Эволюция технологий создания фотореалистичных цифровых животных

Последние успехи в компьютерных технологиях позволяют достичь все большей и большей реалистичности и перцептивной привлекательности внешнего образа, в своем создании ориентированного на передачу убедительных человекоподобных характеристик. Это стремление к фотореализму в CGI является центральным в создании сложных цифровых персонажей, в том числе животных.

Целью же моего исследования является определение конкретных технологий и подходов, использованные для создания ключевых животных-персонажей в выбранных фильмах (Аслана в «Нарнии» и тигра Ричарда Паркера в «Жизни Пи»).

Проанализировать, как эти технологии изменились и эволюционировали в период с 2005 по 2012 год, и как это повлияло на визуальную составляющую и убедительность цифровых образов на экране. Также, мне необходимо самостоятельно изучить, насколько результат работы технологий имитирует реальность и достигает необходимого уровня фотореализма.

Для сравнения мною были выбраны похожие образы — крупные хищные млекопитающие которые являются центральными персонажами и требуют высокого уровня фотореализма и эмоциональной выразительности. В результате исследования будет сделан вывод о том, как конкретно изменения в алгоритмах рендеринга и симуляции (например, физики шерсти и воды) позволили «Жизни Пи» достичь более высокого уровня фотореализма и эмоциональной убедительности в создании цифрового хищника по сравнению с «Хрониками Нарнии», и какие конкретные технологические новшества пошли в «плюс» для итогового результата.

На момент выхода «Хроник Нарнии» в 2005 году CGI-животные уже перестали быть диковинкой, но создание фотореалистичного и эмоционально выразительного главного персонажа, такого как лев Аслан, оставалось сложнейшей задачей. К 2012 году, когда вышла «Жизнь Пи», индустрия VFX совершила качественный рывок, во многом благодаря таким компаниям, как Rhythm & Hues Studios (основной подрядчик по тигру), которые решили ряд фундаментальных проблем.

При создании льва Аслана перед супервайзером визуальных эффектов Дином Райтом и командой Rhythm & Hues стояла сложная художественная задача: создать животное, которое должно не просто выглядеть реалистично, но и разговаривать, сохраняя при этом львиную природу. В последующем, это требование напрямую повлияло на скульптинг и топологию модели. Чтобы Аслан мог говорить, сохраняя при этом максимально реалистичный вид, студия разработала сложный двухэтапный процесс анимации «лица» в своем проприетарном программном пакете Voodoo:

Этап 1: Была разработана система, позволяющая деформировать поверхность морды.

Этап 2: Созданная система послужила основой для проработки лицевых мышц. Анимируемое и мускульное лицо были объединены таким образом, чтобы исходное выражение, заданное аниматором, воспроизводилось и через движение мышц. Это позволило Аслану свободно разговаривать, избегая «мультяшного» вида.

Специалистам пришлось создать гибридную систему лицевых мышц. Был разработан сложный лицевой риг, который позволял «натягивать» львиную морду на человеческую артикуляцию. Это требовало ручной доработки аниматорами каждого кадра (keyframe animation) поверх процедурных движений, чтобы избежать печально известного эффекта «зловещей долины» .

В 2005 году использовалась упрощенная симуляция мышц. Деформации тела задавались с помощью деформеров, имитирующих сокращение мышц под кожей, но кожа часто вела себя как «резиновая оболочка», натянутая на форму, без физически корректного скольжения

«Жизнь Пи»: Анатомическое строительство «изнутри наружу» (2012) К 2012 году, под руководством VFX-супервайзера Билла Вестенхофера, подход к созданию тигра Ричарда Паркера кардинально изменился. Технологические мощности позволили перейти от имитации поверхности к полной симуляции биологии. 90% сцен с тигром были созданы с помощью CGI. Это было необходимо, поскольку по сюжету тигр должен был проводить много времени в лодке и в воде, что невозможно было безопасно снять с реальным хищником. В отличие от Аслана, Ричард Паркер не должен был разговаривать. Это позволило создать модель, на 100% соответствующую анатомии реального тигра.

Ричард Паркер был создан не просто как животное, а как полноценный персонаж, выражающий страх, агрессию, усталость и даже своего рода связь с Пи. Аниматоры изучали психологию и поведение тигров, чтобы передать правдоподобие его эмоций и движений.

Сравнивая технологии моделирования и риггинга в этих двух проектах, можно проследить четкую эволюцию: Если Аслан был «актером в шкуре льва», то Ричард Паркер — это цифровая биологическая симуляция. Технологии 2012 года позволили отказаться от ручных деформеров в пользу процедурной физики мягких тел. Главным технологическим прорывом стало появление реалистичного скольжения кожи. В «Хрониках Нарнии» кожа часто казалась приклеенной к мышцам, тогда как в «Жизни Пи» независимое движение слоев кожи, жира и мышц создало тот самый эффект присутствия, который заставляет зрителя верить в реальность зверя.

Задача создания фотореалистичного меха является одной из самых ресурсоемких в компьютерной графике. Сложность заключается не только в генерации миллионов отдельных волосков, но и в симуляции их динамики — взаимодействия друг с другом, с телом животного и, что самое главное, с внешней средой (ветер, вода, грязь). Эволюция технологий груминга между 2005 и 2012 годами демонстрирует переход от убедительного статического объема к сложной физически корректной симуляции.

При создании Аслана в 2005 году студия Rhythm & Hues совершила значительный прорыв, установив новый стандарт для цифрового меха.

Технология Grooming: Для Аслана были созданы миллионы волосков — по некоторым данным, более 5 миллионов волос только в гриве, не считая остального меха. Для создания такого объема использовались проприетарные инструменты Rhythm & Hues в сочетании с промышленным стандартом (вероятно, RenderMan для финального рендеринга).

Мех не рисовался вручную. Художники использовали процедурные методы, чтобы контролировать направление, длину, толщину и цвет волос, исходя из реальных анатомических «карт» (direction maps) льва.

Несмотря на высокую детализацию, симуляция динамики шерсти была ограниченной. Основное внимание уделялось внешнему виду (как свет отражается от объема гривы), а не сложному физическому поведению. Шерсть Аслана, хотя и двигалась от ветра или при резких движениях, часто сохраняла вид единого, плотного массива. Сложные сценарии, такие как намокание, были бы чрезвычайно сложны для рендеринга и просчета на оборудовании 2005 года, поэтому в «Хрониках Нарнии» таких сцен избегали.

Не смотря на все вышесказанные недочеты, мех Аслана был визуальным прорывом своего времени, демонстрируя невероятный объем и сложность. Однако его динамика была преимущественно художественно управляемой, а не полностью физически симулированной.

Физическая симуляция и взаимодействие с водой в фильме «Жизнь Пи» - в 2012 году Ричард Паркер стал «лакмусовой бумажкой» для нового поколения технологий груминга и симуляции жидкости. Основная задача заключалась в том, чтобы показать тигра, выживающего посреди океана, что требовало его реалистичного взаимодействия с водой.

Шерсть создавалась не как единый слой, а как многослойная система (с коротким подшерстком и длинным остевым волосом). Это обеспечивало физически правильный объем и движение.

Взаимодействие с водой безусловно стало ключевым достижением.

Художники разработали систему, позволяющую шерсти реалистично слипаться и тяжелеть под воздействием воды Тигр часто взаимодействовал с цифровым океаном. .

В фильме «Жизнь Пи» стояла задача не просто реалистично отрендерить тигра, а интегрировать его в одну из самых сложных сред для компьютерной графики — воду с постоянно меняющимися бликами, отражениями и каустикой (световыми узорами). Подповерхностное рассеивание (Subsurface Scattering, SSS) SSS — это симуляция того, как свет проникает в полупрозрачную среду (кожа, воск, ткань) и рассеивается внутри перед тем, как выйти наружу. Это придает живым объектам мягкость и реалистичную глубину.