Эволюция симуляции шерсти цифровых животных

1. Концепция исследования
2. "Джуманджи"
3. "Хроники Нарнии: Лев колдунья и волшебный шкаф"
4. "Жизнь Пи"
5. "Стражи галактики"
6. "Король Лев"
7. Заключение

Создание фотореалистичного цифрового животного — одна из наиболее сложных задач индустрии визуальных эффектов. Особенно трудной для симуляции является шерсть: в отличие от твёрдой поверхности, она состоит из миллионов отдельных волосков, каждый из которых взаимодействует со светом, движением и окружающей средой. Именно поэтому качество цифровой шерсти часто становится одним из ключевых факторов убедительности CG-персонажа.

Человеческое восприятие особенно чувствительно к структуре меха и волос. Зритель способен интуитивно замечать неестественное поведение шерсти, даже если не может точно определить причину. Недостаточная детализация, упрощённое освещение или отсутствие взаимодействия шерсти со средой делают цифровое животное менее правдоподобным и нарушают интеграцию персонажа в кадр.

Развитие технологий создания цифровой шерсти тесно связано с ростом вычислительных мощностей, развитием алгоритмов рендеринга и переходом к более физически точному описанию материалов. Ранние системы позволяли создавать лишь упрощённую массу меха: с ограниченным количеством отдельных волосков, условным освещением и минимальной детализацией. Постепенно индустрия перешла к более сложным инструментам формирования шерсти, специальным моделям расчёта света в волосах и алгоритмам рассеивания света внутри меха. Благодаря этому шерсть начала восприниматься не как плоская поверхность на модели, а как сложная объёмная структура из множества отдельных волосков, по-разному реагирующих на свет, движение и окружающую среду.

В исследовании используются не только кадры из фильмов, но и профессиональные источники о производстве визуальных эффектов: материалы Cinefex, интервью супервайзеров, технические разборы студий, статьи fxguide, befores & afters и студийные breakdowns.

Рассматривается путь от ранних решений середины 1990-х годов, где главной задачей было само создание видимой массы волос, к современным системам, в которых шерсть становится частью полноценного производственного пайплайна: груминга, симуляции, освещения и рендера. На примерах фильмов «Джуманджи», «Хроники Нарнии: Лев, колдунья и волшебный шкаф», «Жизнь Пи», «Стражи Галактики» и фильмов про Короля Льва можно проследить, как цифровой мех постепенно перестаёт быть однородной массой и превращается в сложную физически убедительную структуру.

«Главный технический вопрос заключался в том, сможем ли мы вообще создать шерсть, особенно львиную гриву. Мы были почти уверены, что справимся с короткой шерстью у всех остальных животных, но грива представляла собой совершенно другие проблемы. Короткая шерсть не должна сильно двигаться — она, по сути, просто следует за кожей. Длинная шерсть движется совершенно особым образом и свисает иначе, чем короткая. Шерсть в гриве должна была развеваться и собираться в пучки; она должна была быть тонкой, почти полупрозрачной, чтобы свет иногда проходил сквозь нее насквозь; и у нее должны были быть яркие блики, отражающиеся от нее неравномерно»

— вспоминает супервайзер компьютерной графики Карл Фредерик.

Самая большая трудность при создании львиной гривы заключалась в том, что она должна была сочетать почти противоположные качества. С одной стороны, волосы нужно было расположить хаотично, в разных направлениях, чтобы грива выглядела естественно спутанной. С другой стороны, концы волос должны были местами собираться в пряди и образовывать слипшиеся участки. Добиться одновременно и беспорядочности, и контролируемого слипания оказалось одной из главных технических проблем.

Отдельной проблемой стало количество волос и время рендера. Команда не знала, сколько отдельных волосков потребуется для убедительного результата. В итоге ILM разработала систему, где свойства шерсти задавались через текстурные карты и процедурные методы. Также для ускорения рендеринга были запрограммированы различные аспекты волос. светлые области карты могли создавать большую плотность волос, а тёмные — уменьшать её или убирать волосы совсем.

Первоначально создатели рассматривали возможность использовать настоящего льва, однако режиссёр Джо Джонстон отказался от этого решения. Джонстон считал, что из живого льва трудно получить нужную «актёрскую игру», Поэтому в фильме использовали комбинированный подход: аниматронного льва Amalgamated Dynamics для крупных планов и взаимодействия с актёрами, а также компьютерную версию ILM для активного движения.

«Когда Джо впервые обратился к нам с предложением полностью сделать обезьян с помощью компьютерной графики, мы были довольно уверены в своих силах. Лев был большим вопросом на начальном этапе, просто из-за длины его шерсти».

• Дуг Смайт, CG супервайзер

Для подготовки художники ILM изучали референсы реальных приматов и ездили в зоопарк Сан-Франциско, где наблюдали, фотографировали и снимали шимпанзе, макак, горилл и орангутанов. Важно, что их интересовала не только анатомия и механика движения, но и то, как выглядит шерсть при разном освещении и как она отбрасывает тени.

При этом дизайн обезьян не был прямым копированием существующего вида. Команда прошла через десятки вариантов, потому что Джо Джонстон хотел, чтобы они могли вести себя то как животные, то почти как люди, а ярко-красный цвет должен был выделять их как фантастических существ. Поэтому задача ILM заключалась в создании условного, почти сказочного вида, который при этом должен был реалистично существовать в кадре.

Визуально эти ранние решения выдают свою экспериментальность. Цифровые животные в «Джуманджи» не всегда сливаются с реальным пространством кадра. У льва грива местами движется недостаточно разнообразно, а шерсть на теле выглядит слишком однородной, из-за чего персонаж иногда напоминает не живое животное, а мягкую бархатную игрушку. У обезьян заметна другая проблема: их мех ещё недостаточно сложно взаимодействует со светом, поэтому в натурных интерьерах они порой воспринимаются как «вставленные» в сцену элементы.

Следующим важным этапом после «Джуманджи» можно рассматривать «Хроники Нарнии: Лев, колдунья и волшебный шкаф» (2005), где задача цифровой шерсти вышла на новый уровень. В фильме мех должен был не только выглядеть убедительно, но и выдерживать крупные планы, речь персонажей и прямое сравнение с настоящими животными. Imageworks создавала говорящих волков из отряда Белой Ведьмы так, чтобы они совпадали с гибридами волка и собаки, снятыми на натуре. Это требовало максимально возможного соответствия цифрового меха реальной шерсти — по плотности, цвету, движению и реакции на свет. Схожий подход применялся и к лисе.

Наиболее показательным примером стал Аслан, над которым работала Rhythm & Hues. Создатели рассматривали возможность использовать настоящего льва или физическую куклу, однако оба варианта оказались ограниченными. Настоящий лев был небезопасен для сцен с детьми, а кукла не могла обеспечить нужную живость меха. Дин Райт отмечал, что у компьютерного Аслана мех грациозно развивался на ветру, тогда как мех физической модели, хотя и выглядел хорошо,не передавал того же эффекта. Поэтому физическая модель использовалась только как опора для актёров, а сам лев был заменён CG-персонажем.

Шерсть Аслана была устроена намного сложнее, чем ранние решения середины 1990-х. Она состояла из 20 различных групп меха, отличавшихся толщиной, завитком и текстурой. На одну только гриву команда R&H потратила около года. Вестенхофер подчёркивал, что сначала нужно было добиться правильного вида шерсти в статичном кадре, что само по себе заняло очень много времени, а затем решить ещё более сложную задачу — заставить её двигаться естественно. Полное моделирование столкновений каждого волоска оставалось вычислительно невозможным, поэтому художники использовали направляющие волосы, ручные настройки, с помощью которых нужный эффект достигался покадрово и поддерживал динамику ветра. Дополнительная система позволяла управлять отдельными зонами меха, например тонкими волосками по краям морды.