Мультфильм «Шрек» студии PDI/DreamWorks создан при помощи компьютерных технологий. Команда художников, аниматоров, инженеров в течение трех лет из нулей и единичек творила новую реальность. И все для того, чтобы погрузить зрителя в атмосферу, в которой быль и вымысел смешались так, что отделить их друг от друга невозможно.

И хотя события разворачиваются на вполне земных ландшафтах и в более или менее привычных интерьерах, состав действующих лиц преимущественно сказочный. Ангажированы все любимые «артисты»: и говорящие звери, и огнедышащие драконы, и монструозные тролли.

Для воплощения такой небывальщины в жизнь потребовались специалисты по компьютерным наукам (а точнее — по компьютерной графике), занимающиеся разработкой технологий для производства цифровой «действительности». Некоторые из этих технологий уже реализованы в программном обеспечении, но когда речь заходит о «спецэффектах», ученым приходится засучивать рукава и изобретать новые математические методы для расчета трехмерных миров. далее...

 

Итак, как же сделан «Шрек»? Для начала познакомимся с реализацией среды обитания персонажей мультфильма. Герои живут и работают в тридцати шести различных средах: в сказочном лесу, среди посевов подсолнуха, в средневековых замках, над кратером вулкана и т. д. Каждый такой маленький мир собирается из огромного числа объектов: деревьев, зданий и прочего «реквизита». Чтобы ввести в среду, к примеру, готический собор, нужно описать его устройство математически.

 

Рис 1. Различные виды собора

После того как описаны все объекты сцены, персонажи и их движения, каждый кадр фильма вычисляется при помощи хитроумных алгоритмов, позволяющих получить из математического описания (информации о точках, линиях, поверхностях и пр. — то есть по векторному представлению объектов) их проекцию на плоскость экрана (растровый графический образ). Этот расчет называется рендерингом.

 

Рендеринг — очень длительный и ресурсоемкий процесс. По свидетельству аниматоров, просчет некоторых кадров занимал свыше 20 часов, а объем данных для расчета достигал 2,3 Гб. Чтобы ускорить производственный процесс, над сценами трудилась целая сеть из 168 двухпроцессорных рабочих станций Silicon Graphics 1200 2U и несколько серверов Silicon Graphics Origin 200.

 

Помимо статических декораций, в «Шреке» задействованы природные стихии: огонь и вода. Огонь — самостоятельный персонаж мультфильма: на нем готовят пищу, им освещают пространство, его изрыгают, наконец. Для имитации огня и жидкостей аниматоры использовали современные знания о закономерностях их движения. В принципе, зная некоторые начальные условия процесса и закон, по которому он будет развиваться (а течение вещества описывается уравнениями Навье-Стокса), можно вычислить любое последующее состояние. Проблема заключается в том, что аналитическое решение уравнений Навье-Стокса известно только для некоторых простейших частных случаев. Кроме того, для задач анимации нужно иметь возможность управлять течением и организовывать взаимодействие жидкости с другими объектами. Идея, позволившая решить эти проблемы, озарила Ника Фостера (Nick Foster) из PDI/DreamWorks в соавторстве с профессором Стэнфордского университета Рональдом Федкивом (Ronald Fedkiw). В результате был получен алгоритм, позволяющий просчитывать перемещение вязкой жидкости в трехмерной среде и ее взаимодействие с персонажами и декорациями мультфильма. И хотя с физической точки зрения построенная модель не вполне верно описывает процесс, для задач компьютерной графики она вполне пригодна, поскольку позволяет достаточно быстро и надежно моделировать сцены с движущимися жидкостями, добиваясь при этом реалистического изображения. На этой теоретической базе в PDI разработали программное обеспечение FLU (Fluid Animation System — система анимации жидкости) и задействовали его в мультфильме на полную катушку: моющийся под душем Шрек обтекает стопроцентной «трехмерзостью» (см. рис. 2), раскаленная лава кипит и брызжет с нужной степенью достоверности (см. рис. 3) — словом, объекты, выходящие после обработки FLU, выглядят, как «настоящая органика» (как выразился по несколько иному поводу словоохотливый ослик).

 

 

Рис. 2. Взаимодействие вязкой жидкости с персонажем

 

Рис. 3. Турбулентное движение лавы

 

Чтобы оживить персонажей сказки, их наделили свойствами реальных биологических объектов. Управление цифровыми актерами основано на сложной модели движения. Каждый персонаж сконструирован из нескольких слоев: скелета, мышц, жировой прослойки, кожи, волос и одежды (см. рис. 4). Фактически любое движение актера — это процесс деформаций, происходящих последовательно на всех уровнях «конструкции», начиная от скелета и заканчивая движением одежды и волос. Причем каждый из слоев деформируется по свойственным ему физическим законам. Чем больше мышц принимает участие в движении, тем богаче выразительные возможности персонажа. Благодаря большому количеству мускулов лица, отвечающих за мимику, удалось разнообразить видеоряд и туповатым удивлением Шрека, и саркастической ухмылкой принцессы Фионы (см. рис. 5). Создатели «Шрека» позаботились даже о том, чтобы движение губ соответствовало произносимым звукам. За счет этого достигается еще один уровень реалистичности, который, правда, можно оценить лишь при просмотре фильма на английском языке.

 

Рис. 4. Анатомия принцессы

 

Рис. 5. Принцесса Фиона и Шрек

 

Одной из самых сложных задач на пути к фотореализму оказалась имитация кожи. Аниматоры начали работу над макияжем героев с изучения пособий по дерматологии и косметической лазерной хирургии в Стэнфордском университете. Чтобы добиться сходства персонажей мультфильма с живыми существами, а не кожаными куклами, нужно обеспечить особое свойство живой кожи — полупрозрачность. Кожа отражает свет не так, как, скажем, пластмассовые тела. Часть света, попадающего на ее поверхность, отражается, часть поглощается верхним слоем, остальные же лучи проникают в более глубокие прослойки и отражаются уже оттуда, создавая эффект просвечивания. Такими же свойствами обладают и другие органические материалы, например — фрукты, листва, молоко. Человек настолько привык к мягким теням вокруг носа и губ и светящимся прожилкам листьев, что даже малейший дефект освещения может заставить его почувствовать неестественность изображения. Поэтому над трехсекундной сценой со стаканом молока аниматоры работали около двух месяцев, но все равно остались не удовлетворены результатами. Сложность, как и в случае с кожей, заключалась в том, что, когда частицы света (фотоны) проникают в стакан с молоком, только часть из них немедленно отражается от поверхности. Большинство же попадает внутрь жидкости и, многократно соударяясь с шариками жира и молекулами молока, вылетает на поверхность в совершено непредсказуемой точке. Именно эта смесь блуждающих фотонов освещает стакан молока изнутри. Смоделировать зигзаги миллионов частиц на компьютере можно, но такой подход к решению задачи может многократно замедлить работу над фильмом. Поэтому учеными была построена упрощенная математическая модель: фотон или сразу же отражается, или проникает в среду, несколько раз соударяется с частицами внутри нее и выходит на поверхность. При таком подходе сцену можно рассчитать быстрее, но готовый продукт будет выглядеть несколько искусственно. Приходится компенсировать дефекты изображения небольшими хитростями.

 

Именно о «хитрых» путях решения сложных проблем аниматоры поведали миру на ежегодной конференции по компьютерной графике Siggraph 2001. Поскольку «Шрек» — это результат применения суммы компьютерных технологий, успех в научных кругах для фильма, наверное, даже важнее, чем признание кинематографической элитой мира на Каннском фестивале.

 

«Шрек» в цифрах и фактах

 

Для озеленения пейзажей потребовалось 28 186 деревьев и около трех миллиардов листьев.

 

Было разработано около 68 моделей цифровых актеров: четыре главных персонажа, несколько второстепенных и около тридцати сказочных тварей.

 

В массовках были задействованы: 1000 тварей — в сцене вторжения на болото, 1000 зрителей на турнире, 1500 гостей, приглашенных на свадьбу.

 

За одну «рабочую смену» компьютеры студии «перемалывали» огромное количество данных: только лишь объем файлов текстур составлял около 650 Мб.

 

Помимо программного обеспечения собственной разработки, для создания трехмерной анимации студия PDI использовала PowerAnimator, Maya, Softimage|3D.

 

Большинство рабочих станций и серверов, «трудившихся» на производстве «Шрека», работало под управлением операционой системы Linux.

cpp.com.ua