Sisu
- Ilu ja nohik
- Simulatsiooni parandused
- Hävitamise arendamine
- Deformeeruvad luumurrud
- Sucker Punch ja DMM
- Tetraeedriline lõplik element
- Kuidas DMM töötab
- O’Brieni uuringud
Reaalsus on enamasti tõlgendatav. Täpne simuleerimine, kui suurt kaalu sild maavärina ajal ohutult toetada võib, võib tähendada elu või surma erinevust. Sõjalise väljaõppe simulatsiooniga võib kaasneda võltsauto plahvatus koos palgatud hõiskavate veremärgatud amputeede ja võltsjäsemete laialivalgumisega või vägede sundimise läbi mädanevate laipade sünteesitud haisuga täidetud pilvelinna.
Tegelikkuses lendaks sellelt sillalt alla kukkuv auto harva; tegelikult on need selliste reaktsioonide vältimiseks hoolikalt välja mõeldud. UC Berkeley arvutiteaduse professor James O’Brien ütleb: "Nad võivad olla kortsus, võivad olla segatud tundmatuks rämpsuhunnikuks, kuid nad ei plahvata peaaegu kunagi."
Sama lugu on plahvatava käsigranaadiga. "Kui viskate filmi granaadi, teeb see selle fantastilise tulepurske. Reaalses maailmas on tegelikult hirmutav, kui vähe see näib olevat. Seal on väike suitsupunn, mis tundub väga muljetavaldamatu, kuid kümne jala kaugusel on keegi kukub lihtsalt surnult maha. " Kuid publiku seisukohast ei tee see eriti põnevat filmi.
Meelelahutus kipub reaalsust suruma, mitte seda uuesti looma. Ja iroonilisel kombel on inimestel pärast sajandit kestnud filmi oodata vaatemängu, sageli kuni selleni, et seda valeteavet tajutakse tõesena ja reaalses vaatemängus peetakse ebatäpseks ja igavaks.
Kuid hoolimata reaalsuse muutmisest, kui film on reaalajas toimuv, peab iga efekt olema usutav ja see tähendab reaalse maailma füüsika mõistmist, simulatsioonide juhtimist, mis üritavad jäljendada õiget füüsikat, ja seejärel neid simulatsioone muuta korralike dramaatiliste tulemuste saamiseks.
Ilu ja nohik
Kujutage ette seda stsenaariumi: simulatsioon on veatu, käitudes täpselt nii, nagu peaks reaalses maailmas olema. Kangas lehvib ja venib, kui neet tuules piitsutab. Supermani raketid, mis tõmbuvad viimasel sekundil üles, põrkavad maapinnale ja libisevad mõlemal jalal peatuseni. See on dramaatiline hetk, pöördeline stseen, mille publik haarab teatri käetoed. Ja kui Superman paneb igale puusale ähvardavalt rusika ja vaenlasi alla vahtima, jätkab neem oma liikumist, keerates üle pea.
Ilmselt pole see soovitud efekt, kuid milliseid muudatusi on vaja realismitunde säilitamiseks neeme reaktsiooni võltsimisel? Supermees lendab suure kiirusega edasi ja peatub järsult. Neeme hoog hoiab teda edasi liikumas, kuna see pole kogenud samasuguseid aeglustusjõude nagu keha; see on õlgadel ühendatud, nii et ainult seda ühenduspunkti on aeglustatud ja ülejäänud neem võib vabalt edasi liikuda. Selle lahendamiseks peaks simulatsioonil töötav TD rakendama kunstlikke jõude, nagu tuul või tihvtid, või lihtsalt animeerima edasiliikumise.
Simulatsiooni parandused
Kokkuvarisenud hoone võib olla tolmu varjatud, selleks on vaja simulatsiooni, mis manipuleeris kaamera poole tulevate prahidega, hoides hoonet silmist. Järjepidevuse lõikamine, mis nõuab objekti maandumist kindlasse kohta, kuhu see ei maanduks, kui see jääks ainult füüsika hooleks. Kaamera ja raskusjõud muudavad esemed välja nagu nad kukuksid liiga kiiresti või liiga aeglaselt.
Kõik need stsenaariumid nõuavad mingit petmist.Kuigi füüsiliselt põhinev simulatsioon võib olla teaduslikult täpne, töötavad füüsikalised mudelid protsessile vastupidi. Ben Cole on MPC simulatsioonitarkvara Kali juhtiv arendaja. Kali ehitati Pixeluxi tarkvara DMM (Digital Molecular Matter) tagaküljele.
Pixeluxi lahendaja on kindlasti loodud töötama kogustega, mis vastavad reaalsetele väärtustele ja annavad ülimalt realistliku tulemuse
Kali kasutab piiratud elementidel põhinevat lähenemist ja on füüsiliselt väga täpne simulatsioonisüsteem. "Pixeluxi lahendaja on kindlasti mõeldud töötama kogustega, mis vastavad reaalsetele väärtustele ja annavad väga realistliku tulemuse," ütleb Cole, "kuid nende API-liidese integreerimisel tehtud töö ei seisnenud ainult numbrites. tööriist, mis oli tehniliste direktorite poolt VFX-kontekstis kasutatav ja kontrollitav, võimaldades samal ajal neile juurdepääsu kogu sellele rikkalikule ja võimsale füüsikale. "
Hävitamise arendamine
Filmis on hävitamisefektide jaoks kahte tüüpi füüsikasimulatsiooni: jäik keha ja lõplik element.
Keha jäik hävitamine pole füüsiliselt täpne; simulatsioonid ei suuda toime tulla materjalide paindumise, painutamise ega realistliku purunemisega. Jäigad kehapiirangu seosed saab katkestada jõudude või skriptiühenduse põhjal. Ainult kuue vabadusastmega - kolm liikumisdimensiooni, kolm pöördenurka. Jäigad kered ei võimalda deformeeruda ega painutada. Jäikade esemete, näiteks kivi puhul on käitumine vastuvõetav, kuid kui eeldatakse, et materjal deformeerub, on tulemused vähem atraktiivsed.
Võrdluseks on lõplike elementide hävitamisel erinev vabadusaste. Kindla materiaalsete parameetrite komplektiga lõplike elementide meetodi ehk FEM-süsteemiga on võimalik haarata laiemat nähtuste ringi, kuid sõltuvalt selle taga olevatest eeldustest on siiski veel muid asju, mida see ei saa lihtsalt modelleerida. "Suurema vabadusastmega ja suuremate parameetriruumidega simulatsioonivahendite omamine on minu arvates vältimatu," ütleb Cole, "kuna need võimaldavad luua palju laiemat valikut efekte.
Vajaliku teabe kogumine ja nende simulatsioonide parameetrite häälestamine muutub aga järjest keerulisemaks protsessiks. Samuti peame sageli panema asjad käituma viisil, mis ei pruugi tegelikkuses toimida, sest tegelikkus ei pruugi lavastaja nägemust pakkuda. Päeva lõpuks juhivad meid kõige rohkem juhendajate ja TD-de pilgud. "
Mõelgem neemenäidisele: sel ajal on TD-del sageli lihtsam lisada oma simulatsioonidele kunstlikke piiranguid, nagu motiveerimata jõud või muud võtmekaadrilised või protseduurilised muudatused, selle asemel, et proovida töötada looduse üha täpsemate esitustega.
Suurema vabadusastmega ja suuremate parameetriruumidega simulatsioonivahendite omamine on paratamatu
Paljud stuudiod teevad endiselt palju oma simulatsioonidest näiteks jäikade kehadega ja otsustavad mitte esindatud omaduste petmise või ligikaudse lähenemise, selle asemel et töötada rangelt füüsilise mudeliga. Isegi FEM-simulatsiooni korral ei pruugi täiendavad vabadusastmed ja täpsem füüsika teha seda, mida tehniline direktor soovib, ja seetõttu tuleb neid piirata või muul viisil kohandada.
Deformeeruvad luumurrud
See algas 1999. aastal Siggraphis avaldatud doktoritööga, mille kirjutasid dr James O'Brien ja tema nõustaja Jessica Hodgins. Selles dokumendis, rabe murdude graafiline modelleerimine ja animatsioon töötati välja originaalne luumurdude sim-tehnika, mida kasutati DMM-is ja Kalis. Pixeluxi asutajad Eric Parker, Vik Sohal ja Mitchell Bunnell võtsid oma töö ümber tarkvara loomise kohta ühendust Jamesiga, kes on nüüdseks olnud UC Berkeley professor ja selles valdkonnas kõige arenenum.
Sel ajal oli protsess väga aeglane, simulatsiooni käivitamiseks kulus päevi. "Kui ma tegin Georgia Techis kõrgkooliõpilasena tööd, kasutasin oma töölaual poole miljoni dollari suurust SGI tööjaama ja simsid töötasid suurte Origini masinate masinaruumis; mitme külmikuga protsessorid ja olid mitme miljoni dollari vahemikus. Mul oli viis gigabaiti kettaruumi, "ütleb O'Brien. Kuid uus eesmärk oli käitada reaalajas videomänge Xbox 360-l, pluss ehitada veidi teistsugune optimeeritud versioon mootorist kasutab sama MPC nüüd ja nii sündiski DMM.
Sucker Punch ja DMM
MPC kliendil, Sucker Punchi direktoril Zack Snyderil oli järjestusi, mis nõudsid täiustatud lõplike elementide süsteemi ja ebatavaliselt arenenud hävitamistehnoloogiat. MPC kaalus oma lahenduse kirjutamist, kuid uuringute tulemusel jõuti Eric Parkeri ja James O'Brieni artiklini, milles kirjeldati Pixeluxi DMM-tarkvara, ja stuudio haaras võimaluse potentsiaalselt palju aega kokku hoida.
Vik Sohali sõnul: "Meil oli videomängude jaoks välja töötatud DMM, kuid MPC soovis seda kasutada filmide jaoks." See ei olnud väike ülesanne, mis tingis DMM-i 64-bitise Linuxi teisaldamise ja mõnede sisemiste andmestruktuuride muutmise, et see oleks väga paljude tetraeedriliste elementide jaoks elujõuline.
"Mängude jaoks võiks DMM simuleerida reaalajas umbes 3000 elementi. Võrguühenduseta suudaks MPC Maya pistikprogramm hakkama saada umbes 300 000-ga. Kuid tipptasemel filmide hävitamise nimel soovis MPC seda viia miljoni elemendini, protsessoritele praktiliselt piiranguteta või mälu. "
Tetraeedriline lõplik element
Kõigile 3D-kunstnikele on tuttav võrk, mille 2D-kollektor on ümbritsetud 3D-objektiga, mis esindab selle objekti pinda, kuid piiratud elemendid esindavad interjööri; piires olev maht. Tetraeedrilise lõplike elementide meetod on teatud tüüpi simulatsioonimeetod, mis on keerulisema probleemi lihtne lahendus.
Üksik tetraeeder (tet) on lihtsalt elemenditüüp - kolmepoolse alusega püramiid, võimalikult lihtsa 3D-kujuga. O'Brieni sõnul viitab "piiritletud element objekti purustamisele lõplikuks või piiratud arvuks eraldiseisvateks üksikuteks elementideks, tuhandeteks või isegi miljoniteks eraldi tetraeedriteks, millest igaühel on võrrandid, mis ütlevad neile, kuidas liikuda ja käituda. Ükskõik millised materiaalsed omadused ka pole. on määratud individuaalsele tetraeedrile, olgu see siis kumm, metall või mis iganes, käitub nendest tetraeedritest moodustatud struktuur nii, nagu oleks see sellest materjalist valmistatud tahke ese. "
Iga tetraeeder võib deformeeruda piiratud viisil, kuid omavahel ühendatud on struktuur, mis võib deformeeruda ja painutada üsna keerulistel viisidel. Näiteks kui sirutate tetraeedri teiseks kujuks, saate kirjeldada, kuidas see reageerib sisejõududele, kes üritavad seda tagasi oma algsele kujule. Kui iga tetraeeder ei võimaldaks paindlikkust, oleksid need jäigad ja seetõttu oleksid tulemused jäigad, ilma elastse energiata.
See oleks jäiga keha simulatsioon. Kui kasutate jäiga keha simulatsiooni ja sisemist elastset energiat ei modelleerita ega salvestata, annavad jäiga keha meetodid teile tulemusi, mis sarnanevad hunnikusse langevate plokkidega. Üks näeb välja nagu reaalse efekti, teine nagu efekt, mille leiate Tom ja Jerry koomiksist. Jerry lööb Tomi hammastesse ja need murduvad lahti ja kukuvad suust põrandale. Sellel pole pinget.
Teine näide võib olla puidust pliiatsi järk-järguline painutamine, painutamine seda veelgi kummardatud kuju suunas, kuni see jõuab murdepunktini. Kui see puruneb, võivad varem kummardatud tükid nüüd vabalt ümber sirguda ja ennast välja sirutada. Selle põhjuseks on asjaolu, et sellesse kummarduskujundisse salvestatud energia vabaneb, see tekib elastse energiana, mis paiskab tükke, viskab pliiatsit, klõpsates mitmes kohas, kui killud ja tükid lendavad väljapoole.
Sama loogika kehtib ka klaasi kohta (ja (välja arvatud turvaklaas)) on põhjus, miks nii harva nähakse mõranemispeatust läbi selle asemel, et jätkata teise servani. Põhjus on see, et mikroskoopilisel tasemel reageerib klaas samamoodi nagu pliiats. Kui klaas on piisavalt deformeerunud, et see hakkab purunema, paiskub painutatud klaasi salvestatud energia tükki mõlemalt pool murdu, ajades pragu klaasist kaugemale.
Kujutage nüüd ette, et lööte haamriga klaasilehte. Isegi kui see salvestatud energia pole makroskoopilisel tasemel nähtav, siis kui teil pole sellist kuju painutavat käitumist, nagu teie kuju oleks, ei oleks reaktsioon klaas lendav, nagu võite eeldada. Selle asemel laguneb klaas väikesteks tükkideks, mis kukuvad korralikult põrandale hunnikusse. Sellest tulenevates efektides puudub dünaamilisus ja neil pole päris sama energiatunne.
Miks see oluline on? Kui minna tagasi pliiatsi näite juurde, siis kui te selle pliiatsi oma näo poole kummardaksite, oleksite teadlik sellest salvestatud pingest ja teaksite, et silmade poole lendavad kildud on ohtlikud. Sa võpataks, kissitaks, pööraks ootuses pead. Kui seda energiat ei oleks, oleks teie vastus radikaalselt erinev.
Samamoodi soovite, et publikul oleks sama ohuteadlikkus, mis oleks üles võetud peentes visuaalsetes järjekordades, mis on inimese alateadvusse kinnitatud, isegi kui nad ei suuda päris sõrme panna, miks üks olukord mõjutab rohkem kui peaaegu identne olukord.
Seda pinget lisamata on tulemuseks see, et mõju kipub tunduma pisut lahja. Ühes stseenis lendab see šrapnelliga, teises aga papiga. Nagu miljonid tetraeedrid, on ka põhjused vaevu eristatavad, kuid erinevad tulemused liituvad.
Kuidas DMM töötab
DMM simuleerib iga tetraeedri pinget, seejärel arvutab selle stressi paljude parameetrite põhjal. Näiteks määrab „sitkuse” materjali seade see, kui palju pinget võib tet-tet-sõlme ristmik enne lahku minna.
Plastilisusel on ka mitu aspekti. Objektid võivad käituda vastavalt reaalsele füüsikale või neid saab kohandada mis tahes hulga ootamatute käitumistega. Nagu filmikomplektil võib olla vahtpolüstüroolplokkidest valmistatud kivisein, võib parameetrite, näiteks tiheduse või sitkuse reguleerimine anda sama efekti. Samuti võib muuta seda, kuidas see kokku variseb, põhjustades selle kukkumisel kummaliselt paindumist või paisumist.
DMM-i abil saate helitugevust piisavalt tessellida, lähendades simuleeritavat materjali, kaasa arvatud loomulikum luumurd. See on intuitiivne tulemus, mis sarnaneb väiksemate ja väiksemate osadega mudeli ehitamisega. Suurte osade puhul puudub teil detail, väiksemate osade puhul on see kaudne.
DMM-i korral pakub lõplike elementide hävitamine pöörlemis- ja liikumisastmeid pluss 14 erinevat materjali parameetrit, mis reguleerivad seda, kuidas iga tet reageerib stressile. Tetide arv mõjutab ka seda, kui realistlik on teie simulatsioon. Kui jäiga keha simulatsioonil võib olla seitse vabadusastet, võib lõplike elementide simulatsioonil olla tuhandeid või isegi miljoneid.
2009. aastal ilmus SCA-s Parkeri ja O'Brieni paber, Reaalajas deformatsioon ja murd mängukeskkonnas, hõlmates DMM-tehnoloogiat.
O’Brieni uuringud
O’Brien jätkab uurimistööd UC Berkeleys. Tema ja edasijõudnute meeskond töötavad kolmnurksete elementide abil kolmnurkse simulatsiooni kallal. Näiteks mudeli hävitamine, mis ei ole kindel maht - võib-olla selline pind nagu klaasaken - on see kiirem ja tõhusam kui tetraeeder ja võib-olla parem kui kõik praegu saadaval olev.
Praegu filmi silmas pidades on avatud lähtekoodiga tarkvara nimega ARCSim (Adaptive Refining and Coursing Simulation) ja see on siin veebis saadaval. Seda on arutatud kahes erinevas dokumendis, millest üks on Adaptive Anisotropic Remeshing for Cloth Simulation (Siggraph Asia 2012), mis keskendub riide simulatsioonile, ja teine, Folding and Crumpling Adaptive Sheets (Siggraph 2013), mis keskendus modelleerimisele, mis nõuab kortsude moodustumist nagu voltimispaber.
See ei piira kasutajat pideva triangulatsiooniga; selle asemel kohandab see dünaamiliselt ja viimistleb märgi liikumisel pinda, lisades vajadusel kolmnurki, mis tähistavad kortsusid ja voldeid, mille eraldusvõime ja detail on suurem.
Kasutades sama simulatsioonikoodi koos lisatud laienditega, saavutab teine paber realistliku kortsumise teravate kortsudega, näiteks paberist või alumiiniumfooliumist. Selle koodi peal on juba mitmed teised ülikoolid oma teadustööd üles ehitamas.
Pärast doktorikraadi ja üliõpilase seni avaldamata töö kasutab sama adaptiivset võrgusilma täiustamismootorit, et saada väga suure eraldusvõimega pragude levik õhukestes kestades, näiteks munakoores või jõulukaunistuses, mida tegelikkusele ei eristata. .
ARCSim arvutab välja, kus peaksid tekkima praod, voldid või kortsud, ning lisab vajaduse korral üksikasju, ilma et oleks lisatud diskretiseerimist. "Üks minu eesmärke selles töös on kolmnurki mitte näha, nii et te ei saa aru, et see on hulknurkne režiim," ütleb O’Brien. "Simulatsiooniaeg on väga kiire, ornamenti simuleerimine võib olla pool tundi.
Põhjus on see, et muud meetodid võivad vajada naeruväärset arvu kolmnurki - näiteks 500 000 -, samas kui see meetod võib kasutada kuni 10 000 või vähem. Enamik kolmnurkadest on suured ja hõlmavad laia ala ning täpsustavad ainult perioodi jooksul nõutavat ala, kuna on vaja üksikasjalikkust. Kui pole enam vajadust, jämedad need peened kolmnurgad suurteks. "
Sõnad: Renee Dunlop
Renee Dunlop töötab üle 20 aasta stsenaariumi analüütiku, loome- ja tehnikakirjaniku, 2D ja 3D kunstnikuna. Ta on raamatu Film Pipeline Fundamentals for Film and Games toimetaja. See artikkel ilmus algselt 3D Worldi väljaandes 180.
