Математика и наука в киноиндустрии

19 февраля в Сан-Франциско состоялось очередное ежегодное собрание Американской ассоциации содействия развитию науки, на котором любители кино смогли увидеть, как происходит моделирование физических процессов, превращающих фантазию в жизнь.

"Это чрезвычайно сложная задача - описать по всем степеням свободы движение лоскута одежды или огромной волны", - сказал Рон Федкив (Ron Fedkiw), преподаватель информатики в Стенфордском университете во время своего выступления, говоря о вычислениях, используемых в художественных фильмах для создания более реалистичных твердых объектов и жидкостей. "Все движения подчиняются физическим законам, и бывает нелегко изобразить их реалистично. Именно поэтому моделирование на основе физических законов стало весьма популярным и в индустрии спецэффектов. В частности, инструменты для вычислительной гидродинамики подходят и для воспроизведения на большом экране картины кораблекрушения".

Выступление Федкива было частью конференции "Наука создания кино: Математика и наука в сфере создания фильмов и развлечений", на которой присутствовали лучшие умы индустрии кино и научного сообщества. На этой конференции выступали Тони Дероуз (Tony DeRose) из компании Pixar, и Дуг Роубл (Doug Roble), представитель компании Digital Domain. Ведущим заседания был Тони Чан (Tony Chan), профессор математики из калифорнийского университета, Лос Анжелес.

Премия Оскар и наука

В этом году в двух из трех фильмов, номинированных в категории "За самые лучшие видеоэффекты", - "Посейдон" и "Пираты Карибского моря: Сундук мертвеца" (который и выиграл в этой категории), оба сделанные при участии компании Industrial Light & Magic (ILM), - широко использовалось численное моделирование, сообщил Федкив, проработавший в этой компании 6 лет. Последней его работой была математическая система PhysBAM, разработанная для создания реалистичной воды в Посейдоне и щупалец Деви Джонса в Сундуке мертвеца.

Раньше перед специалистами по компьютерной графике стояла проблема: они могли запускать не самые эффективные алгоритмы на нескольких процессорах или лучший алгоритм, но только на одном процессоре. Проблема в том, что многие алгоритмы сложно распараллеливать. Но около года назад Федкив придумал способ, каким образом можно выполнять наиболее эффективный алгоритм на нескольких процессорах, в результате чего появилась возможность создавать чрезвычайно реалистичные спецэффекты.

В настоящее время он занимается разработкой новых алгоритмов для многих областей, таких как вычислительная гидродинамика и механика твердых тел, компьютерная графика, машинное зрение и биомеханика. Алгоритмы позволяют поворачивать объекты, воспроизводить текстуры, создавать отражения или имитировать столкновения. А могут математически соединять капли падающей воды, сгустки поднимающегося тумана или языки мерцающего огня для создания более реалистичных картин.

Федкив получил признание благодаря его работе в фильмах "Посейдон", "Терминатор 3: Восстание машин" (он занимался созданием Терминатора в жидком состоянии и моделированием ядерных взрывов) и "Звездные войны, эпизод 3 - Месть Ситхов", где он создавал взрывы в космических батальных сценах. "Моим первым увлечением была вычислительная физика, и большую часть моей карьеры я занимался именно ей", - сказал Федкив, опубликовавший более 75 исследовательских статей по вычислительной физике, компьютерной графике и машинному зрению. Его последнее увлечение - использование вычислительной физики в виртуальной хирургии и моделировании человеческого лица.

На пути в Голливуд

Научно-исследовательские университеты, такие как Стэнфорд, играют большую роль в обучении следующего поколения специалистов в области компьютерной графики и развитии науки и новых технологий, которые затем применяются в киноиндустрии.

"Модели газов, жидкостей и процессов горения, созданные для научных целей, легко могут быть использованы для создания анимации дыма, воды и огня", - говорит Федкив. "То же самое с мягкими биологическими тканями, мышцами и другими твердыми материями. Как только ученые создали модель, на ее основе может быть создана соответствующая анимация".

Федкив и его студенты работали с ILM, Pixar, Intel, Honda и Sony ImageWorks. "Такое сотрудничество с индустрией взаимовыгодно, оно привело к появлению целого ряда научных работ и одновременно ко многим интересным находкам в кино", - говорит он. "И компании, и ученые из Стэнфорда несомненно выиграли от подобных контактов".

Любимый фильм Федкива, в котором используется компьютерная графика, - это "Месть ситхов". "Когда я смотрел первую часть "Звездных войн" 9 лет назад, я не мог и мечтать о том, что буду участвовать в создании последней части".

Читайте другие статьи серии Суперкомпьютерные технологии рядом с нами.

© Лаборатория Параллельных информационных технологий НИВЦ МГУ