【分享】《冰雪奇緣2》中的流體模擬

2021-01-21 cgview

掉粉文章,下文如果都是中文但是你不知道它在說什麼很正常,每年的siggrah都是這樣的,尤其在說到AI 算法的時候我都是這個感覺.....

在克裡斯·巴克(Chris Buck)和詹妮弗·李(Jennifer Lee)的《冰雪奇緣2》中,我們與艾爾莎(Elsa)和安娜(Anna)回到了阿倫德爾(Arendelle)的世界,進一步進入了新的地方冒險,例如魔法森林(Enchanted Forest)。這些新的冒險要求Walt Disney動畫工作室開發出更新的流體模擬的方法。不負眾望,他們在這個項目中打破了各種挑戰。

迪士尼動畫公司為電影製作的各種FX的詳盡細目分類,包括液體,火和破碎


超越冰和雪

首部《冰雪奇緣》電影於2013年發行,在冰雪模擬方面取得了重大進展。而《冰雪奇緣2》通過多種方式提升了之前的效果。「我們面臨的挑戰是多樣性的大型史詩般的效果,每個場次的變化都很大,」特效動畫的聯合負責人Marlon West指出。「我們具有由表演和風格化效果組成的四個基本角色:風靈(風之精靈),火靈,水靈和土靈。這些基本角色中的每一個都需要與布局layout,角色動畫,技術動畫和燈光進行前所未有的跨部門協作。」

風靈需要傳達情感和思想,只能由周圍環境中的元素來表達。由於風靈主要居住在魔法森林中,因此藝術家需要讓森林中的任何樹木或樹葉以及地面能與角色進行交互。

艾爾莎(Elsa)創造的冰橋通過翻轉模擬,波浪雕刻,RBD模擬和冰模型的結合而被摧毀。 


同時,名為Nokk的水靈是一匹完全由水組成的馬。它需要在海面的上方和下方都可見,還必須將狀態從水變為冰。火靈是一隻小蠑螈,它用魔法之火點燃大片森林。這些火焰也需要與艾爾莎的冰爆相互作用。土地精靈是巨大的巖石巨人,他們穿過森林,投擲巨石,並在他們身後製造毀滅。他們最終摧毀了一座大壩,引發了一場可能摧毀阿倫德爾王國的洪水。最後,艾爾莎的魔力還要以各種形式貫穿整部電影。

沃爾特迪斯尼動畫工作室擁有一支經驗豐富的團隊,負責所有必要的特效工作。特效動畫聯合負責人Dale Mayeda說:「為了在《冰雪奇緣2》中創建大量令人眼花繚亂的特效,我們用Houdini作為特效製作流程的核心,它提供了靈活性和能量來處理從大型模擬到精美的藝術的一切魔術表演。」

《冰雪奇緣2》中最具技術挑戰性的一個鏡頭是艾爾莎在暴風雨的海面上奔跑,她會遇到海浪甚至有時被高達她五倍高度的海浪淹沒。這個場次需要一定高度和頻率的波浪,並組合使用了模擬和程序性海洋表面。

效果主管Erin Ramos解釋說:「為了製作出巨大的桶狀翻浪breaking barrel waves,我們使用Houdini FLIP和驅動模擬的三階斯託克斯波方程(equation for third-order Stokes waves driving the simulation)建立了一個波浪水槽裝置。」「波動方程在HDA內的VEX中編碼,允許特效師輸入所需的波長和振幅,以生成用於模擬的矢量場。」


使用帶有Houdini FLIP的波浪水槽裝置可產生破裂的桶狀波。

「為了增加一層真實感,」拉莫斯繼續說,「水是用一個空氣場模擬的。」一個低密度的粒子層被添加到模擬中,FLIP解算器被修改以允許從主水面脫離的水粒子表現出彈道行為,而不是在空氣場中遊來遊去。低密度粒子產生的速度場被用來推進粒子以產生二次元素,例如自旋漂移和噴霧。」

事實證明,海浪的運動的節律是鏡頭組成中不可或缺的一部分,因此基本模擬必須在鏡頭進入布局和動畫之前進行。這為艾爾莎提供了一個完整的地面動畫,讓她可以在上面奔跑並做出反應,使她的表演更加可信。

影片的高潮還涉及到水的模擬,即大壩破裂並釋放出大量流向Arendelle的水流。水特效負責人斯科特·湯森(Scott Townsend)建議,迪斯尼動畫工作室(Walt Disney Animation Studios)採用了多種解決方案來創造這種效果。

這部電影的高潮部分還包括了對大壩決堤瞬間的水模擬,並釋放出一股水流向阿倫德爾(Arendelle)。水的特效負責人斯科特·湯森(Scott Townsend)建議華特迪士尼動畫工作室(Walt Disney Animation Studios)採取多種解決方案來創造這種效果。

「為了拍攝水流衝過峽灣的場景,我們進行了一次低解析度的流體模擬,在放置攝像機之前,模擬了峽灣幾何形狀的長度為2公裡、寬度為300米的場景。」這樣,布局藝術家就有了一個物理正確的水的模擬作為參考,以擺放他們的相機來展示洪水最有趣和最危險的部分。在此基礎上,藝術家們運行了必要的高解析度工作流程,該流程基於一種新的中等解析度模擬,在白色水沫、薄霧和自旋漂移的流體上添加表面細節和海浪的飛沫。」

大壩破裂後,水流向Arendelle釋放。此圖顯示了基本模擬和最終鏡頭。 

拍攝時採取了不同的方法,Elsa和Nokk騎在洪水之上。這裡的挑戰是,流動的表面需要看起來很危險,同時還能「清晰地看到」角色。這一次,採用了一種更藝術化的解決方案,拉莫斯Ramos指出,藝術家「雕刻的流體源與我們的角色一起流動,使我們的浪花翻起的模擬結果更加可預測和可控制。」

薄霧

當角色前往魔法森林時,他們遇到了50英尺難以穿透的薄霧牆。根據特效FX主管傑西·埃裡克森(Jesse Erickson)的說法,這是由FX部門創建的「薄紗」薄霧毯,帶有淡淡的魔力。「這個效果需要面對的是空間大小的挑戰;隔離牆需要在近距離和廣角拍攝的時候都成立。我們嘗試了幾種不同的外觀的霧氣,但大多數都是模擬和實例化(instancing)做了結合。」

為了創建薄霧牆,藝術家首先將場景轉換為高度場,然後使用Vellum Cloth將薄霧簾沿場景垂下。「由於窗簾是從多邊形網格開始的,」 Erickson說,「我們採用了修改後的生命值,以鼓勵沿窗簾頂部的聚束和摺疊。設置起來非常快,並且允許非常快速的迭代來獲得最終正確的形狀和堆疊的範圍。然後,我們在原點產生了兩個1000幀的Pyro模擬,它們具有強烈的擾動和定向流。」

通過將場景轉換為高度場,然後用Vellum布將霧幕垂懸,之後藝術家將霧幕延伸到了魔法森林。

Erickson指出,這個工作流程的便利之處在於,每個Sim都有對應的平移粒子bgeo序列,這些序列作為單獨的發光通道。他說:「由於我們計劃使用了 instanced packed prim workflow,因此VDB和bgeo序列具需要有相同的路徑,但除文件擴展名外。」 「這意味著一旦打包的volume instance到位,把幀偏移後,我們就可以更改打包原始文件的擴展名,並將霧氣的體積緩存轉換為另外對應的粒子緩存。」

藝術家還計算了霧幕的幾何曲率,以產生褶皺和縫隙中的發射體積,並為實例模擬對象之間的任何間隙創建了背景。「這些鏡頭的轉變主要是在渲染方面,因此我們有足夠的靈活性來通過交互式flipbook進行交互式迭代,」 Erickson說到。

一旦團隊的將霧幕建好,他們可以專注於如何將它打開。首先,美術部門提供了已經繪製好的特效關鍵幀設定。然後,特效動畫師Bob Bennett和Dimitre Berberov開始著手製作多層幕簾的開合。「此動畫附帶了體積和粒子實例,並從窗簾邊緣運行了另一個Pyro sim,以實現集成和額外的貼切感,」 Erickson說。

製作Nokk

觀察馬的行為引導了Nokk的設計和動畫,特效組長David Hutchins觀察到人們特別注意情緒狀態。Hutchins說:「我們的目標是保留動畫中創建的微妙表情,姿勢和手勢,同時疊加在我們期望從水中獲得運動和光線響應的層級上。」

效果藝術家使用角色動畫提供的Nokk身體動作以及技術動畫的鬃毛和尾巴曲線開始製作鏡頭。鬃毛和尾巴曲線被用作POP模擬的來源,POP模擬使用從相鄰粒子的局部分布中獲得的力矢量對流體狀行為進行建模,實現為POP VOP。

Nokk是通過動畫和FX團隊之間的緊密合作而啟用的。

Hutchins建議:「此基本模擬用於三個渲染層:使用粒子流體表面進行網格劃分,並用水材料進行陰影處理,柵格化為一個體積,然後使用體積著色器進行渲染,並直接將其渲染為不透明的點,用於分離的小液滴。最後,使用這些點作為源,運行Pyro sim模型以對非常輕量的「自旋漂移」粒子建模,這些粒子也呈現為不透明的亞像素點。調整了身體表面的幾何形狀,使其能夠支持流體動力運動,並通過分層噪點和/或Ripple Solver添加了漣漪,這些漣漪可能對人體運動產生反應或與相交物體碰撞。對於身體內部,我們添加了相關的體積結構,其中包括定義反照率和發射光貢獻的矢量場。」

馬蹄與海洋表面的相互作用也是一個重要的點。工作室的設計的想要達到的目標是支持水與水互動的外觀,而不是與水互動的堅硬表面。哈欽斯說:「動畫師給腿部增加了分叉,變形和拉伸,一旦進入特效師的手中,目標就是進一步增強這個概念。特別注意了腿部拖尾水的形狀,這些形狀是通過使用重新採樣平滑並轉換為小節的拖尾曲線對我們的粒子源進行整形而建立的。」

對於Nokk從水過渡到冰的鏡頭,使用了兩種不同的技術。在水下時,過渡過程開始於冰晶在體內表面生長,並使用動畫幾何體(例如散布到各個點),然後通過Solver SOP生成的通道從水過渡到冰層。

「冰晶圖案是由顏值開發部門(look development)提供的,並且與Elsa的招牌雪花形狀匹配。在上述水的製作中,該效果是通過Solver SOP生成的鉸接式通道實現的,該通道控制用於從水過渡到冰部分的燈光層。通過Pyro模擬平流,冰晶和水蒸氣增強了這種轉變。」       -- FX Lead David Hutchins


感覺再往下寫要掉粉了

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業餘愛好者只需要知道看上去很日常的物理效果要模擬出來是非常費事的就可以了....



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