem "volumetriske materialer" som skyer, tåge, tåge, en marmor statue, eller vores egen hud.

Vigtigt, det kreative resultat vil også være en mere nøjagtig skildring af den virkelige verdens fysik. Gennembruddet giver kunstnere mulighed for at opretholde et realistisk resultat, mens de reagerer på kreativ retning ved effektivt at "styre" fysikken for at opnå særlige kunstneriske effekter.

"Der er et interessant samspil mellem kunst og videnskab, når du laver animationsfilm, sagde Benedikt Bitterli, en ph.d. studerende ved Dartmouth, der var medforfatter til forskningspapiret. "Du laver denne fysiksimulering, men de mennesker, der bruger det, er ikke fysikere. Vi laver software og simuleringer til brug for kunstnere."

For at tackle problemet med at forstå, hvordan partikler organiserer sig, forskerholdet henvendte sig til atmosfærisk videnskab og neutrontransport. Inden for disse forskningsfelter, at kende arrangementet af vanddråber eller reaktormateriale har vigtige konsekvenser for at studere klimaændringer og holde atomreaktorer sikre.

Mens forskere har søgt at overvinde udfordringen med partikelarrangement i nogen tid, der var endnu ikke udviklet et sæt ligninger, der løser problemet på en generel måde.

"Dette var ikke blot et spørgsmål om at tage teknikker fra andre forskningsområder og bruge dem til at generere smukke billeder med computergrafik, " sagde Bitterli, der vil præsentere arbejdet på SIGGRAPH Asia. "At få fysikligningerne til at fungere ordentligt var en ny og ekstraordinært vanskelig udfordring."

Forskerholdet anvendte også teknikken på faste genstande som marmorstatuer, hvor noget lys reflekteres fra overfladen, men nogle rejser også gennem materialet, fører til dets gennemsigtige udseende. Den nye teknik giver kunstnere mulighed for at ændre den måde, lys interagerer med objekterne på, men uden at ændre tætheden.

Den Dartmouth-ledede forskning kommer efter en nylig undersøgelse fra University of Zaragoza, der så på lignende problemer, men som kun fokuserede på objekter med ensartet tæthed. Begge undersøgelser kommer efterhånden som mere kraftfulde computere og softwareinnovationer har ansporet filmstudier til at udvikle mere sofistikerede teknikker baseret på den fysiske verden.

Srinath Ravichandran (Dartmouth College), Steve Marschner (Cornell University), Thomas Müller (Disney Research/ETH Zürich), Magnus Wrenninge (Pixar) og Jan Novák (Disney Research) deltog alle i denne forskning.