Эволюция технологий трехмерной симуляции воды в фильмах-катастрофах

Концепция Введение

Анализ технологий симуляций трехмерной воды в фильмах

1. «Послезавтра» (The Day After Tomorrow, 2004)
2. «2012» (2009)
3. «Великий потоп» (The Great Flood, 2025)
4. «Аватар: Путь воды» (2022) и «Аватар 3» (2025)

Заключение Библиография

«.теперь, когда у нас так много сцен, в которых задействованы как живые, так и CG-персонажи и элементы, нам пришлось поднять планку, чтобы добиться стопроцентной фотореалистичности.» — Джеймс Кэмерон.[1]

Симуляция гидродинамических процессов в трехмерном пространстве — один из наиболее визуальных эффектов. С течением времени и приходом лучших технических возможностей цифровая вода имеет возможность становится более «реальной», подчиняться законам физики и становится более подвижной в кадре. Достижение физической достоверности при симуляции колоссальных объемов воды долгое время оставалось труднодостижимой задачей для вычислительных мощностей. Мастерам визуальных эффектов приходилось балансировать между математической точностью алгоритмов и жесткими рамками производственного времени, хотя симуляция трехмерной воды до сих пор остается трудоемким процессом как для артистов, так и для техники. Эволюция этого процесса — это путь от грубых гибридных симуляций с двумерным маскированием дефектов до создания унифицированных физических экосистем, где вода интерактивно взаимодействует с любыми типами поверхностей и материалов в режиме реального времени.

Целью данного визуального исследования является детальный анализ технологической эволюции трехмерных симуляций жидкостей в кинематографе XXI века на примере ключевых этапов развития индустрии с 2004 по 2026 год. В работе исследуется, какими инженерными и программными средствами специалисты достигали убедительности водных масс, как менялись математические солверы и подходы к интеграции компьютерной графики с физическими декорациями и актерами.

Хронологическая структура исследования разделена на четыре технологических этапа:

1: Становление объемных симуляций (2004 г.) — анализ ранних методов расчета геометрии жидкостей и применения двумерных элементов на этапе композитинга для скрытия топологических несовершенств. 2: Глобальная физика частиц и разрушений (2009 г.) — исследование перехода к воксельным сеткам и внедрения систем двустороннего взаимодействия между жидкой средой и твердыми объектами. 3: Алгоритмы и гибридные пространства (2025 г.) — деконструкция работы современных FLIP-солверов с миллиардами микрочастиц и анализ графики со съемочной технологией Dry for Wet. 4: Микрофизика и оптическая интерактивности (2022–2026 гг.) — анализ систем симуляции, учитывающих взаимное влияние сред, механики захвата движений в водной среде, а также расчет сложной оптики подповерхностного рассеивания света в жидкостях.

В основе исследования лежит деконструкция методов создания кинематографических симуляций с анализом получившшегося визуального эффекта. Моей целью проследить эволюцию за 20 лет цифровой гидродинамики — от ранних комбинированных методов визуального маскирования на этапе композитинга до до создания комплексных цифровых сред, где вода, одежда и персонажи взаимодействуют друг с другом по реальным законам физики.

Режиссёр: Роланд Эммерих

VFX: Digital Domain (основная студия), Hydraulx, ILM, Soho VFX.

Ключевые супервайзеры: Карен Э. Гулекас (главный VFX-супервайзер проекта), Грег Андерсон, Ремо Балселлс, Эрик Бревиг, Конни Фаузер, Брайан Грилл, Бара Групп, Кристофер Хорват, Иэн Хантер, Джим Митчелл, Рокко Пассионино, Джерри Спивак, Колин и Грег Страуз.

Технологии:

Симуляция геометрии и частиц: софт Storm (Digital Domain) на базе Autodesk Maya, Houdini.

Главным технологическим вызовом для студии Digital Domain стала необходимость заставить огромный массив воды двигаться не изолированно, а в интерактивном взаимодействии с созданной скан-моделью города.

Переработка алгоритмов: До 2004 года симуляторы жидкостей работали преимущественно в пустом пространстве или с простыми геометрическими формами. Digital Domain под данную задачу переписали внутреннее программное обеспечение Storm. Были интегрированы жесткие алгоритмы детекции столкновений (collision detection). Трехмерные модели небоскребов считывались программой как непреодолимые физические барьеры с заданными параметрами трения.

Генерация пены и микрофизики среды Кристофера Хорвата Когда массивный поток воды несется по узкой улице и сталкивается со зданиями в кадре, визуальная убедительность зависит от мелкодисперсных элементов. Потоки воды рассчитывались воксельным методом. Чтобы избежать сбоев и оптимизировать колоссальные объемы вычислений, симуляция просчитывалась в два этапа: сначала вычислялся базовый гидродинамический объем «тяжелой» воды (ее поведение при столкновении со стенами, распределение масс по каньонам улиц), после этого поверх просчитанной геометрии генерировались динамические эффекты.

Финальный визуальный эффект обтекания архитектуры создавался за счет многослойного гибридного композитинга, где дефекты ранней 3D-геометрии: жесткие стыки мешей воды и стен зданий маскировались двумерными элементами.

С помощью ручного ротоскопирования и масок композиторы встраивали плотные брызги от студии Tweak внутрь меша воды от Digital Domain. Сверху CG-супервайзер Джим Хурихан накладывал внешнюю систему легких частиц бриза, которая реагировала на симуляцию ветра и размывала жесткие компьютерные границы раздела сред.

Вывод: Наводнение Нью-Йорка обозначило переход индустрии от физических миниатюр к цифровым симуляциям. Убедительность обтекания архитектуры достигнута за счет искусственного перекрытия проблемных зон слоями 2D-брызг, ещё невозможно полное взаимодействие с водой в кадре, но тем не менее достигнут фотореализм катастрофы.

Режиссер: Роланд Эммерих

Главный супервайзер визуальных эффектов проекта: Фолькер Энгель и Марк Вейгерт.

Ведущие VFX-студии: Digital Domain — Мохен Лео — VFX-супервайзер, Double Negative — Алекс Вуттке — VFX-супервайзер, Scanline VFX, Sony Pictures Imageworks. Стефан Троянски — VFX-супервайзер, создатель движка Flowline.

Супервайзеры визуальных эффектов: Мэтью Коллорафис, Райнер Гомбос, Пол Графф, Брайан Грилл, Бен Гроссманн, Джонни Хан, Дэвид Ходжинс, Иэн Хантер, Фил Джонс, Мэтт Макдональд, Мохсен Мусави, Питер Нофз, Даррен По, Дэниел П. Розен, Ари Сачтер-Зельцер, Колин и Грег Штрауз, Олкун Тан, Томас Танненбергер, Дэвид Вана, Крис Уэллс.

В отличие от изоляции слоев в технологиях 2004 года, студия Scanline VFX применила честное решение уравнений Навье-Стокса с помощью движка Flowline. Масса воды больше не являлась пассивным фоном — она физически передавала кинетическую энергию и толкала 3D модель авианосца, чье смещение, в свою очередь, меняло траекторию и завихрения водных потоков.

Чтобы обработать огромные массивы вокселей и миллиарды частиц пены без потери качества, инженерам пришлось полностью перестроить пайплайн. Они расширили дисковые лимиты движка Flowline до огромных для 2009 года 1,2 петабайта.

А чтобы хаотичное движение воды точно работало на сюжет и отвечало задумке режиссёра Роланда Эммериха, VFX-супервайзеры Фолькер Энгель и Марк Вайгерт работали над сценарием движения. Совместно со студией Pixomondo было заранее рассчитано движение воды в сцене — определены точные тайминги, скорость сближения авианосца с Белым домом и траектория движения объема волны.

На основе утвержденного аниматика команда Scanline подошла к симуляции водоема как к моделированию «персонажа» воды. Физический расчет масс программировался и направлялся по заданной траектории вручную, что позволило совместить математическую достоверность поведения воды с художественной точностью композиции кадра. В момент столкновения корабля со зданием алгоритмы автоматически сгенерировали сопутствующие волюметрические слои: взрывную волну обломков, каскады интерактивной пены и мелкодисперсную водяную пыль.

Вывод: Сцена с падением авианосца продвинула индустрию спецэффектов воды: переход от изолированного просчета слоев к интегрированной мультифизике.

В основе этого визуального эффекта лежит технология честной двухсторонней связи, реализованная с помощью движка Flowline. Она позволила воссоздать полноценное физическое взаимодействие объектов:

Вода как активная сила: масса симулируемой жидкости передает свою кинетическую энергию кораблю и тащит его за собой, заставляя судно реалистично двигаться в потоке. В ответ корпус авианосца собственным весом рассекает и вытесняет водную массу, что запускает процедурную генерацию новых интерактивных волн, каскадов пены и брызг прямо в процессе движения.

Мы можем отметить, что на данном этапе стало возможно взаимодействие с водой для крупномасштабных объектов, но актеры и персонажи всё ещё не внедрены в сцены с трехмерной водой.

Ким Бён У (Kim Byung-woo) — южнокорейский режиссер

VFX: студия М83, в фильме работало несколько студий, но я буду рассматривать шот именно этой студии супервайзеры Чан Дон Джин, Чон Сон Джин, Пак Ки До, Ким Ын Джин, Чон Со Хи, Ли Дон У (Супервайзер по симуляциям — воде, разрушениям, пене), Пэ Со Джин, Ли Ю Джин.

Софт SideFX Houdini

Просчет глобального наводнения и симуляция поведения «живой» волны-цунами выполнялись в программном пакете SideFX Houdini с применением модернизированных алгоритмов жидкостной динамики.

Вместо монолитного и равномерного просчета всего объема трехмерной воды, алгоритм динамически оптимизировал плотность частиц. Высокое разрешение симуляции и минимальный шаг сетки активировались исключительно в зонах коллизий — там, где вода взаимодействовала с геометрией разрушающихся небоскребов и персонажами. В открытых пространствах вода просчитывалась по разреженной воксельной топологии. Это позволило разделить вычисления: глобальные симуляции накатывающей волны и локальные прорывы стен и затопление интерьеров.

Тут, как и в предыдущих примерах вся вода в кадре делится на слои. Генеральный меш: Основное «тело» воды, определяющее ее глобальную кинетическую энергию, направление течения, объем и физическую массу. Пена и подповерхностные частицы: вторичная симуляция, которая автоматически генерируется на основе векторов скорости и кривизны базового меша. В зонах сильного завихрения или удара о твердые тела алгоритм сгущает частицы пены.

Волюметрический водяной туман (Mist): Микрочастицы, отделяющиеся от гребней волн. При столкновении потока с преградой жидкие меши процедурно трансформировались в газообразные объемы, создавая реалистичную взвесь в воздухе.

Так же студия использовала технологии ИИ. ПО моему визуальному анализу, в этом фильме, несмотря на большой временной разрыв с фильмом «2012» трехмерная вода выглядит неественно, объекты не отвечают инерцией, а сами большие волны смотрятся как плоские плотные стены.

Режиссер: Джеймс Кэмерон Джо Леттери -Старший VFX-супервайзер фильма

Джонатан Никсон (head of FX Wētā — FX студия, работаюсщая над визуальным эффектами в фильме)

Фреймворк Loki

Несмотря на то, что фильм Аватар, вышедший в 2022 году не является крайним по дате выхода среди моей выборки, но по технологиям он является пиковым.

Чтобы реализовать масштабные наземные и подводные съемки в «Пути воды», студии Wētā FX и инженерам Wētā Digital/Unity понадобился мощный технический ресурс. Работа над ним стартовала еще в 2017 году, а ключевой основой для симуляций стала их внутренняя платформа Loki.

Этот фильм отличается своим тонким взаимодействием между персонажами, которые созданные с помощью CG на основе актерсской игры и водой, которая тонко обтекает модель.

Для этого студии Weta нужно было решить, помимо облегчения такой сложной симуляции, проблему «прилипания» воды к телам.

Для крупных планов была внедрена система остаточной влажности. Кастомный солвер тонких пленок рассчитывает микроскопический слой воды на коже персонажей, учитывая рельеф, силу трения и гравитацию, что заставляет воду реалистично собираться и стекать по телу.

Наиболее сложным вызовом стала визуализация подводного пространства, где ключевым элементом реализма выступает поведение воздушных масс внутри жидкой среды. Студия Wētā FX отказалась от классических систем частиц, где пузыри моделировались изолированными светящимися точками. Математическая модель рассчитывает пузыри воздуха как физические пустоты и полости внутри единой воксельной сетки жидкой среды. Такие пузыри обладают честными физическими свойствами: они сжимаются от давления, деформируются от сопротивления воды, сталкиваются, объединяются в крупные объемы и расталкивают окружающую жидкость, генерируя реалистичные подводные вихри.

Технологический стек, созданный инженерами Wētā FX для фильма «Аватар: Путь воды», ознаменовал появление принципиально новой технологии симуляции — сквозного мультифизического ядра. Главный прорыв фреймворка Loki заключается в том, что он позволил воде полноценно и честно взаимодействовать с персонажами на макроуровне. Компьютерная графика преодолела барьер статичности: теперь каждый всплеск, летящая капля или подводный вихрь мгновенно реагируют на анатомические движения героев, намокание их костюмов и текстуру пор кожи. Благодаря этой интерактивности и расчету реальных физических объемов воздуха внутри жидкости, сгенерированная вода выглядит на экране абсолютно фотореалистично, стирая для зрителя грань между цифровой симуляцией и практическими съемками в павильоне.

В ходе проведенного визуального исследования были детально проанализированы разные этапы эволюции технологий симуляции водных масс в кинематографе — от ранних попыток воспроизведения масштабных катастроф до создания фотореалистичных интерактивных экосистем. На примере знаковых картин индустрии удалось проследить, как менялись математические модели, программное обеспечение и общая философия работы с цифровой гидродинамикой.

На смену бесконечному увеличению плотности воксельных сеток конца 2000-х годов пришел процедурный контроль. Современные адаптивные FLIP-солверы (как у студии M83 в «Великом потопе») динамически сужают расчетную сетку, концентрируя детализацию исключительно в зонах видимости и физических столкновений, что экономит до 50% ресурсов рендера.

Фотореализм воды зависит не только от движения частиц, но и от гидрооптики. Кастомные шейдеры подповерхностного рассеивания учитывают замутненность жидкости, а алгоритмы глобального освещения (GI) бесшовно объединяют контрастные потоки света.

Вершиной CG-индустрии стало появление сквозных фреймворков (таких как Loki от Wētā FX для «Аватара: Путь воды»). Главный прорыв — преодоление изоляции сред: вода, газы, ткани и волосы героев теперь просчитываются внутри единого вычислительного ядра. Это позволило графике выйти на макроуровень, где стихия физически достоверно взаимодействует с анатомией персонажей.

Масштабная цифровая вода всегда опирается на физические референсы — съемки актеров в специализированных бассейнах с последующей CG доработкой.