Анализ развития симуляции частиц с агентно-когерентном поведением

Идея моего исследования заключается в том, чтобы проанализировать развитие и способы симуляции агентно-когерентых частиц. Это симуляция при которой частицы действуют как своеобразный рой, сохраняя заданную форму и общие движения. При этом каждая частица сохраняет собственную физику — она может быть отброшена, отделиться от основной массы или временно действовать самостоятельно, — но вся совокупность одновременно образует когерентную субстанцию, способную держать сложную анатомическую форму (лицо, руку, торс), течь, рассыпаться и собираться заново.

Подобная симуляция будет рассматриваться на примере создания человека или человекоподобных форм. Классически человеческая форма это полноценная структура, в то время как песок в таком состоянии должен одновременно держать форму, что противоречит его физике в сухом состоянии и при этом Более того, эта технология сегодня используется не только в блокбастерах, но и в цифровом искусстве, интерактивных инсталляциях и архитектурной визуализации, где требуется симулировать поведение толпы, жидкости или сыпучей среды, сохраняющей форму.

Сложность начинается с простого физического факта: сухой песок сам по себе не держит форму. Насыпь его кучкой — она расползётся под собственным весом. Хочешь слепить фигурку — нужна вода или сосуд. Это свойство любой сыпучей среды: у неё нет внутренней связности, только трение между зёрнами, и этого хватает лишь для очень пологих склонов.

Но в кино понадобилось другое. Песок должен был стать живым. То есть он должен не просто лежать по форме, как насыпанный в мешок, а сам создавать эту форму — держать лицо, пальцы, плечи. При этом зритель должен понимать, что это именно песок, а не серая пластичная масса. То есть визуально частицы обязаны сохранять рассыпчатость: осыпаться при ударе, разлетаться в воздухе, струиться сквозь пальцы.

С технической точки зрения, осуществить такое довольно ложно. Если симулировать песок честно — как сухие несвязанные частицы, — он не сможет удержать анатомическую форму ни секунды. Если добавить искусственную связность, чтобы он держался, — он перестанет выглядеть как песок и станет похож на глину или пластелин.

Главный вопрос моего исследования — как за двадцать с лишним лет изменилось то, что технически можно сделать с агентно-когерентной материей? С чего всё начиналось: первые попытки заставить симуляцию частиц одновременно осознавать совокупность и агентность частиц. И к чему пришли сейчас: возможность управлять миллионами частиц в реальном времени, с разными типами связности, с переходом между твёрдым телом и роем без видимых стыков. Мне интересно не просто перечислить вехи, а понять, какие именно инженерные прорывы расширяли коридор возможностей — когда и за счёт чего стало возможным то, что ещё пять лет назад было невозможно. И как далеко мы ушли от той точки, где песок был просто текстурой, которая неуклюже налеплена на каркас.

​Для создания легендарного эпизода с песчаным лицом в фильме Мумия 1999 года студия Industrial Light & Magic (ILM) использовала передовые для того времени процедурные системы частиц, сочетая их с физическими эффектами и цифровым сканированием. Эта сцена, где лицо Имхотепа формируется из гигантской песчаной бури и пытается поглотить самолет, стала одним из самых сложных технических вызовов периода раннего использования компьютерной графики.

​Создание реалистичной песчаной бури требовало управления огромными массивами данных, что в 1999 году создавало колоссальную нагрузку на компьютерную память.

Программная основа: ​Симуляция базировалась на процедурных алгоритмах, ранее разработанных в ILM для создания торнадо в фильме «Смерч», но адаптированных под специфику гранулярных сред.

Система Dynamation: Специалисты использовали возможности программы Dynamation, позволявшей контролировать хаотичное движение миллионов частиц.

Сканирование лица: ​Лицо актера Арнольда Вослу было предварительно отсканировано для создания точной трехмерной модели. Аниматор создал несколько вариантов формы лица и тому подобное. В данном случае создателям очень хотелось удлинить и растянуть лицо, когда оно появляется, потому что оно должно быть сделано из песка, поэтому был добавлен дополнительный набор элементов управления, которые позволяли действительно тянуть лицо вниз и добиваться от этого преувеличенных выражений.

Поверхность как эмиттер: Анимированная 3D-модель лица использовалась в качестве «излучателя» (emitter) для частиц, что позволяло песку повторять мимику и форму головы персонажа. Была создана так называемая карта глубины — по сути, это рендер, где ближайшая точка отображается белым, а самая удаленная — черным. Эту информацию далее можно использовать с частицами, чтобы создать изображение лица в песке.

Управление параметрами: Прорыв в разработке совершил художник Рауль Эссиг, который в течение нескольких месяцев настраивал параметры симуляции, чтобы лицо выглядело органичной частью бури, а не просто наложенной сверху маской.

Визуальная интеграция: Симуляция частиц была проведена с помощью программного пакета Maya, и каждая песчинка представлена в компьютере в виде частицы; это позволило изменять ее цвет, добавлять тени и прочее, чтобы создать впечатление, будто это шерсть из песка.

​Создание персонажа Песочного человека для фильма Человек паук 3 (2007) стало одним из самых сложных технических вызовов в истории визуальных эффектов того времени. ​Специалисты из компании Sony Pictures Imageworks потратили три года на разработку уникального программного обеспечения и физических симуляций, чтобы передать реалистичное поведение песка, при этом сохраняющего цельную твердую форму.

Прежде чем приступать к разработке такого сложного ПО команда провела множество тестов с реальным песком, чтобы быть уверенными в том к какому результату они хотят прийти, поскольку было важным предусмотреть любые возможные сценарии физики.

Одним из ярких примеров был решатель задач гидродинамики, который использовал те же форматы данных, что и другой симулятор, называемый Spheresim, — упрощенный симулятор твердых тел, работающий только со сферами. Он исключает все дополнительные вычисления, необходимые для других форм, а также любые вычисления, необходимые для вращения. Преимущество этой системы заключалось в том, что она позволяла моделировать скопление песчинок, в котором каждая песчинка представлялась отдельной сферой.

В случае съемки крупным планом или даже немного более широкого плана каждая сфера представляла бы собой группу из 10-50 песчинок. Поскольку приложение было разработано в той же библиотечной структуре кода C++, оно фактически использовало те же силы и форматы данных, что и решатель задач гидродинамики, позволяя в любой момент переключать тумблер и запускать моделирование газа или жидкости, создавая красивое вихревое, турбулентное движение, которые затем можно было бы представить в виде мелких песчинок, мелкой пыли или отдельных камней.

Это позволило комбинировать состояния симуляции и создавать Песочного человека как цельного персонажа в человеческой форме. Например, в эпизоде ​​с [Флинтом] Марко, где он превращается в атом, видно как он растворяется и разлетается на отдельные песчинки. Опять же, это было сделано с помощью целого набора инструментов, использующих общий формат файлов. В данный момент он представляет собой полигональную сетку, а затем в определенном кадре заменяется миллионами мелких частиц, которые будут привязаны к этой сетке. Этот переход не заметен, но это позволяет отделить отдельные частицы от общей сетки и заставить их разлететься, как самостоятельных агентов.