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Rendere i fluidi animati più realistici
Dietro le quinte della maggior parte degli effetti speciali dei film ci sono computer che elaborano intense equazioni matematiche. E alcuni dei tipi più complessi di equazioni di animazione descrivono il movimento fluido: qualsiasi cosa, dal flusso di lava a un'esplosione, all'aumento e alla scomparsa di anelli di fumo. Ma molte volte, le equazioni a disposizione degli animatori non sono abbastanza buone per rappresentare e controllare accuratamente i fluidi, afferma Mathieu Desbrun , professore di informatica al California Institute of Technology, a Pasadena. Per rendere l'animazione fluida abbastanza bella, dice, alcuni animatori scelgono di disegnarla a mano, un processo che richiede tempo.
Il liquido rotante in questo globo di neve obbedisce a nuove equazioni per simulazioni al computer sviluppate al Caltech. I ricercatori affermano che queste equazioni rendono il movimento liquido più realistico di quanto sia possibile con il software di animazione al computer di oggi.
Ma la ricerca di Desbrun potrebbe far scorrere i fluidi più bene sullo schermo. Lui e il suo team stanno sviluppando un approccio completamente nuovo al movimento dei fluidi, basato su una nuova matematica chiamata geometria differenziale discreta, che utilizza equazioni progettate specificamente per essere risolte dai computer anziché dalle persone. In definitiva, dice, hanno il potenziale per ridurre i costi e i tempi di realizzazione di un pezzo di animazione. Ora che usiamo i computer, è un gioco completamente nuovo, dice.
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Guarda il fumo obbedire alle nuove equazioni fluidodinamiche
Guarda un personaggio che si liquefa obbedire alle nuove equazioni fluidodinamiche
Prima dei computer, spiega Desbrun, matematici e fisici sviluppavano equazioni per il moto di oggetti come solidi e fluidi, e molte di esse erano risolvibili a mano. Negli ultimi decenni, è diventato chiaro che i computer potevano essere usati per risolvere molte delle equazioni più difficili, così scienziati informatici e matematici hanno preso l'insieme noto di equazioni e hanno provato a modificarle per il compito. Hanno rielaborato le equazioni che spiegano le regole fisiche, suddividendole efficacemente in centinaia di numerosi blocchi in modo che il cervello digitale di un computer, che è bravo a lavorare su molti di questi blocchi contemporaneamente, potesse risolverli.
Sebbene sia stato svolto molto lavoro con successo utilizzando questo approccio, afferma Desbrun, queste equazioni si limitano ancora ad approssimare il movimento e tendono a produrre liquidi che scorrono in modo innaturale. Ad esempio, nel caso di un vortice, nel tempo l'approccio tradizionale introduce errori nel movimento, producendo viscosità artificiale: il risultato visivo è un vortice vorticoso che rallenta senza un motivo evidente. Un animatore deve intervenire per modificare i fotogrammi per assicurarsi che il liquido continui a muoversi nel modo giusto.
L'approccio di Desbrun consiste nello scrivere nuove equazioni basate su proprietà fisiche che non sono espresse nelle equazioni tradizionali. Ad esempio, le equazioni tradizionali includono informazioni sulla velocità di un liquido, e questo viene utilizzato per approssimare o fornire una descrizione inesatta del movimento di un liquido se inizia a girare intorno. Ma le equazioni di Desbrun aggirano la semplice velocità e descrivono invece il movimento vorticoso esattamente, e in un modo che i computer possono facilmente sgranocchiare. Invece di limitarci ad approssimarli, possiamo catturare fedelmente le dinamiche, dice. E dimostriamo che visivamente ripaga.
In un articolo pubblicato questo mese sulla rivista Transazioni su grafica , Desbrun e il suo team descrivono l'approccio che adottano per modellare i fluidi vorticosi intorno e all'interno di oggetti solidi come un globo di neve. L'approccio tradizionale approssima la velocità del liquido in vari punti nello spazio e nel tempo e lo usa per approssimare il suo moto lungo un percorso circolare. Ma le equazioni di Desbrun modellano l'effettiva circolazione del liquido, come se fosse una proprietà fondamentale quanto la velocità.
Per simulare la circolazione del liquido, i ricercatori devono catturare la proprietà fondamentale di tale circolazione, chiamata flusso. Il flusso, o la quantità di liquido che si muove attraverso uno spazio in un dato momento, viene catturato rompendo il vortice in piccoli pezzi e determinando il flusso ad ogni pezzo. Questi valori sono ripiegati nell'equazione del movimento, consentendo al liquido di fluire in modo più accurato.
Finora, dice Desbrun, i risultati sono promettenti. Questo approccio ha dimostrato di fornire una buona prevedibilità statistica... garantendo un'elevata qualità visiva.
La ricerca potrebbe essere significativa per la comunità della computer grafica, afferma Eva Kanso , professore di ingegneria aerospaziale e meccanica presso la University of Southern California, a Los Angeles, che modella i fluidi in modo computazionale. Tradizionalmente, afferma, la tendenza era quella di utilizzare calcoli veloci simili alla realtà ma non basati sulla fisica reale. È un grande passo per la comunità della computer grafica guardare le leggi fisiche e provare a simularle, specialmente ora con una grande richiesta di animazioni più realistiche.
James O'Brien , professore di informatica all'Università della California, Berkeley, afferma che se il metodo computazionale tradizionale e il metodo di Desbrun dovessero confrontarsi, non ci sarebbe molta differenza nella quantità di tempo necessaria per il rendering di un'animazione . Tuttavia, dice, il vero punto è ottenere risultati migliori con la stessa quantità di sforzo.
In questo momento, afferma Desbrun, il suo nuovo approccio di calcolo non è pronto per il debutto nel software degli studi di animazione, ma i colleghi della Columbia University stanno esplorando l'opzione. Non abbiamo spinto la nostra ricerca al punto in cui potremmo aiutare le compagnie cinematografiche ad aggiungere un maggiore controllo sul modo in cui scorre il fluido, dice. Ma, aggiunge, se le equazioni vengono utilizzate nel software, gli artisti potrebbero, con il clic di un pulsante, modificare facilmente effetti speciali e animazioni in modo molto più accurato di quanto non facciano oggi.