Perfecting Animation, via Science
Eitan Grinspun, direktør ved Columbia University Computer Graphics Group, kvalifiserer ikke helt som frisør for stjernene. Men hvis du vil at datagenerert hår (eller pels) skal se overbevisende ekte ut når det er vridd, klumpet, sammenfiltret, opprullet, gjennomvåt, støvete, vindblåst, slynget ?? eller omtrent alt annet en filmregissør kunne tenke seg å gjøre med det ?? da er herr Grinspun mannen å rådføre seg med.
Fra et romslig kontor og arbeidsrom i 10. etasje i Columbias Schapiro Center i Morningside Heights, har Mr. Grinspun og teamet hans av doktorgradsstudenter hjulpet forskere fra Walt Disney Studios, Pixar, Weta Digital og Adobe Systems med å løse deres tøffeste C.G.I. problemer, enten det er å gjenskape klatten av en pensel med bust eller få Rapunzels hår i Disney-filmen Tangled til å flyte i en undervannshule.
Det er ikke et stort antall mennesker som kan gjøre dette, sa Alasdair Coull, leder for Weta Digitals programvareutviklingsteam. Vi ser egentlig etter det beste i verden. Weta har sluttet seg til en håndfull universiteter, inkludert et halvt dusin eller så i California, på C.G.I. ?? datagenererte bilder ?? og relaterte prosjekter.
Mr. Coull, som reiste fra Wellington, New Zealand, i fjor for å tilbringe en måned i Columbia, kontaktet Mr. Grinspun etter å ha lest om hans oppfinnelser innen hårsimulering og pelsstell. La oss bare si at det ikke er tilfeldig Veto (Avatar, The Lord of the Rings) skaper de datagenererte hjerneapene som tar over verden i Rise of the Apes, bakhistorien til den klassiske filmen Planet of the Apes fra 1968, som også skal utgis i 2011. som arbeider med Steven Spielbergs kommende versjon av eventyrene til Tintin og hunden hans, Snowy. På denne grå morgenen, derimot, legger Mr. Grinspun, 34, fram kaffe og bakverk til et møte med Rasmus Tamstorf, seniorforsker for Disney. Mens herr Grinspun suser rundt i strømpeføttene, rammen høy og rank, med en krøllete mopp av mørkt hår og store øyne som henger i ytterhjørnene, er det lett å forestille seg ham som en animert karakter: søt og en litt klønete, men pisk smart.
Det som skiller arbeidet hans fra andre informatikere, er at han ikke bare lager vakre bilder, men også vakker matematikk.
Mr. Grinspun slår på en av et halvt dusin dataskjermer på kontoret sitt for å vise frem de naturtro animerte hårstrå som laboratoriet hans hjalp til med å lage og stirrer kjærlig på skjermen. Matematikken bak dette er virkelig nydelig, sier han.
Mr. Tamstorf bruker et annet ord ??prinsippfast ?? for å beskrive Columbia-gruppens tilnærming til problemløsning.
Det han og andre mener når de omtaler arbeid som prinsipielt eller vakkert, er at bildene på skjermen ikke er et resultat av et lappeteppe av tekniske triks, men av presise matematiske ligninger basert på hvordan verden faktisk ser ut og fungerer ?? med et ord, fysikk. De bruker det som er kjent som diskret differensialgeometri, et felt så nytt at den første læreboken om emnet ble utgitt for bare to år siden.
Vi finner ligninger som beskriver mange forskjellige typer fysiske systemer, forklarte Mr. Grinspun, formen på en kabel på en bro, en snurretopp, flimmerhår. Han begynte å pumpe en stor, fargerik topp som han har på skrivebordet for å illustrere. Disse ligningene brukes deretter til å lage et voldsomt sprut av bølger eller de lagdelte foldene til et skjørt.
Forutse og kontrollere fleksible materialer og kollisjoner, er imidlertid vanskelig. Veldig vanskelig. Med hår, for eksempel, må du ta hensyn til hvordan hver og en av de rundt 150 000 trådene på et hode samhandler med de andre trådene, tyngdekraft, friksjon, luft og så videre. Tenk deg å prøve å komme opp med et par ligninger for det.
Generelt innebærer prosessen med animasjon møysommelig prøving og feiling som Mr. Tamstorf hos Disney sammenlignet med å operere med bind for øynene. Animatørene kan få noe av det riktig, men ikke alt: en flekk med hodebunn titter frem mens en karakter løper, eller en skjorte fortsetter å bevege seg oppover magen til en karakter selv etter at han har sluttet å bevege seg. Noen ganger blir studioet tvunget til å ty til brute force for å oppnå en ønsket effekt, sa han, noe som kan bety å kalle inn Disneys hær av kunstnere for å male over hvert eneste bilde i filmen for å tilfredsstille regissøren.
BildeKreditt...Walt Disney-bilder
Så lenge det så bra ut på storskjermen, var det ingen som brydde seg mye om hvordan resultatet ble oppnådd. Det var som å lappe et utett tak ved å spikre på et trepanel, binde ned en presenning, teipe over en sprekk, stikke en paraply i et hull. Så lenge det holdt vannet ute var det ingen som klaget.
Det er ikke vår filosofi, sa Mr. Grinspun. Vi sa: 'La oss vise verden at du kan ha matematisk prinsipielle tilnærminger.'
Mr. Grinspuns avgjørende idé var å kaste ut de juryriggede modellene i stedet for å prøve å forbedre dem, slik Apple gjorde med operativsystemet sitt da det forlot DOS og kommandoprompter. Programmeringen måtte tenkes nytt fra grunnen av, sa han. I stedet for å prøve å tvinge et system som var designet for å simulere rett hår til å produsere krøllete hår også, for eksempel, skapte Mr. Grinspun et mer sofistikert system som kunne gjøre begge deler.
Vi er som psykoanalytikere, la han til. Vi prøver å finne hva som er det underliggende problemet. Har du problemer med moren din? La oss gå tilbake og se på toaletttreningen din.
Bruken av diskret differensialgeometri går langt utover animasjon. Johns Hopkins Medical Center, for eksempel, bruker Mr. Grinspuns datasimuleringer for å forutsi hvordan nåler beveger seg gjennom menneskekjøtt, slik at leger kan trene seg til å utføre laparoskopisk kirurgi på virtuelle kropper i stedet for den virkelige varen.
Tilnærmingen var imidlertid fremmed for de fleste animatører, og ble først møtt med skepsis. Det var kontroversielt i begynnelsen, sa Grinspun, men strategien har gitt resultater i det lange løp. Det kuttet betydelig ned tiden det tok å produsere det regissøren ønsket, til referater fra dager, og ga bedre resultater. Du får mer igjen for pengene, sa herr Grinspun.
Disney jobbet ikke mye med akademikere før Tamstorfs partnerskap med Mr. Grinspun begynte for omtrent fem år siden. Siden den gang har selskapet sett mer til universiteter. Etter at Disney kjøpte Pixar i 2006, økte det sine akademiske forbindelser og åpnet i 2008 to samarbeidslaboratorier på universitetscampus, den ene ved Carnegie Mellon i Pittsburgh og den andre ved Swiss Federal Institute of Technology i Zürich.
Mr. Grinspun selger eller lisensierer vanligvis ikke programmeringen som kommer ut av laboratoriet hans. Avgangsstudenter får være praktikanter i tre eller fire måneder på steder som Disney og Weta, hvor de får verdifull erfaring, og teamet får uvanlige og interessante problemer å jobbe med.
På det nylige møtet ba Mr. Grinspun Tamstorf liste opp de tekniske gåtene han ønsker at laboratoriet skal jobbe med. Et av områdene der våre nåværende systemer er langt bak der de trenger å være, er at plaggene ikke kommer til å hvile der de skal, sa Tamstorf. Karakteren har stoppet, men skjorten hans fortsetter å krabbe, krabbe, krabbe.
Mr. Grinspun kimet inn: Det er simuleringenes manglende evne til å holde seg i ro.
Et annet vedvarende problem er at visse typer materialer holder sin generelle form selv når de flyttes eller dyttes. I Tangled var det en umulig oppgave å holde Rapunzels oppblåste ermer oppblåste. (Kunstnere måtte til slutt trekke inn puffene.) Vi trenger bedre bøyemodeller eller kontroll, sa Mr. Tamstorf, slik at formen forblir stiv, men stoffet ser mykt ut.
Mr. Grinspun liker å jobbe med studioer, men han er ikke fristet til å jobbe en heltid, sa han. Innerst inne er han en akademiker. Han liker imidlertid å bidra til den kunstneriske virksomheten.
Slik han ser det, frigjør arbeidet hans artistene fra å bekymre seg for et oppblåst erme, slik at de kan fokusere på det de kan best, som å fange uttrykksfulle følelser. Belønningen hans er annerledes: Så lenge du lager pene bilder, får du fortsette å lære all denne matematikken og fysikken.
