ВНЕДРЕНИЕ КОМПЬЮТЕРНОЙ ГРАФИКИ В КИНОПРОИЗВОДСТВО. СОЗДАНИЕ СПЕЦЭФФЕКТОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ШУМА ПЕРЛИНА И ПРИНЦИП ЕГО ГЕНЕРАЦИИ.

АННОТАЦИЯ

Целью данной работы является обобщение и систематизация знаний, полученных при использовании шума Перлина при создании спецэффектов в компьютерной графике в кинопроизводстве.

Ключевые слова: смещение, компьютерный, фильм, шум, градиент, графика, точки, графики, функция, метод, вектор, кадр, интерполяция, Перлин,

Компьютерная графика была впервые задействована в фильме «Мир Дикого Запада» в 1973 году. Далее, в 1976 году было снято продолжение картины, фильм «Мир будущего» — в нем компьютер использовался для создания 3D моделей руки и головы человека [1]. Затем в 1977 году 3D графика использовалась в фильме «Звездные войны: Эпизод 4 - Новая надежда» в сцене, в которой корабль пролетает через «Звезду Смерти» [2].

Первым фильмом, в котором широко использовалась компьютерная графика, является фильм «Трон» 1982 года. В нем примерно двадцать минут от общего хронометража нарисованы на компьютере [3]. Некоторые кадры созданы полностью с помощью компьютера, а в некоторых присутствуют живые актеры на фоне нарисованного окружения. Изначально предполагалось создать фильм, полностью состоящий из компьютерной графики. Но существующие на тот момент мини-компьютеры не могли обеспечить необходимый уровень производительности, поэтому решено было часть фильма отснять с использованием метода подсвечиваемой композиции (backlight compositing англ.). Суть метода заключается в том, что для получения финального кадра делается раскадровка отснятого видеоматериала, затем на каждый кадр накладывается фильтр, после чего происходит пересъёмка каждого кадра. В итоге все отснятые кадры соединяют вместе и получают готовый видеоматериал.

В производстве графики для фильма принимали участие такие компании как Information international Inc., Mathematical Applications Group Inc. (MAGI), Digital Effects и Robert Abel & Associates.

Гари Демос из Information international Inc. написал программное обеспечение TRANEW для компьютера Foonly F1, позволяющее описывать создаваемые модели при помощи хеш-таблиц. Этот метод моделирования 3D объектов использует в качестве простейших единиц для описания объекта треугольники и квадраты и называется полигональным моделированием.

Компания MAGI создала метод "трассировки лучей" (ray-tracing англ.), идея которого состоит в отслеживании обратного хода попадаемого в камеру луча, проложенного от каждого элемента изображения. Этим методом хорошо просчитываются геометрические объекты, отражения, тени, преломление света, блики. Этой компанией была создана первая в истории компьютерная анимация, которая заключалась в появлении и вращении трехмерной надписи «IBM». MAGI в своем ПО Synthavision использовала процедурный метод моделирования, в котором в качестве примитивов выступали двадцать пять объектов, такие как: куб, сфера, цилиндр и так далее [4].

Именно при работе над этим фильмом в MAGI Кен Перлин, профессор кафедры компьютерных наук Нью-Йоркского Университета, создал шум, который позволил облегчить работу с графикой при создании окружения и различных текстур [5; 6].

Шум Перлина – это математический алгоритм по генерированию процедурной текстуры псевдослучайным методом [7].

В начале последнего десятилетия XX века, с появлением более высоких вычислительных мощностей режиссеры вновь стали активно использовать CGI в своих фильмах. Примерами являются такие фильмы как «Терминатор» 1991 года, «Парк Юрского периода» 1993 года, полнометражный мультфильм «История игрушек» 1995 года, который был реализован именно благодаря трехмерной графике и конечно же «Матрица» — фильм, который даже сегодня смотрится достаточно современно [2].

Шум Перлина использовался для создания текстур, которые выглядят естественно и визуально привычно для человеческого глаза. Кроме того, он часто используется в компьютерной графике для создания симуляций дыма, огня, облаков, горных ландшафтов.

Самое известное применение этого шума было в фильме «Звездный Путь II» в сценах терраформирования. А за свой вклад в кинопроизводство Перлин получил награду «Оскар» в 1997 году.

Шум Перлина представляет собой примитивную процедурную текстуру, основанную на градиентах черного и белого цветов. Математическая функция, используемая для его генерации, имеет вид псевдослучайной, а каждый визуальный элемент имеет одинаковые размеры. При сложении же нескольких копий карт шума, отличающихся друг от друга по размерам, можно получить множество уникальных текстур, которые в свою очередь и позволяют художникам по спецэффектам получать детализированные и уникальные результаты.

Чаще всего Шум Перлина реализуется как двух-, трех- или четырехмерная функция, но также может быть определен и для большего количества измерений. Генерация включает в себя три основных шага: определение сетки векторов градиента и смещения, расчет скалярного произведения между двумя векторами градиентов и интерполяция этих значений.

Для определения значения любой точки сначала определяется ячейка сетки, в которой находится точка. Затем определяются 2ⁿ углы этой ячейки и связанные с ними векторы градиента. Затем для каждого угла вычисляется вектор смещения. Вектор смещения — это вектор смещения от выбранной точки до определенного угла.

Для каждого угла рассчитывается скалярное произведение между его вектором градиента и вектором смещения до выбранной точки. Это скалярное значение будет равно нулю, если выбранная точка находится точно в углу сетки.

Для точки в двумерной сетке потребуется вычислить 4 вектора смещения и скалярное произведение, тогда как в трех измерениях потребуется 8 векторов смещения и 8 скалярных произведений. Как правило, алгоритм имеет сложность 2ⁿ, где n — количество измерений.

Последним шагом является интерполяция между скалярными 2ⁿ произведениями.  Интерполяция выполняется с помощью функции, которая имеет нулевую первую производную (и, возможно, также вторую производную) в узлах 2ⁿ- мерной сетки. Следовательно, в точках, близких к узлам сетки, выходные данные будут аппроксимировать скалярное произведение вектора градиента узла и вектора смещения к узлу. Это означает, что функция шума будет проходить через нуль в каждом узле [8].

Список литературы:

1. DTF – игры и кино. Поверить в невероятное: эволюция спецэффектов в кино: [Электронный ресурс]. – 30.01.2019. – Текст: электронный. – URL: https://dtf.ru/cinema/38050-poverit-v-neveroyatnoe-evolyuciya-speceffektov-v-kino (дата обращения: 03.05.2022).
2. Blog. Компьютерная графика в кино — от «Звездных войн» до «Матрицы»: [Электронный ресурс]. – 25.11.2018. – Текст: электронный. – URL: https://blog.onlime.ru/2018/11/25/komputernaya_grafika_v_kino/ (дата обращения: 06.05.2022).
3. J. Hoberman. Film after Film. Verso Books, 2012. ISBN 978-1-84467-751-1. Page 8.
4. 3D News. История компьютерного кинематографа. Глава 1: [Электронный ресурс]. – 23.06.2004. – Текст: электронный. – URL: https://3dnews.ru/167126 (дата обращения: 07.05.2022).
5. Perlin, Ken. "In the beginning: The Pixel Stream Editor" (PDF). Retrieved May 31, 2022.
6. Professor Kenneth Perlin Vitae: [Электронный ресурс]. – 28.07.2009. – Текст: электронный. – URL: https://cims.nyu.edu/~perlin/doc/vita.html (дата обращения 07.05.2022).
7. Шум Перлина: [сайт]. – 11.07.2015. – Текст: электронный. – URL: http://poivs.tsput.ru/ru/Math/Geometry/Fractals/NoiseOfPerlina (дата обращения: 07.05.2022).
8. Gustavson, Stefan. "Simplex noise demystified" (PDF). Retrieved 24 April 2019.