Fazendo com que os fluidos animados pareçam mais realistas

Nos bastidores da maioria dos efeitos especiais de filmes estão computadores processando intensas equações matemáticas. E alguns dos tipos mais complexos de equações de animação descrevem o movimento fluido: qualquer coisa, desde o fluxo de lava até uma explosão, até o surgimento e desaparecimento de anéis de fumaça. Mas muitas vezes, as equações disponíveis para os animadores não são boas o suficiente para representar e controlar fluidos com precisão, diz Mathieu Desbrun , professor de ciência da computação no California Institute of Technology, em Pasadena. Para fazer a animação fluida parecer boa o suficiente, diz ele, alguns animadores optam por desenhá-la à mão - um processo demorado.

O líquido giratório neste globo de neve obedece a novas equações para simulações de computador desenvolvidas na Caltech. Os pesquisadores afirmam que essas equações renderizam o movimento líquido que é mais realista do que o que é possível com o software de animação por computador de hoje.

Mas a pesquisa de Desbrun poderia fazer os fluidos fluírem mais bem na tela. Ele e sua equipe estão desenvolvendo uma abordagem inteiramente nova para o movimento dos fluidos, baseada em uma nova matemática chamada geometria diferencial discreta, que usa equações projetadas especificamente para serem resolvidas por computadores em vez de pessoas. Em última análise, diz ele, eles têm o potencial de reduzir o custo e o tempo de criação de uma animação. Agora que estamos usando computadores, é um jogo totalmente novo, diz ele.

Multimídia

  • Observe a fumaça obedecer às novas equações de dinâmica de fluidos

  • Observe um personagem liquefeito obedecer às novas equações de dinâmica de fluidos

Antes dos computadores, explica Desbrun, matemáticos e físicos desenvolveram equações para o movimento de objetos como sólidos e fluidos, e muitas delas eram solucionáveis ​​manualmente. Nas últimas décadas, ficou claro que os computadores poderiam ser usados ​​para resolver muitas das equações mais difíceis, então cientistas da computação e matemáticos pegaram o conjunto conhecido de equações e tentaram modificá-las para a tarefa. Eles retrabalharam as equações que explicam as regras físicas, efetivamente dividindo-as em centenas de vários blocos para que o cérebro digital de um computador, que é bom em trabalhar em muitos desses blocos de uma vez, pudesse resolvê-los.

Embora muito trabalho bem-sucedido tenha sido feito usando essa abordagem, diz Desbrun, essas equações ainda apenas aproximam o movimento e tendem a produzir líquidos que fluem de maneira não natural. Por exemplo, no caso de um redemoinho, ao longo do tempo a abordagem tradicional introduz erros no movimento, produzindo viscosidade artificial: o resultado visual é um redemoinho que diminui a velocidade sem motivo aparente. Um animador deve intervir para modificar os quadros para garantir que o líquido continue se movendo da maneira certa.

A abordagem de Desbrun é escrever novas equações baseadas em propriedades físicas que não são expressas nas equações tradicionais. Por exemplo, as equações tradicionais incluem informações sobre a velocidade de um líquido e são usadas para aproximar ou fornecer uma descrição inexata do movimento de um líquido se ele começar a girar. Mas as equações de Desbrun contornam a velocidade simples e, em vez disso, descrevem o movimento giratório com exatidão e de uma forma que os computadores podem facilmente triturar. Em vez de apenas aproximar deles, podemos capturar a dinâmica fielmente, diz ele. E mostramos que vale a pena visualmente.

Em artigo publicado este mês na revista Transações em gráficos , Desbrun e sua equipe descrevem a abordagem que adotam para modelar fluidos em redemoinho ao redor e dentro de objetos sólidos, como um globo de neve. A abordagem tradicional aproximaria a velocidade do líquido em vários pontos no espaço e no tempo e usaria isso para aproximar seu movimento ao longo de um caminho circular. Mas as equações de Desbrun modelam a circulação real do líquido, como se fosse uma propriedade tão fundamental quanto a velocidade.

Para simular a circulação do líquido, os pesquisadores devem capturar a propriedade fundamental dessa circulação, chamada de fluxo. O fluxo, ou a quantidade de líquido que se move através de um espaço em um determinado momento, é capturado quebrando o redemoinho em pequenos pedaços e determinando o fluxo em cada pedaço. Esses valores são inseridos na equação de movimento, permitindo que o líquido flua com mais precisão.

Até agora, diz Desbrun, os resultados são promissores. Esta abordagem demonstrou fornecer boa previsibilidade estatística ... garantindo alta qualidade visual.

A pesquisa pode ser significativa para a comunidade da computação gráfica, diz Eva Kanso , professor de engenharia aeroespacial e mecânica da University of Southern California, em Los Angeles, que modela fluidos computacionalmente. Tradicionalmente, ela diz, a tendência era usar computação rápida que é semelhante à realidade, mas não baseada na física real. É um grande passo para a comunidade da computação gráfica olhar para as leis da física e tentar simulá-las, especialmente agora com uma grande demanda por animações mais realistas.

James O'Brien , professor de ciência da computação na Universidade da Califórnia, Berkeley, diz que se o método computacional tradicional e o método de Desbrun fossem frente a frente, não haveria muita diferença no tempo que leva para renderizar uma animação . No entanto, diz ele, o verdadeiro ponto é obter resultados de melhor aparência com a mesma quantidade de esforço.

Agora, diz Desbrun, sua nova abordagem de computação não está pronta para o horário nobre no software encontrado em estúdios de animação, mas colegas da Universidade de Columbia estão explorando a opção. Não levamos nossa pesquisa ao ponto em que pudéssemos ajudar as empresas de cinema a adicionar mais controle sobre a forma como os fluidos fluem, diz ele. Mas, acrescenta, se as equações forem usadas em software, os artistas poderiam, com o clique de um botão, modificar facilmente efeitos especiais e animações com muito mais precisão do que podem hoje.

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