Een nieuwe theorie gebaseerd op de fysica van wolkenvorming en neutronenverstrooiing kan animators helpen om meer levensechte films te maken. volgens een door Dartmouth geleide studie. Software ontwikkeld met behulp van de techniek richt zich op hoe licht interageert met microscopisch kleine deeltjes om door de computer gegenereerde afbeeldingen te ontwikkelen.

Onderzoekers van Pixar, Disney-onderzoek, ETH Zürich en Cornell University hebben bijgedragen aan het onderzoek. Een onderzoekspaper waarin de vooruitgang wordt beschreven, zal worden gepubliceerd in het tijdschrift Transactions on Graphics en gepresenteerd op SIGGRAPH Asia, vindt plaats van 4-7 december in Tokio, Japan.

Objecten zoals wolken bevatten miljarden individuele waterdruppels die niet praktisch zijn om te plotten in computergraphics voor filmscènes. Als resultaat, Met de huidige technieken kunnen kunstenaars alleen de dichtheid van deeltjes in elk deel van een wolk specificeren om de vorm en het uiterlijk te bepalen. Bestaande systemen laten geen enkele controle toe over hoe de deeltjes feitelijk ten opzichte van elkaar zijn gerangschikt.

"Door alleen de dichtheid te beheersen, huidige technieken gaan er in principe vanuit dat de deeltjes willekeurig zijn gerangschikt, zonder enige onderlinge afhankelijkheid, " zei Wojciech Jarosz, een assistent-professor computerwetenschappen aan het Dartmouth College die toezicht hield op het onderzoek. "Maar deze beperking kan een dramatisch effect hebben op het uiteindelijke uiterlijk."

In werkelijkheid, deeltjes zijn niet altijd willekeurig gerangschikt. Ze kunnen samenklonteren of gelijkmatig uit elkaar spreiden, afhankelijk van het soort materiaal. Begrijpen hoe deeltjes zijn gerangschikt en hoe licht ermee in wisselwerking staat, biedt filmmakers een verscheidenheid aan nieuwe artistieke opties.

"Er is een hele reeks dramatisch verschillende verschijningen die artiesten tot nu toe niet konden ontdekken, " zei Jarosz. "Vroeger, artiesten hadden in feite één controle die het uiterlijk van een wolk kon beïnvloeden. Nu is het mogelijk om een ​​veel rijker palet aan mogelijkheden te verkennen, een verandering die net zo dynamisch is als de overgang van zwart-witbeelden naar kleur."

In de Dartmouth-studie, onderzoekers vergeleken hoe een lichtstraal reist door een materiaal dat bestaat uit willekeurig gerangschikte deeltjes met hoe het reist door een materiaal dat bestaat uit deeltjes die meer natuurlijk geordend zijn. Het team nam het gemiddelde van de resultaten van miljoenen proeven die aantoonden hoe ver fotonen reizen voordat ze tegen deeltjes of andere objecten botsen.

Gewoonlijk, een grafiek die modelleert hoe fotonen door een materiaal met onafhankelijk gerangschikte deeltjes bewegen, verschijnt als een even, "exponentiële" curve die aangeeft dat het licht gelijkmatig afneemt tijdens het reizen. Wanneer deeltjes samenklonteren, als in een wolk, fotonen overleven gemiddeld langere afstanden, wat resulteert in een curve met een langere staart.

Het resultaat is niet alleen spannend in wiskundige modellen, het team programmeerde de bevinding in software waarmee artiesten een grotere verscheidenheid aan looks kunnen creëren door aan te passen hoe licht door "volumetrische materialen" zoals wolken reist, mist, de nevel, een marmeren beeld, of onze eigen huid.

belangrijk, het creatieve resultaat zal ook een nauwkeurigere weergave zijn van de natuurkunde in de echte wereld. De doorbraak stelt kunstenaars in staat een realistisch resultaat te behouden terwijl ze reageren op creatieve richting door de fysica effectief te "sturen" om bepaalde artistieke effecten te bereiken.

"Er is een interessante interactie tussen kunst en wetenschap wanneer je animatiefilms maakt, " zei Benedikt Bitterli, een doctoraat student aan Dartmouth die co-auteur was van het onderzoekspaper. "Je doet deze natuurkundige simulatie, maar de mensen die het gebruiken zijn geen natuurkundigen. We maken software en simulaties voor gebruik door kunstenaars."

Om het probleem aan te pakken om te begrijpen hoe deeltjes zichzelf organiseren, het onderzoeksteam wendde zich tot atmosferische wetenschappen en neutronentransport. Op die onderzoeksterreinen het kennen van de rangschikking van waterdruppels of reactormateriaal heeft belangrijke implicaties voor het bestuderen van klimaatverandering en het veilig houden van kernreactoren.

Terwijl onderzoekers al geruime tijd proberen de uitdaging van de deeltjesrangschikking te overwinnen, er was nog geen reeks vergelijkingen ontwikkeld die het probleem op een algemene manier oplost.

"Dit was niet alleen een kwestie van technieken uit andere onderzoeksgebieden overnemen en deze gebruiken om mooie foto's te maken met computergraphics, " zei Bitterli, die het werk zal presenteren op SIGGRAPH Asia. "Het was een nieuwe en buitengewoon moeilijke uitdaging om de natuurkundige vergelijkingen goed te laten werken."

Het onderzoeksteam paste de techniek ook toe op vaste objecten zoals marmeren beelden waar wat licht van het oppervlak weerkaatst, maar sommigen reizen ook door het materiaal, wat leidt tot zijn doorschijnende uiterlijk. Met de nieuwe techniek kunnen kunstenaars de manier waarop licht op de objecten interageert veranderen, maar zonder de dichtheid te veranderen.

Het door Dartmouth geleide onderzoek komt na een recente studie van de Universiteit van Zaragoza waarin naar soortgelijke problemen werd gekeken, maar die zich alleen richtte op objecten met een uniforme dichtheid. Beide onderzoeken komen omdat krachtigere computers en software-innovaties filmstudio's ertoe hebben aangezet om meer geavanceerde technieken te ontwikkelen op basis van de fysieke wereld.

Srinath Ravichandran (Dartmouth College), Steve Marschner (Cornell University), Thomas Müller (Disney Research/ETH Zürich), Magnus Wrenninge (Pixar) en Jan Novák (Disney Research) deden allemaal mee aan dit onderzoek.