| Источник

Каждый раз со сменой поколений графических систем мы задаёмся вопросом: «Скоро ли компьютерная графика станет фотореалистичной или хотя бы близкой к этому?» И каждый раз ответ неочевиден: хоть новые спецэффекты и поражают воображение, до реальности им раз за разом оказывается слишком далеко. Тем не менее не стоит раньше времени ставить крест на мечте.

 

В соответствии с законом Мура вычислительная мощность растёт экспоненциально, и в определённый момент нас так или иначе ждёт качественный скачок в развитии графики. Произойдёт ли это до того, как миниатюризация микросхем столкнётся с фундаментальными физическими ограничениями? Ответ зависит от того, насколько правдоподобной картинки мы ждём: разнообразных приёмов, сближающих изображение с реальностью, изобретено множество, и их совокупность уже совсем скоро может дать потрясающие результаты.

На пресс-конференции, прошедшей в конце марта 2013 года в Сан-Хосе, директор NVidia Женьсюнь Хуан демонстрировал новейшую видеокарту GeForce GTX TITAN, и заодно показывал разные технологические демо, созданные партнёрами NVidia. Наибольшее внимание публики привлекла «говорящая голова» — реалистичная компьютерная модель лица человека.

В своём выступлении Женьсюнь Хуан не забыл упомянуть «зловещую долину» (uncanny valley) — известную проблему, преследующую тех, кто пытается сделать фотореалистичную модель человека. Этот термин придумал профессор Масахиро Мори, занимавшийся не графикой, а роботами: он подметил, что чем точнее мы воссоздаём человеческие черты, тем больше шансов, что результат будет казаться пугающим.

Наш мозг натренирован замечать мельчайшие детали в лицах людей, и обмануть его очень тяжело. Любые неточности оборачиваются тем, что качественная и дорогая в производстве компьютерная модель оказывается «пластмассовой» и «странной», а в результате — непривлекательной. Кривая, показывающая зависимость привлекательности от правдоподобности, сперва нарастает, а потом в самом конце делает глубокий изгиб. Его и называют зловещей долиной.

Трёхмерный фотореализм: когда графика в играх начнёт казаться реальностью

Нужно учитывать, что этот график никак не привязан к темпу прогресса: если заменить шкалу правдоподобности показателем времени, которое требуется на приближение к фотореализму, части кривой растянутся по-разному. Главный вопрос: насколько большой при этом окажется зловещая долина и, главное, насколько близко к выходу из неё мы находимся?

Если речь идёт о спецэффектах в кино, то край Зловещей долины уже близок: в сценах, где нужны трюки или компьютерной графики и так слишком много, теперь принято использовать трёхмерные модели актёров — зрители даже не замечают этого перехода (см. статью «Невидимые иллюзии: cемь доказательств того, что вы не различите спецэффекты в кино и реальность»).

Следующий этап — это компьютерные игры. Их графика развивается по тому же пути, что и кинематографическая, и главная разница — в том, что в кино каждый кадр может обсчитываться часами и потом пройдёт пост-обработку. В игре же кадры должны поступать со скоростью не менее 24 штук в секунду, а если нужно стерео или тем более виртуальная реальность, то не менее 60. Получается, что игровая графика отстаёт на определённое время, но потихоньку нагоняет кино. Первые примеры этого уже можно увидеть.

Вывести на экран статичную картинку с лицом человека, неотличимым от фотографии, — уже давно не проблема. Настоящее достижение — сделать так, чтобы это лицо не теряло реалистичности в движении. Стоит нарисованной голове улыбнуться или, скажем, зевнуть, как мы сразу начинаем подмечать подделку.

Как инженерам NVidia удалось сделать столь реалистичную модель лица человека? Основу этой технологии изобрели в лаборатории ICT Университета Южной Калифорнии. Для захвата мимики учёными была создана сферическая комната со 156 камерами, каждая из которых снабжена светильником. Человек, зашедший в эту комнату, последовательно демонстрирует разные выражения лица или жесты, а камеры — снимают.

Трёхмерный фотореализм: когда графика в играх начнёт казаться реальностью

Тридцати гримас достаточно, чтобы из записанного видео программа смогла составить реалистичную модель мимики, которую затем можно использовать для анимации. Однако такая база данных занимает больше чем 32 Гбайта — многовато для генерации картинки в режиме реального времени. В NVidia смогли оптимизировать технологию и получить базу, занимающую всего 440 Мбайт. Для анимации, подобной той, что показывали на сцене, требуется система с вычислительной мощностью около 2 терафлопс. Может показаться, что это много, но производительность GeForce GTX TITAN превышает эту цифру примерно вдвое.

Реалистичная лицевая анимация — не единственная, но очень важная технология, которая сделает игры более похожими на реальность. Вот демонстрационное видео, созданное в студии Quantic Dream и использующее захват мимики. Оно не требует видеокарты последнего поколения и работает на Playstation 3 — приставке, выпущенной в 2006 году.

Сюжет этой короткометражки, кстати, заслуживает особой похвалы: мы видим, как робот превращается в девушку по имени Кара, но робота в данном случае можно считать метафорой для компьютерной графики. В какой-то момент модель становится такой реалистичной, что ещё чуть-чуть и спутаешь с человеком.

Лицо Кары состоит из двадцати тысяч треугольников, но уже на следующий год студия объявила о том, что работает над игрой, где также использует наработки в области лицевой анимации, а модели станут ещё детальнее: тридцать тысяч полигонов на каждую.

Трёхмерный фотореализм: когда графика в играх начнёт казаться реальностью

Релиз игры Beyond: Two Souls намечен на октябрь 2013 года, и, как и короткометражка про Кару, она заработает на Playstation 3. Отсюда и общий невысокий по нынешним временам уровень графики. Но обратите внимание на то, как добавляет реализма правдоподобная мимика. Можно не сомневаться: когда в Quantic Dream сделают игру для следующего поколения приставок, нам останется только поразевать рты.

В конце концов, первая трёхмерная игра появилась всего лишь около пятнадцати лет назад. С тех пор компьютерная графика прошла огромный путь. И в ближайшем будущем никаких преград на этом пути не видится. Наоборот, впереди нас ещё ждёт множество чудес, каждое из которых — шажок ко всё большему и большему реализму.

Технологии захвата движений будут становиться всё доступнее, реалистичная мимика перестанет быть фичей и начнёт восприниматься как должное, а следующее поколение игровых приставок откроет новые просторы. Рано или поздно такой же прорыв ждёт и проработку физического взаимодействия между персонажами и объектами (в этой области ещё есть некоторые затруднения), технология риалтаймовой трассировки лучей станет реальностью, и так далее, и так далее.

До картинки, приятно близкой к реальности, может оставаться менее пяти лет. И, так же как и с фильмами, мы можем не заметить, как Зловещая долина окажется позади.

По теме :

Компьютерные чудовища, которые навсегда изменили киноиндустрию

Двадцать лет назад на экраны вышел фильм «Парк Юрского периода», в котором впервые в истории была использована фотореалистичная компьютерная графика. Его создатели не планировали устраивать революцию и открывать новую страницу в развитии кинематографа. Это произошло почти случайно.

Игрушечные динозавры

Поначалу авторы «Парка» даже не думали о компьютерной графике. Они намеревались изобразить динозавров при помощи испытанных методов: покадровой кукольной мультипликации и аниматронных роботов.

Покадровую мультипликацию поручили специалисту по спецэффектам Филу Типпету, который анимировал гигантские шагающие машины во второй части «Звёздных войн». В начале девяностых никто не снимал динозавров лучше, чем он. Во-первых, Типпет был одержим динозаврами: в середине восьмидесятых он на собственные средства сделал десятиминутный фильм про доисторических чудовищ. Во-вторых, он знал, как снимать их так, чтобы они не выглядели куклами.

У анимированных кукол есть небольшой недостаток, который становится очевиден при совмещении с реальными актёрами. Кадры с движущимися объектами, снятыми обычной кинокамерой, всегда получаются немного смазанными, а при покадровой анимации никакого смазывания нет. Что бы ни происходило на экране, куклы остаются чёткими, и это бросается в глаза.

Чтобы решить эту проблему, Типпет изобрёл специальную технологию. Он встроил в куклы моторчики и подключил их к компьютеру. При съёмке каждого кадра компьютер запускал моторчики и чуть-чуть передвигал куклу по заданной траектории. Кадр получался смазанным и выглядел куда реалистичнее.

Аниматронные роботы

Второй метод — аниматроника. Несмотря на звучное название, намекающее на высокие технологии, он восходит к старому доброму кукольному театру. Хотя к началу девяностых традиционные марионетки и тростевые куклы сменились дистанционно управляемыми роботами, но суть осталась та же.
Компьютерные чудовища, которые навсегда изменили киноиндустрию
Компьютерные чудовища, которые навсегда изменили киноиндустрию
Компьютерные чудовища, которые навсегда изменили киноиндустрию

Аниматронными ящерами для «Парка Юрского периода» занималась студия Стэна Уинстона, делавшего ксеноморфов для кэмероновских «Чужих». Она построила гигантского гидравлического тиранозавра для сцены атаки на автомобили, а также сделала аниматронного трицератопса, плюющегося ядом дилофозавра (именно его встречает в фильме беглый программист), и, самое главное, велоцирапторов.

«Велоцирапторы», по сути дела, представляли собой ростовые куклы, внутри которых скрывались скрючившиеся в неудобных позах люди. Мимику динозавра приводили в движение с помощью электромоторов, которыми управляли по многочисленным кабелям находящиеся за кадром кукловоды.

 

Скачок, меняющий всё

 

Компьютерную графику использовали в кино и до «Парка Юрского периода», но иначе, чем теперь. С её помощью рисовали либо стилизованные сцены вроде компьютерного мира в «Троне» 1982 года, либо спецэффекты, изображающие нечто, не имеющее аналогов в реальности — например, робота из жидкого металла во втором «Терминаторе».

Трёхмерный фотореализм: когда графика в играх начнёт казаться реальностью Трёхмерный фотореализм: когда графика в играх начнёт казаться реальностью Трёхмерный фотореализм: когда графика в играх начнёт казаться реальностью Трёхмерный фотореализм: когда графика в играх начнёт казаться реальностью

Никто и никогда не применял компьютерную графику для изображения реалистичных объектов, а тем более — для анимации животных, пусть и давно вымерших. Никто не знал, возможно ли это в принципе, и режиссёр «Юрского парка» Стивен Спилберг не собирался тратить бюджет на рискованные эксперименты.

Идея возникла в недрах студии спецэффектов Industrial Light & Magic, принадлежавшей Джорджу Лукасу и давно сотрудничавшей со Спилбергом (она делала спецэффекты в фильмах про Индиану Джонса). Для пробы они нарисовали на «Амиге» скелет динозавра, анимировали его и совместили с фотографиями природы. С этого короткого ролика всё и началось.

Помните сцену в «Парке Юрского периода», когда герои фильма впервые видят динозавра и не верят своим глазам? Тестовое видео, снятое Industrial Light & Magic производило почти такой же эффект. «Это был один из тех моментов в истории, как изобретение лампочки или первый телефонный звонок, — вспоминал потом Лукас. — Гигантский скачок, меняющий всё». Когда компьютерную анимацию показали Типпету, он мрачно заметил, что теперь его профессии грозит вымирание.

Он был прав: все сцены, которые собирались снимать с помощью покадровой кукольной анимации, в итоге нарисовали на компьютере. Поскольку полной уверенности в возможностях компьютерной графики не было, аниматронику всё же оставили для крупных планов. Впрочем, под конец Спилберг осмелел и снял несколько эпизодов, где даже на крупном плане действуют компьютерные динозавры.

Первые шаги

 

Компьютерные чудовища, которые навсегда изменили киноиндустрию

Этот снимок лучше всего показывает, насколько необычной была затея для того времени. Груды компьютеров Silicon Graphics, беспорядочно громоздящихся на полу и друг на друге среди запутанных клубками проводов, — это одна из трёх рендер-ферм Industrial Light & Magic, просчитывающая кадры для «Парка Юрского периода».

Она выглядит так, будто её собирали в страшной спешке без всякого плана — и так в действительности и обстояло дело. В Industrial Light & Magic не были готовы к тому, что им предстояло сделать. Этой компании никогда не требовались такие вычислительные мощности, и ей никогда не приходилось наращивать их так быстро. А планы… Планы, как быстро узнают первопроходцы, ничего не стоят, когда направляешься в места, где не ступала нога человека.

Внезапная свобода

 

При съёмке «Парка Юрского периода» почти не использовали зелёные экраны. Передний план отделяли от фона, по которому бродят динозавры, вручную обводя элементы переднего плана на каждом кадре.

Движение камеры всегда вызывало трудности при комбинированных съёмках. Для правильного совмещения нескольких слоёв требуется, чтобы при съёмке каждого из них камера двигалась по одинаковой траектории. Сейчас для этого используется так называемый «моушен контрол»: роботизированные камеры, способные автоматически повторять свой путь и воспроизводить изменения фокусного расстояния объектива. Двадцать лет назад эта технология ещё не достигла нужного уровня, поэтому в сценах, состоящих из нескольких снимаемых по отдельности слоёв, камеру старались не двигать.

Компьютерная графика позволила не делать скидку на такие ограничения. Движения камеры оказалось не так уж трудно восстановить по запечатлённым на плёнке ориентирам. В результате оператор мог менять ракурс, почти не задумываясь о спецэффектах, которые потом добавят в отснятый материал.

В движении

 

Чтобы снять сцену, в которой герои фильма спасаются бегством от стада галлимимов, потребовались более серьёзные приготовления. В ней камера не просто меняет ракурс, но ещё и двигается.

Компьютерные чудовища, которые навсегда изменили киноиндустрию

Чтобы отследить передвижения камеры, на землю с регулярными интервалами поместили теннисные мячики. На компьютере нарисовали трёхмерную модель поверхности земли и поместили на ней отметки в тех же местах, где согласно проведённым заранее измерениям лежали мячики. После этого осталось добиться того, чтобы при движении виртуальной камеры меток совпадали с мячиками.

Картонные чудовища

Сцены, в которых используется компьютерная графика, необходимо тщательно планировать. Сейчас работа над ними, как правило, начинается с создания аниматика — примитивного компьютерного мультфильма, который служит своего рода черновиком будущего фильма и помогает всем участникам процесса понять, что они получат в итоге.

Для части сцен подошли тесты, которые во время подготовительного периода успел снять Типпет. В других случаях Спилбергу пришлось работать на глазок. Особых усилий потребовал один из последних эпизодов фильма, где тиранозавр встречается с велоцирапторами. Её снимали в пустых декорациях, поэтому камеру приходилось направлять вслепую, отслеживая несуществующих чудовищ. Движения камеры репетировали в перерывах с помощью голов динозавров, сделанных из картона.

Та же история повторилась во время монтажа: фильм сначала вслепую смонтировали без спецэффектов и лишь затем отправили в Industrial Light & Magic добавлять недостающие детали.

В роли галлимима

Когда делали «Парк Юрского периода», современных методов захвата движения не существовало, но это не значит, что аниматоры Industrial Light & Magic руководствовались лишь собственным воображением. В качестве образцов, переносимых в компьютер, они использовали видеозаписи движений крупных животных, а в некоторых случаях даже разыгрывали недостающие сцены сами.

Это видео — один из образцов, снятых Industrial Light & Magic, чтобы понять, как галлимимы будут перепрыгивать через бревно. Сходство с финальным результатом можно увидеть невооружённым взглядом.

Контроллер Типпета

Контроллер Типпета

Трёхмерная графика в самом начале девяностых была такой редкостью, что найти аниматора, умеющего работать с соответствующим софтом, было почти невозможно. Мастера вроде Типпета владели традиционными методами анимации, но ничего не смыслили в компьютерах.

Для того, чтобы переучиться, требуется время, а его при работе над фильмами всегда не хватает. Требовался выход, который позволил бы Типпету и его аниматорам, управлять динозаврами, не отвлекаясь на освоение новой технологии.

Специально для «Парка Юрского периода» разработали компьютерные контроллеры, котрые напоминают куклы динозавров для покадровой мультипликации. Внутри они напичканы датчиками, поэтому когда аниматоры придавали контроллеру нужную позу, трёхмерная модель динозавра на экране в точности повторяла его позу.

Цифровой дублёр

Цифровой дублёр

Цифровой дублёр

Один из распространённых трюков в современных фильмах — незаметная подмена актёра или объекта его трёхмерной моделью как раз перед тем, как с ним случится что-то «спецэффектное». Первые цифровые дублёры были использованы в «Парке Юрского периода».

В первых кадрах человек перед тираннозавром — это актёр Мартин Ферреро, который играет представителя инвесторов парка. Компьютерный динозавр, конечно, не может схватить его. Он хватает точную трёхмерную модель актёра. Подмена происходит, когда челюсти чудовища смыкаются на нём.

Ещё раз эту технологию применили в том кадре, где тиранозавр грызёт шины перевёрнутого электромобиля с детьми. Дети сидели в настоящем электромобиле, а тиранозавр грыз его точную 3D-модель, наложенную сверху.

Другое лицо

Другое лицо

Некоторые эффекты, использованные в фильме, невозможно заметить. В сцене, где девочка едва не падает велоцираптору в лапы, снимался каскадёр, а лицо актрисы наложили во время пост-продакшн. Сейчас этот приём часто применяется, когда сцена требует крупного плана, но слишком опасна для того, чтобы в ней снимался сам актёр.

Другой приём, найденный авторами «Парка Юрского периода» — наложение дополнительных слоёв с мелкими деталями, сглаживающими взаимодействие компьютерных объектов с реальными. К этой категории относятся, например, брызги от лап тиранозавра: настоящую воду сняли отдельно и поместили в нужных частях кадра под лапами нарисованного ящера.
Когда смотришь «Парк Юрского периода» сейчас, спустя двадцать лет, трудно не заметить параллели с реальностью. Реплика Типпета о том, что его профессия устарела, попала в кино без изменений (она адресована увидевшему оживлённых динозавров палеонтологу). Прогноз другого персонажа фильма исполнился: чудовища, воскрешённые с помощью новых технологий, действительно принесли кучу денег. Они никого не съели, но навсегда изменили курс киноиндустрии. Спилберг, видимо, что-то подозревал, потому что заранее вложил в уста создателя парка извинения: «Я просто хотел, чтобы всё было как настоящее».


Комментарии: (0)

Оставить комментарий

Представьтесь, пожалуйста