211service.com
Sprawianie, że animowane płyny wyglądają bardziej realistycznie
Za kulisami większości filmowych efektów specjalnych stoją komputery przetwarzające intensywne równania matematyczne. A niektóre z najbardziej złożonych typów równań animacji opisują płynny ruch: wszystko, od lawy, przez eksplozję, po powstawanie i znikanie kręgów dymu. Ale wiele razy równania dostępne dla animatorów nie są wystarczająco dobre, aby dokładnie przedstawiać i kontrolować płyny, mówi Mathieu Desbrun , profesor informatyki w California Institute of Technology w Pasadenie. Mówi, że aby animacja płynna wyglądała wystarczająco dobrze, niektórzy animatorzy decydują się na rysowanie jej ręcznie, co jest czasochłonnym procesem.
Wirująca ciecz w tej śnieżnej kuli jest zgodna z nowymi równaniami symulacji komputerowych opracowanych w Caltech. Naukowcy twierdzą, że te równania oddają ruch cieczy, który jest bardziej realistyczny niż to, co jest możliwe w dzisiejszym oprogramowaniu do animacji komputerowej.
Ale badania Desbruna mogą sprawić, że płyny będą ładniej przepływać na ekranie. On i jego zespół opracowują całkowicie nowe podejście do ruchu płynów, oparte na nowej matematyce zwanej dyskretną geometrią różniczkową, która wykorzystuje równania zaprojektowane specjalnie do rozwiązywania przez komputery, a nie przez ludzi. Ostatecznie, mówi, mają potencjał, aby obniżyć koszty i czas tworzenia animacji. Teraz, kiedy używamy komputerów, to zupełnie nowa gra w piłkę, mówi.
Multimedia
Zobacz, jak dym przestrzega nowych równań dynamiki płynów
Zobacz, jak upłynniająca się postać przestrzega nowych równań dynamiki płynów
Przed komputerami, wyjaśnia Desbrun, matematycy i fizycy opracowali równania ruchu obiektów, takich jak ciała stałe i płyny, a wiele z nich można było rozwiązać ręcznie. W ciągu ostatnich kilku dekad stało się jasne, że komputery mogą być używane do rozwiązywania wielu trudniejszych równań, więc informatycy i matematycy wzięli znany zestaw równań i próbowali go zmodyfikować do zadania. Przepracowali równania wyjaśniające reguły fizyczne, skutecznie dzieląc je na setki wielu kawałków, aby cyfrowy mózg komputera, który jest dobry w pracy nad wieloma z tych kawałków jednocześnie, mógł je rozwiązać.
Chociaż przy użyciu tego podejścia wykonano wiele udanych prac, mówi Desbrun, równania te nadal tylko przybliżają ruch i mają tendencję do wytwarzania nienaturalnie płynących cieczy. Na przykład w przypadku wiru z czasem tradycyjne podejście wprowadza błędy do ruchu, powodując sztuczną lepkość: efektem wizualnym jest wirujący wir, który zwalnia bez wyraźnego powodu. Animator musi wkroczyć, aby zmodyfikować ramki, aby upewnić się, że płyn porusza się we właściwy sposób.
Podejście Desbruna polega na pisaniu nowych równań opartych na właściwościach fizycznych, których nie wyrażają tradycyjne równania. Na przykład tradycyjne równania zawierają informacje o prędkości cieczy, które są używane do przybliżenia lub dostarczenia niedokładnego opisu ruchu cieczy, jeśli zacznie ona wirować. Ale równania Desbruna omijają zwykłą prędkość i zamiast tego dokładnie opisują ruch wirowy w sposób, który komputery mogą łatwo chrupać. Zamiast je tylko przybliżać, możemy wiernie uchwycić dynamikę – mówi. I pokazujemy, że opłaca się to wizualnie.
W artykule opublikowanym w tym miesiącu w czasopiśmie Transakcje na grafice , Desbrun i jego zespół opisują podejście, jakie stosują do modelowania wirujących płynów wokół i wewnątrz obiektów stałych, takich jak kula śnieżna. Tradycyjne podejście przybliżałoby prędkość cieczy w różnych punktach przestrzeni i czasu i wykorzystywałoby to do przybliżenia jej ruchu po torze kołowym. Ale równania Desbruna modelują rzeczywistą cyrkulację cieczy, tak jakby była to właściwość tak fundamentalna jak prędkość.
Aby zasymulować cyrkulację cieczy, naukowcy muszą uchwycić podstawową właściwość tego cyrkulacji, zwaną strumieniem. Strumień, czyli ilość cieczy, która porusza się w przestrzeni w danym momencie, jest wychwytywana przez rozbicie wiru na małe kawałki i określenie przepływu w każdym kawałku. Wartości te są składane w równanie ruchu, co pozwala na dokładniejszy przepływ cieczy.
Jak dotąd, mówi Desbrun, wyniki są obiecujące. Wykazano, że takie podejście zapewnia dobrą przewidywalność statystyczną… zapewniając wysoką jakość wizualną.
Badania mogą mieć znaczenie dla społeczności zajmującej się grafiką komputerową, mówi Ewa Kanso , profesor lotnictwa i inżynierii mechanicznej na Uniwersytecie Południowej Kalifornii w Los Angeles, który modeluje płyny komputerowo. Jak mówi, tradycyjnie trend polegał na stosowaniu szybkich obliczeń, które są podobne do rzeczywistości, ale nie są oparte na rzeczywistej fizyce. To duży krok dla społeczności zajmującej się grafiką komputerową, aby przyjrzeć się prawom fizycznym i spróbować je symulować, zwłaszcza teraz, gdy istnieje duże zapotrzebowanie na bardziej realistyczną animację.
James O'Brien , profesor informatyki na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley, mówi, że gdyby tradycyjna metoda obliczeniowa i metoda Desbruna szły łeb w łeb, nie byłoby dużej różnicy w ilości czasu potrzebnego na renderowanie animacji . Jednak mówi, że prawdziwym celem jest uzyskanie lepszych wyników przy takim samym wysiłku.
W tej chwili, mówi Desbrun, jego nowe podejście do obliczeń nie jest gotowe na najlepszy czas w oprogramowaniu znalezionym w studiach animacji, ale koledzy z Columbia University badają tę opcję. Nie pchnęliśmy naszych badań do punktu, w którym moglibyśmy pomóc firmom filmowym w zapewnieniu większej kontroli nad sposobem przepływu płynów, mówi. Dodaje jednak, że jeśli równania są używane w oprogramowaniu, artyści mogliby, jednym kliknięciem przycisku, z łatwością modyfikować efekty specjalne i animacje o wiele dokładniej niż jest to możliwe dzisiaj.