Анализ развития симуляции частиц с агентно-когерентном поведением

Идея моего исследования заключается в том, чтобы проанализировать развитие и способы симуляции агентно-когерентых частиц. Это симуляция при которой частицы действуют как своеобразный рой, сохраняя заданную форму и общие движения. При этом каждая частица сохраняет собственную физику — она может быть отброшена, отделиться от основной массы или временно действовать самостоятельно, — но вся совокупность одновременно образует когерентную субстанцию, способную держать сложную анатомическую форму (лицо, руку, торс), течь, рассыпаться и собираться заново.

Подобная симуляция будет рассматриваться на примере создания человека или человекоподобных форм. Классически человеческая форма это полноценная структура, в то время как песок в таком состоянии должен одновременно держать форму, что противоречит его физике в сухом состоянии и при этом Более того, эта технология сегодня используется не только в блокбастерах, но и в цифровом искусстве, интерактивных инсталляциях и архитектурной визуализации, где требуется симулировать поведение толпы, жидкости или сыпучей среды, сохраняющей форму.

Сложность начинается с простого физического факта: сухой песок сам по себе не держит форму. Насыпь его кучкой — она расползётся под собственным весом. Хочешь слепить фигурку — нужна вода или сосуд. Это свойство любой сыпучей среды: у неё нет внутренней связности, только трение между зёрнами, и этого хватает лишь для очень пологих склонов.

Но в кино понадобилось другое. Песок должен был стать живым. То есть он должен не просто лежать по форме, как насыпанный в мешок, а сам создавать эту форму — держать лицо, пальцы, плечи. При этом зритель должен понимать, что это именно песок, а не серая пластичная масса. То есть визуально частицы обязаны сохранять рассыпчатость: осыпаться при ударе, разлетаться в воздухе, струиться сквозь пальцы.

С технической точки зрения, осуществить такое довольно ложно. Если симулировать песок честно — как сухие несвязанные частицы, — он не сможет удержать анатомическую форму ни секунды. Если добавить искусственную связность, чтобы он держался, — он перестанет выглядеть как песок и станет похож на глину или пластелин.

Главный вопрос моего исследования — как за двадцать с лишним лет изменилось то, что технически можно сделать с агентно-когерентной материей? С чего всё начиналось: первые попытки заставить симуляцию частиц одновременно осознавать совокупность и агентность частиц. И к чему пришли сейчас: возможность управлять миллионами частиц в реальном времени, с разными типами связности, с переходом между твёрдым телом и роем без видимых стыков. Мне интересно не просто перечислить вехи, а понять, какие именно инженерные прорывы расширяли коридор возможностей — когда и за счёт чего стало возможным то, что ещё пять лет назад было невозможно. И как далеко мы ушли от той точки, где песок был просто текстурой, которая неуклюже налеплена на каркас.

​Для создания легендарного эпизода с песчаным лицом в фильме Мумия 1999 года студия Industrial Light & Magic (ILM) использовала передовые для того времени процедурные системы частиц, сочетая их с физическими эффектами и цифровым сканированием. Эта сцена, где лицо Имхотепа формируется из гигантской песчаной бури и пытается поглотить самолет, стала одним из самых сложных технических вызовов периода раннего использования компьютерной графики.

​Создание реалистичной песчаной бури требовало управления огромными массивами данных, что в 1999 году создавало колоссальную нагрузку на компьютерную память.

Программная основа: ​Симуляция базировалась на процедурных алгоритмах, ранее разработанных в ILM для создания торнадо в фильме «Смерч», но адаптированных под специфику гранулярных сред.

Система Dynamation: Специалисты использовали возможности программы Dynamation, позволявшей контролировать хаотичное движение миллионов частиц.

Сканирование лица: ​Лицо актера Арнольда Вослу было предварительно отсканировано для создания точной трехмерной модели. Аниматор создал несколько вариантов формы лица и тому подобное. В данном случае создателям очень хотелось удлинить и растянуть лицо, когда оно появляется, потому что оно должно быть сделано из песка, поэтому был добавлен дополнительный набор элементов управления, которые позволяли действительно тянуть лицо вниз и добиваться от этого преувеличенных выражений.

Поверхность как эмиттер: Анимированная 3D-модель лица использовалась в качестве «излучателя» (emitter) для частиц, что позволяло песку повторять мимику и форму головы персонажа. Была создана так называемая карта глубины — по сути, это рендер, где ближайшая точка отображается белым, а самая удаленная — черным. Эту информацию далее можно использовать с частицами, чтобы создать изображение лица в песке.

Управление параметрами: Прорыв в разработке совершил художник Рауль Эссиг, который в течение нескольких месяцев настраивал параметры симуляции, чтобы лицо выглядело органичной частью бури, а не просто наложенной сверху маской.

Визуальная интеграция: Симуляция частиц была проведена с помощью программного пакета Maya, и каждая песчинка представлена в компьютере в виде частицы; это позволило изменять ее цвет, добавлять тени и прочее, чтобы создать впечатление, будто это шерсть из песка.

​Создание персонажа Песочного человека для фильма Человек паук 3 (2007) стало одним из самых сложных технических вызовов в истории визуальных эффектов того времени. ​Специалисты из компании Sony Pictures Imageworks потратили три года на разработку уникального программного обеспечения и физических симуляций, чтобы передать реалистичное поведение песка, при этом сохраняющего цельную твердую форму.

Прежде чем приступать к разработке такого сложного ПО команда провела множество тестов с реальным песком, чтобы быть уверенными в том к какому результату они хотят прийти, поскольку было важным предусмотреть любые возможные сценарии физики.

Одним из ярких примеров был решатель задач гидродинамики, который использовал те же форматы данных, что и другой симулятор, называемый Spheresim, — упрощенный симулятор твердых тел, работающий только со сферами. Он исключает все дополнительные вычисления, необходимые для других форм, а также любые вычисления, необходимые для вращения. Преимущество этой системы заключалось в том, что она позволяла моделировать скопление песчинок, в котором каждая песчинка представлялась отдельной сферой.

В случае съемки крупным планом или даже немного более широкого плана каждая сфера представляла бы собой группу из 10-50 песчинок. Поскольку приложение было разработано в той же библиотечной структуре кода C++, оно фактически использовало те же силы и форматы данных, что и решатель задач гидродинамики, позволяя в любой момент переключать тумблер и запускать моделирование газа или жидкости, создавая красивое вихревое, турбулентное движение, которые затем можно было бы представить в виде мелких песчинок, мелкой пыли или отдельных камней.

Это позволило комбинировать состояния симуляции и создавать Песочного человека как цельного персонажа в человеческой форме. Например, в эпизоде ​​с [Флинтом] Марко, где он превращается в атом, видно как он растворяется и разлетается на отдельные песчинки. Опять же, это было сделано с помощью целого набора инструментов, использующих общий формат файлов. В данный момент он представляет собой полигональную сетку, а затем в определенном кадре заменяется миллионами мелких частиц, которые будут привязаны к этой сетке. Этот переход не заметен, но это позволяет отделить отдельные частицы от общей сетки и заставить их разлететься, как самостоятельных агентов.

В фильме 2021 года сложности были не только в том, чтобы улучшить графику и симуляцию частиц, но и в том, что сам актер не присутствовал на съемочной площадке из-за серьезных ковидных ограничений. Для создания Песочного человека в фильме студии визуальных эффектов использовали современные методы симуляции частиц, интеграцию архивных кадров и процедурное моделирование, чтобы передать как физику песка, так и актерскую игру.

Базовый уровень эффектов определялся, или, по крайней мере, запускался, работой аниматоров. Затем анимированное тело подавалось в сложную серию симуляций, сочетающих динамику твердых тел, зерна пергамента и моделирование частиц. Они использовали RBD для моделирования более крупных частей его тела — крупномасштабных движений, которые приводили к растрескиванию и раскрытию песка. Эти твердые тела затем приводили в движение симуляцию зерен, формирующих поверхность тела Песочного человека, которые затем распадались на комки и регенерировали, заполняя оставшиеся пустоты.

Наконец, были проведены дополнительные симуляции частиц для целенаправленного художественного моделирования падения песка, обычно в виде более мелких потоков. Вся мотивация должна была исходить из анимации — падение песка без видимой причины или, наоборот, участки, не извергающие песок, например, когда руки трутся о тело, выглядели бы странно. Поэтому создателям пришлось обосновать почти каждую часть симуляции.

Если поставить все фильмы вместе, то отлично считывается эволюция симуляции агентно-когеренных частиц.

Программное обеспечение: Мумия (1999): ​Студия пришлось самостоятельно разрабатывать передовые для того времени методы раннего CGI для создания трансформаций Имхотепа и знаменитого лица в песчаной буре. ​Основной упор делался на системы частиц и визуальные эффекты, которые позволяли симулировать движение песка.

Человек-паук 3 (2007): ​Для реализации Песочного человека компания Sony Pictures Imageworks2 в течение трех лет также разрабатывала специализированное физическое программное обеспечение. ​Ключевым инструментом стала система Sandstorm3 и библиотека Spheresim, которая моделировала каждую песчинку как отдельную жесткую сферу. ​Это позволило достичь беспрецедентного уровня детализации, управляя сотнями миллионов частиц, что значительно превосходило возможности систем десятилетней давности.

Человек-паук: Нет пути домой (2021): ​В современном производстве основным инструментом стала процедурная среда Houdini4 с использованием решателей Vellum Grains. ​Вместо написания кода с нуля, художники из Digital Domain5 применяли систему Solaris и технологию USD для управления колоссальными массивами данных. ​Это позволило создавать сложные многослойные симуляции, включающие динамику жестких тел для разрушений и тонкие гранулярные потоки для поверхности персонажа, а также позволило обрабатывать значительно большее количество частиц на экране.

Масштаб и взаимодействие с окружением

Мумия (1999): ​Технологии 1999 года позволяли создавать впечатляющие, но локализованные эффекты, такие как стена песка, поглощающая самолет. ​Взаимодействие с окружением часто дополнялось практическими эффектами на съемочной площадке, чтобы актеры могли более естественно реагировать на происходящее. ​Ограниченные вычислительные мощности того времени требовали тщательного планирования каждого кадра с CGI.

Человек-паук 3 (2007): ​Симуляция песка в 2007 году уже позволяла персонажу полностью менять форму, превращаясь из человеческой фигуры в гигантское облако или кучу песка. ​Песок взаимодействовал с физическими объектами в кадре, основываясь на библиотеках жестких тел, что требовало огромных затрат времени на рендеринг. ​Однако все еще было заметно где находится часть с когерентным песком, а где с агентгым.

Человек-паук: Нет пути домой (2021): ​Современные мощности позволяют обрабатывать миллиарды полигонов в одной сцене, что было продемонстрировано в финальной битве у Статуи Свободы. ​Персонаж активно взаимодействует с полностью цифровым окружением (строительными лесами, балками), вызывая их динамическую деформацию в реальном времени. ​Скорость итераций возросла настолько, что художники могут вносить изменения в поведение миллионов частиц за считанные часы, а не недели.

За двадцать с лишним лет технология прошла путь от анимации требующей разработки нового ПО, до полновесной симуляции, где каждый агент действует сам по себе, но вместе они образуют связное тело. Расширение возможностей шло по трём направлениям: рост числа одновременно просчитываемых частиц (от сотен тысяч к сотням миллионов), появление гибридных алгоритмов, удерживающих баланс между рассыпчатостью и формой, и переход от жёстко заскриптованных сцен к динамическому поведению в реальном времени. Сегодня это уже не трюк для одного конкретного кадра, а универсальный инструмент, который позволяет создавать субстанции с любой степенью связности — от сухого песка до вязкой глины. Моё исследование фиксирует эту эволюцию и отвечает на вопрос: какие именно технические решения на каждом этапе раздвигали границы возможного.