Hlavní vědecký pracovník společnosti Pixar vysvětluje, jak matematika vytváří filmy a hry, které máme rádi

Aplikovaný výzkum Tonyho DeRose a jeho kolegů vede animátory od jednoduchých polygonů až k hranici geometrického vyprávění

Tony DeRose bloudí mezi řadami v newyorském Muzeu matematiky. V pestrobarevném tričku s knoflíky, které může být standardním výtiskem Pixaru, nevypadá jako stereotyp vědce. Pozdravuje davy veverkových, hloupých dětí a jejich manipulátorů - rodičů a prarodičů, učitelů matematiky a přírodních věd - a také jejich dospělých protějšků z matematiky, kteří přišli sami nebo se svými přáteli. Jeden twentysomething má kredit za zapnutou animaci davuAuta 2;přinesl svou matku. Chce se setkat s průkopnicí, jejíž práce umožňuje jejímu synovi dělat to, co dělá.

„Je úžasné vidět tak různorodý dav,“ říká. 'Kolik z vás vidělo film Pixar?' zeptá se po vystoupení na pódiu. Ruce celé místnosti jdou nahoru. „Kolik z vás vidělo tři? Pět?' Odmlčí se. 'Kolik z vás je viděl všechny?' Desítky lidí zvednou ruce, možná čtvrtina místnosti. „Páni,“ říká. Usmívá se na sebe a dav. Tento koncert není ani trochu špatný.

tapeta lev

---

Aspirující animátoři a herní designéři, prostudujte si svůj počet a kombinatoriku

Tématem DeRoseovy přednášky je „Matematika ve filmech“. Jeho tématem je jeho práce: převádění principů aritmetiky, geometrie a algebry do softwaru, který vykresluje objekty nebo pohání fyzikální motory. Tento proces je v Pixaru téměř stejný jako v jiných studiích počítačových animací nebo videoher, vysvětluje; součástí toho, proč je tady, je vysvětlit, proč začínající animátoři a herní designéři potřebují pevnou základnu v matematice. Jako hlavní vědecký pracovník společnosti Pixar má DeRose více než solidní základnu: PhD v oboru počítačových věd, specializace v oblasti výpočetní fyziky, deset let jako profesor počítačových věd a inženýrství na Washingtonské univerzitě. Toto je první instanceSérie přednášek na téma Matematická setkánív novém kampusu MoMath v centru Manhattanu, ale DeRose dostal mnohokrát verzi této přednášky a neustále ji aktualizoval, jak se vylepšuje technologie Pixaru a fanoušci chtějí slyšet o nejnovějších filmech.

Vlasy, oděv, tekutiny a plynné jevy, jako jsou mraky, kouř a oheň, mají ve společnosti Pixar svoji vlastní fyziku. Tyto základní motory jsou poté rozšířeny, aby se pokusily dosáhnout konkrétních výsledků. „Simulace vody je snadná,“ říká DeRose. „Co je těžké, jak si více vody připravitsměrovatelný? ' ProStatečnýDeRose vysvětluje, že objemné, jasně červené, vysoce animované kudrlinky Meridy vyžadovaly vybudování zcela nového fyzikálního enginu. Animátoři studia museli přijít na to, jak udělat Meridiny vlasy krásné, výrazné a ještě živější než živé. DeRose a jeho tým vědců museli zkonstruovat model, který výpočetně umožňuje tuto animaci.

berserk živá akce

Vlasy, oděv, světlo, tekutiny a plyny mají svoji vlastní fyziku

`` Ve skutečném světě si vlasy udržují svoji štědrost a objem neustálým srážením se sebou, `` říká DeRose. Vlasy Meridy jsou vyrobeny ze 100 000 jednotlivých prvků. „Pokud znáte jakoukoli kombinatoriku, víte, že pokud máte n objektů, nemáte n² možných kolizí,“ říká, neboli 10 miliard. Jak můžete provést tolik kolizí dostatečně rychle, aby byly použitelné? Musíte vytvořit novou strukturu prostorových dat, která odstraní cizí kolize, aniž by byla příliš ztrátová. Místo algoritmu rychlé a špinavé komprese, jako je MP3 nebo JPEG, musí Pixar vytvořit ekvivalent PNG nebo FLAC pro animaci vlasů.

Počítačová animace, říká DeRose, se často zabývá modelováním objektů ve větším měřítku a podrobněji, než s jakými se ve výpočtech obvykle zabývají i fyzici. Hodně z jeho práce zahrnuje hledání lepších algoritmů pro inteligentní přiblížení tohoto druhu měřítka bez obětování detailů. 'Ředitelé řeknou:' ach, je to jen malá věc v pozadí, nikdy ji neuvidíme. ' Ředitelélhát, Vysvětlil DeRose. A kdyby pokaždé, když režisér změnil názor, objekty nebo postavy musely od základu přepracovat svoji základní fyziku, bylo by nemožné, aby Pixar každý rok natáčel film se čtyřmi týmy pracujícími najednou.

kancelářský mobil pro android

Od polygonů po paraboly

Nejdůležitější příspěvek společnosti DeRose k počítačové animaci pochází z nových způsobů rychlého generování hladkých křivek s vysokou věrností. 'Je to všechno o přeměně komplikovaných tvarů do nějaké podoby, s níž se budou počítače vypořádat.' Po celá léta to v počítačové animaci i ve videohrách znamenalo mapovat trojrozměrné objekty s planárními fazetami nebo polygony. Problém polygonů však spočívá v tom, že v detailu můžete vidět všechny z nich - fatální problém, když iluze závisí na ignorování jednotlivých snímků a pixelů. Trendem je nahrazování polygonů parabolami, zakřivení ploch, které jsou spojité na libovolných úrovních podrobností. Stále však musíte tyto křivky rychle definovat, aby odpovídaly konečnému počtu bodů nebo rovin. Matematici tedy pracovali na vývoji různých metod pro rychlé generování hladce zakřivených povrchů. Tito se obvykle nazývají dělící plochy kvůli tomu, jak se počítají, opakovaným rozdělením a průměrováním středu čáry.

Poprvé byly dělící plochy rozsáhle používány v počítačové animaci v Oscarem oceněném roce 1997Pixar krátkýGeriho hra . Skok mezi tímto filmem a dřívější polygonovou animací je překvapující. Jednoduševzhledjako Pixar. DeRose přizpůsobil svou vědeckou práci výpočtuvlnkyna vícerozměrných plochách vytvořit nový algoritmus generující křivky. A i když to bylo poprvé použito pouze k vyřešení obzvláště trnitých problémů při animaci postav - složitý tvar nosu starého muže, zvláštní warp a haf a pohyb látky - nyní se používá téměř pro každý objekt ve filmech Pixaru. DeRose ukazuje statický snímek zÚžasňákovia gesta na pozadí. „Možná vás překvapí, že budova, její okna a všechny podrobnosti jsou generovány dělícími se plochami,“ říká. To, co začalo jedinou zkratkou - a předtím aplikovaný výzkum DeRose a dalších počítačových vědců - se stalo průmyslovým standardem.

Pixar, open-source a budoucnost animace

DeRose a výzkumný tým společnosti Pixar nadále publikují příspěvky a používají nové techniky ve svých softwarových motorech, ale studio nemá stejný náskok v oblasti výzkumu a vývoje a proprietárního softwaru, jaký kdysi měl. Ovládání osvětlení a stínování nebo definování parametrů loutky postav bývalo obrovskou výzvou matematicky definovat a následně vytvořit kód. Nyní, říká DeRose,open-source software jako Blenderdokáže téměř všechno, co dokáže software Pixaru. Loni v létě, Pixar dokonceopen-source svou knihovnu kódů dělení povrchů. „Deset let jsme měli konkurenční výhodu,“ říká DeRose, „ale nyní získáváme větší hodnotu tím, že necháme přispívat všemi.“

Největší konkurenční výhodou Pixaru je nyní schopnost využívat tuto matematickou technologii ne k vytváření lepších tvarů, ale k vyprávění lepších příběhů. DeRose a Pixar nesedí na vavřínech. „Někde tam venku brilantní kluk a jeho přátelé pracují v jejich garáži“ s využitím a vylepšováním nástrojů, jako je Blender, říká DeRose shromážděným dětem a dospělým v MoMath. 'Budou příští Pixar.'