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.

В симуляции каждый волос представлялся как цепочка узлов: каждый узел соответствовал контрольной точке направляющего волоса и условно отвечал за массу отдельного участка. Узлы соединялись двумя типами пружин. Линейные пружины сохраняли длину сегментов волоса, а угловые — поддерживали правильную ориентацию между соседними сегментами. Линейные пружины можно было взять из стандартной модели симуляции ткани, но для угловых пришлось разрабатывать отдельное решение. Обычные пружины изгиба, которые часто применяются в ткани, не подошли: они соединяют узлы через один или несколько промежуточных узлов, но не всегда надёжно сохраняют форму угла. Из-за этого в волосе могли появляться нежелательные искажения, поэтому для шерсти потребовалась более точная модель угловой пружины.

При симуляции волос нужно было учитывать два типа столкновений: волосы могут соприкасаться с телом персонажа и друг с другом. Эти случаи обрабатывались отдельно, потому что у каждого были свои технические сложности. Для столкновений волос с телом каждому персонажу задавали специальную упрощённую форму — объект столкновения. Затем система проверяла, не проходят ли волосы сквозь эту форму. Чтобы ускорить расчёты, использовались стандартные методы поиска пересечений и дополнительные ограничения, например проверка только в пределах длины волоса. Если волос всё же оказывался внутри тела персонажа или другого объекта, система «выталкивала» его наружу. В большинстве случаев такого подхода было достаточно, чтобы шерсть не проваливалась сквозь модель и сохраняла убедительное положение на теле.

Чтобы шерсть сохраняла объём, было важно учитывать взаимодействие волосков между собой. Без этого отдельные волоски свободно проходили бы друг сквозь друга, и мех выглядел бы плоским и неубедительным. Это особенно важно при работе с направляющими волосами: один такой волос фактически представляет не один-единственный волосок, а целую область меха вокруг себя. Поэтому нужно было передать не только движение каждой направляющей, но и ощущение столкновения между объёмами шерсти. Для этого в симулятор добавили дополнительную силу взаимодействия. Когда два волоса оказывались слишком близко, между ними временно возникала отталкивающая «пружина»: она не давала им сближаться дальше и раздвигала уже пересекающиеся участки. Сила этого отталкивания зависела от расстояния между волосами, их относительной скорости и настроек, которые были заданы.

Шерсть Аслана уже выглядит значительно более разнообразной по цвету, плотности и структуре. В гриве заметны отдельные пряди, небольшие волны, которые помогают сделать образ живее. Разные участки шерсти отличаются по направлению, толщине и степени пушистости: где-то мех лежит плотнее, а где-то образует более свободные, воздушные пряди.

В «Жизни Пи» технология цифровой шерсти выходит на следующий уровень после «Нарнии». Если Аслан оставался фантастическим говорящим персонажем, то Ричард Паркер должен был восприниматься как фотореалистичная копия настоящего тигра.

С точки зрения меха главное достижение Rhythm & Hues в «Жизни Пи» было не просто в том, что они создали очень много волосков на тигре, а в том, что они научились убедительно освещать и рендерить эту шерсть. Команда перестроила подход к свету так, чтобы мех реагировал на окружение естественно: ловил блики, давал мягкие тени, пропускал и рассеивал свет. Для этого они использовали более сложную систему освещения и специальную модель поведения света в волосах.

Шерсть Ричарда Паркера воспринималась как объёмная масса: свет проходил через неё, смягчался и создавал более глубокий цвет.

В Rhythm & Hues уже имели большой опыт создания цифровых животных, однако обычно даже приближенные к фотореалистичности персонажи должны были говорить, петь и быть очеловеченными. В случае «Жизни Пи» задача была строже: тигр не должен был казаться сказочным или стилизованным. Он должен был выглядеть как реальный зверь, которого зритель мог бы принять за настоящего.

Шерсть Ричарда Паркера была связана с окружением через отражённый свет. Практически это проявлялось в том, как тигр «вписывался» в сцену и реагировал на окружение. По словам Джейсона Бэйевера, Ричард Паркер в основном рендерился с помощью трассировки лучей — то есть свет в кадре рассчитывался не только как прямое освещение, но и как отражённый свет от окружающих предметов. Например, яркий брезент мог давать световой отскок на подбородок тигра, а оранжевые сиденья лодки — создавать тёплую цветную засветку на его шерсти. Благодаря этому мех не выглядел отдельно наложенным на сцену.

Самая интересная часть — это взаимодействие меха с водой. В сценах с мокрым тигром R&H не могли просто «повесить» мех на уже готовую анимацию. Джейсон Бэйевер описывал этот процесс как постоянный обмен между отделами. Сначала специалисты по эффектам создавали черновую симуляцию воды в Houdini, затем аниматоры помещали в неё тигра и выстраивали его движение, после чего водная симуляция пересчитывалась заново уже с учётом тела животного.

После этого отдел технической анимации получал данные о движении воды, которые показывали, в каком направлении и с какой силой течёт вода вокруг тигра. По этим данным рассчитывалось поведение меха. Шерсть над водой могла прилипать к спине и телу, как тяжёлый намокший мех, а шерсть под водой — двигаться медленнее и вязко смещаться вместе с потоком, словно настоящий мокрый подшёрсток.

С точки зрения производства «Жизнь Пи» важна не только визуальным результатом, но и тем, как Rhythm & Hues оптимизировала рендер шерсти. У тигра были миллионы волосков, и если каждый раз полностью пересчитывать освещение для каждого из них, кадры рендерились бы слишком долго и с большим количеством шума. Поэтому команда использовала специальный кэш отражений в волосах: система запоминала часть уже рассчитанных световых данных вдоль прядей и могла использовать их повторно. После переработки этот кэш стал точнее учитывать вклад разных источников света и эффективнее храниться в памяти. В результате время рендера удалось сократить примерно вдвое.

В «Стражах Галактики» работа с шерстью выходит на ещё более сложный уровень: мех Ракеты должен был быть не только фотореалистичным, но и устойчивым в самых разных условиях освещения — от тёмной космической капсулы до яркого дневного света и сцен с огнём.

Framestore использовала собственные инструменты груминга. Изучение внешнего вида настоящего меха енотов помогло сделать вывод, что каждый волосок шерсти по всей длине разделен на четыре цвета. Иногда цвета короткие, а иногда длинные, и характер этого сочетания влиял на общий вид шерсти.

При сравнении Ракеты с его реальным прототипом — енотом Орео — заметно, что художники Framestore не стремились к буквальному копированию животного. Внешность персонажа намеренно сделана более выразительной и слегка «потрёпанной»: шерсть у него длиннее, гуще и более кудрявая, чем у настоящего енота. Особенно это видно в области щёк и морды, где мех торчит сильнее и образует почти мультяшный силуэт.

Дополнительную сложность создавало использование рендера Arnold от Solid Angle. Персонаж рассчитывался с помощью трассировки лучей — метода, при котором программа просчитывает путь света в сцене: как он падает на объект, отражается, проходит между волосками и создаёт тени. Для пушистого персонажа это особенно тяжело, потому что каждый волос должен был затенять соседние волосы и участвовать в общем освещении.

Большая часть времени по разработке внешнего вида персонажа ушло на то, чтобы уменьшить шум и сохранить качество меха.

Коллизии шерсти с телом и костюмом у Ракеты решались не просто «автоматической симуляцией», а через отдельный процесс. Для объектов, с которыми должна была сталкиваться шерсть, в fDynamo строили SDF-объёмы — то есть упрощённые объёмные представления формы тела или одежды. По ним система понимала, где волос не должен проходить сквозь поверхность, и затем просчитывала динамику шерсти.

После этого результат всё равно не считался финальным: проблемные участки дополнительно правили вручную или полуавтоматически. Особенно это было важно для морды, потому что у Ракеты шерсть должна была не просто физически двигаться, а сохранять читаемую мимику. Например, длинные волоски на щеках при улыбке или прищуре начинали слишком сильно «плавать» и отвлекали от выражения эмоций. Чтобы это исправить, кончики этих волос дополнительно «привязывали» к специальной версии головы без активной лицевой анимации.

Одной из ключевых особенностей шерсти Ракеты стало разделение меха на несколько типов волос. Рэйчел Уильямс объясняла, что мех енота состоит из «слоя коротких тонких волос и слоя более длинных и толстых волос». Благодаря такому разделению в симуляцию включались только длинные волосы, тогда как весь короткий подшёрсток не требовал отдельного просчёта. Это позволяло сохранить визуальный объём шерсти и добиться более точного движения длинных волос без чрезмерной вычислительной нагрузки.

Если «Жизнь Пи» была сосредоточена на убедительности одного сверхдетализированного тигра, то «Король Лев» расширил эту задачу до целого мира цифровых животных. Они должны были выглядеть как кадры из документального фильма BBC о дикой природе, но при этом оставаться персонажами с «человеческим» поведением.

В «Короле Льве» работа с цифровой шерстью стала частью более физически точного подхода к фотореализму. MPC переработала свой fur shader, опираясь на исследования различий между шерстью разных видов животных. Эллиот Ньюман отмечал, что команда изучала «различия между мехом разных видов животных» и «разнообразие параметров меланина, влияющих на цвет шерсти». Это позволило сделать мех «гораздо более физически достоверным» по сравнению с ранними версиями шейдера и приблизиться к результату, который выглядел правильно уже «непосредственно из рендера», без чрезмерной зависимости от композитинга.

При этом цвет шерсти не был одинаковым по всей поверхности. Команда добавила вероятностные настройки, которые создавали вариативность от кадра к кадру и от пряди к пряди: изменение цвета от корня к кончику, случайные тёмные концы волос и локальные карты вероятности. Благодаря этому мех выглядел менее однородным и более живым. В этом одно из важных отличий от «Жизни Пи»: если ранее Rhythm & Hues прежде всего добивалась убедительного рассеивания света и глубины шерсти, то MPC уже переводила цвет и микроструктуру меха в более физически направленную систему параметров.

Освещение и рендер в «Короле Льве» тоже показывают переход к более современному подходу. Финальное изображение рендерилось в RenderMan, а меховый шейдер MPC настраивался так, чтобы выдерживать много отражений света в сцене. Шерсть стала полноценной частью общей системы освещения: свет мог многократно отражаться, рассеиваться и взаимодействовать с мехом.

Ключевой сдвиг в «Короле Льве» связан с тем, что работа с шерстью стала частью единого производственного пайплайна: груминг, симуляция и рендер были связаны между собой. Базовый грум создавался в Furtility — внутреннем инструменте MPC, работавшем как плагин для Maya. Художники начинали с направляющих кривых, задавали общее направление шерсти, а затем добавляли слипание прядей, неравномерность и характерную «грязность», чтобы мех не выглядел слишком чистым и искусственным.

Для «Короля Льва» Furtility глубже интегрировали с Houdini. Это было важно не просто для переноса направляющих волос, а для того, чтобы разные свойства грума — например степень влажности или другие параметры шерсти — могли становиться атрибутами внутри Houdini. Благодаря этому изменения можно было накладывать слоями поверх исходного грума, не разрушая его. Затем данные передавались дальше в Katana, где специалисты по свету могли при необходимости дополнительно корректировать поведение меха в кадре.

Оливер Винвуд объяснял, что грумы животных разделяли по длине волоса: мех на теле отделяли от гривы. Обычно короткий мех корпуса вообще не симулировали отдельно — ему хватало движения от анимации тела, скольжения кожи и мышечной симуляции. Полноценную симуляцию применяли там, где она действительно заметна и влияет на выразительность кадра, прежде всего на гриве.

При этом команда не всегда просчитывала весь грум целиком. При переносе из Furtility в Houdini можно было брать в симуляцию только часть волос: в особо важных кадрах до 40–50% исходного грума, а в менее крупных или менее заметных сценах — даже около 1%. Затем результат переносился обратно на полный мех. Это давало разумный баланс между физической достоверностью и скоростью работы: шерсть выглядела убедительно, но художники не тратили время на просчёт тех волос, движение которых зритель всё равно почти не увидит.

С развитием технологий внешний вид шерсти CG-животных постепенно менялся. В «Джуманджи» мех ещё выглядит достаточно примитивно: для своего времени это было большим достижением, но в реальных кадрах с актёрами животные всё же заметно выделяются. Такая шерсть могла бы хорошо работать внутри более условного или мультяшного изображения, но рядом с живыми людьми и настоящими интерьерами её ограничения становятся заметны. Постепенно в цифровой шерсти появляется всё больше деталей: от Аслана с более сложной гривой и отдельными прядями — к Ракете, который сочетает реализм и мультяшное преувеличение. Ричард паркер выделяется особенной проработкой взаимодействия меха со светом, водой и окружающей средой. В «Короле Льве» разнообразие подшёрстка, структуры волос, цвета и реакции на свет становится ещё более сложным. Если смотреть отдельные кадры без контекста — не учитывая моменты, где животные выдают себя человеческим поведением или мимикой, — их уже можно принять за реальные съёмки дикой природы.

Подводя итог, можно сказать, что развитие цифровой шерсти прошло путь от условной имитации меха к сложной системе, встроенной в физику и освещение кадра. В ранних фильмах главной задачей было создать саму массу волос и заставить её двигаться достаточно убедительно. Позднее внимание сместилось к более тонким вещам: разной длине и структуре волос, слипанию прядей, взаимодействию с водой и одеждой, самозатенению, рассеиванию света и естественной пигментации.

На примере «Джуманджи», «Нарнии», «Жизни Пи», «Стражей Галактики» и двух частей «Короля Льва» видно, как цифровой мех постепенно перестал быть декоративным слоем поверх модели. Он стал частью характера персонажа и частью общей фотореалистичной иллюзии. Именно поэтому современные CG-животные воспринимаются убедительно не только из-за формы тела или анимации, но и благодаря тому, как их шерсть живёт в кадре: движется, ловит свет, темнеет от воды, сбивается в пряди и реагирует на окружающую среду.