تکنولوژی پیکسار

قسمت اول: پایپر، شجاعت متفاوت بودن

پایپر از آن جمله فیلم هایی است که موجب شگفتی شما می شود، فیلمی که شما را وادار می کند تا زیبایی تخیل و هوشمندی تکنولوژی به کار رفته در آن را تحسین کنید. همانند تمام فیلم های پیکسار که تمرکز بر روی داستان دارند، نرم افزار رندرمن به کمک هنرمندان و تیم تولید آمده تا با هدایت کارگردان این داستان شگفت انگیز را به تصویر بکشند.

داستان انیمیشن پایپر درباره مرغ دریایی کوچکی است که مادرش تلاش می ‌کند تا به او بیاموزد که چگونه برای خودش غذا پیدا کند. اما در طول این آموزش او تجربیات عجیبی بدست می ‌آورد که زندگی تمام مرغان دریایی را متحول می کند…

به موازات همین داستان، تیم تولید برای به تصویر کشیدن این ساحل آفتابی درخشان که داستان در آن رخ می داد چالش های متعددی را پیش روی خود داشت.

در این پروژه برای اولین بار بود که دپارتمان ابزار پیکسار که عهده دار خلق تصاویر بی بدیل در تمامی فیلم های پیکسار است، به چنین کاری دست می زند. پایپر همچنین تنها انیمیشن کوتاه پیکسار است که در  REYES شروع شد و به  RIS منتقل شده است. توسعه این انیمیشن خیلی قبل تر با REYES انجام شده بود.

در آن زمان، این تیم به نتایج جالبی رسیده بود و شیدینگ های قدیمی و متود های نورپردازی شروع به گسترش شدن کرده بود، همچون تکیه بر displacement map ها، shadow map ها و Point Cloud ها برای نورپردازی کلی و پراکندگی زیر سطحی، اما زمانی که تیم به RIS دست پیدا کرد آنها به کنار رفت.

اریک اسمیت، مدیر فیلمبرداری در پایپر: “نتایج اولیه ما با RIS بسیار امید بخش بود، کاراکتر ها و محیط ظاهری یک پارچه داشتند، گویی متعلق به دنیای مشابهی بودند. ما دیگر مجبور نبودیم در شات ها برای انسجام در شات با هر کاراکتر ریگ های نورپردازی داشته باشیم ، این راه بسیار خلاقانه بود، چون ما توانستیم خیلی سریع تر شات را تکمیل کنیم و به پایان برسانیم.“

Houdini Viewport

Final image

این تیم قادر به نورپردازی شات ها و شیدینگ به صورت رفتار کاملا فیزیکال بود. اریک اسمیت اضافه می کند: “این رویکرد برای بسیاری از چالش های تکنیکی تصویری باید به صورت کاملا متفاوتی می بود. به عنوان مثال ساحل شنی.برت لوین، مسئول فنی در پایپر:  “با روش سنتی و قدیمی ما باید برای خلق این ساحل از displacement map ها و ترفند های شیدینگ برای نشان دادن جزییات دقیق استفاده می کردیم. اما ما تصمیم گرفتیم که ببینیم با RIS چکار می توانیم بکنیم.“ و آن ها این کار را انجام دادند و تصمیم گرفتند تا ساحل را با دانه های شنی پر کنند، تمام آن را…

در هر شات این انیمیشن میلیون ها دانه شن وجود دارد، که هر یک از آن ها حدود ۵۰۰۰ پالیگان دارد. bump ها یا displacement ها در این دانه های شنی استفاده نشده است و تنها رویه آن ها با مدل های هودینی ایجاد و تولید شده است.

displacement ها اولین گزینه برای ساخت این شن ها بودند، اما بعد از کلی آزمایش و تست، جزییات displacement مورد نیاز برای رساندن به نمای نزدیک که ۳۶ برابر طبیعی تر از کیفیت و رزولوشن displacement map بود در تولید به کار گرفته شد، که displacement ها را ناکارآمد ساخت و شروع به ساخت نمونه شن یک راه حل مناسب بود.

هر دانه شن مثل یک شی واقعی مدل شده بود

تپه های شنی در Mudbox اسکالپت شده بود و از یک مدل Poisson Distribution برای نتایج displaced mesh تپه شنی ایجاد شده در هودینی استفاده شد. نتایج دانه های شن در grain solver هودینی که لایه های بی عیبی از شن در بالای مش درست می کند سیمولیت و شبیه سازی شده بود، این نتیجه توسط ترکیبی از تکنیک های حذف شامل مخروط ناقص دوربین، زوایای روبرو و فاصله، ایجاد یک واریانس متراکم به تکه های درشت از شن و ماسه برای بهره وری بهینه انجام می شد.

Poisson Distribution

گوناگونی شن ها توسط RenderMan Primvars به منظور ایجاد واریانس شیدینگ و پارامتر های شیدینگ خشک-به-تر انجام شده بود، این مورد کنترل خوبی به تیم شیدینگ با تنها ۱۲ دانه شن می داد. دانه های شن با استفاده از geo instancing و point cloud ها به کثرت رسیدند، این دو نوع دیتا هر دو توسط Pixar’s USD (Universal Scene Description) کنترل و انجام شده بود، در حال حاضر به عنوان فرمت اپن سورس است، که توسط آن قادر بودند صحنه های خیلی پیچیده را به صورت زیبا و موثری به تصویر بکشند.

برت لوین: “تنظیمات رندر این حجم دیتای بزرگ در حال تبدیل به یک چالش بود، leverage instancing بسیار موفق ، در برخی صحنه ها استفاده از  ray depth 128، که با تکنولوژی سابق غیر ممکن بود. همین امر باعث شد تا رندر ها بسیار طبیعی و به دنیای واقعی شبیه تر شود، RIS قادر به حل محاسبات عظیم است. ” ما قادر بودیم تا چیز جدیدی را امتحان کنیم و راه هایی را ابداع کنیم تا مشکل یک شات را به طریق فیزیکال حل کنیم، اعتماد به تکنولوژی ردیابی مسیر (pathtracing) رندرمن، که ما هرگز قبل از RIS امتحان نکرده بودیم.“

رنگ دانه های شن از یک پالت آلبدو ایجاد شده بود، از یک ساحل در روز روشن، جایی که ما بسیاری از انواع شیدر ها را ساختیم، تنوعی از پوسته، استخوان و شیشه های بازتاب کننده. همچنین این دانه های شن نیاز داشتند تا به صورت خشک و تر و درجات گوناگونی از ته رنگ ها و شید ها به منظور شبیه سازی میلیارد ها دانه شن که به صورت معقولی به نظر برسند.

چالش دیگر گروه های Mach  بودند، توهم نوری که تغیرات ظریف و جزئی را در کنتراست اغراق آمیز می کند، زمانی که این حجم ها در ارتباط با یکدیگر قرار می گیرند، منجر به خلق تصاویر نا مطلوب شن های ساحل می شود. این تیم راه حلی پیدا کرد تا تصاویر نهایی به مراتب طبیعی تر به نظر برسد.

بسته به خط ساحلی شن ها رفتار متفاوتی به طرق مختلف از خود نشان می دهند. خلق این تنوع شنی یک چالش لذت بخش بود. تیم مورد نظر در نهایت این شن ها را در سه گروه متفاوت طبقه بندی کرد: خیس، مرطوب، و خشک.

شبکه های مقیدی برای دادن یک سطح ضخیم به شن ها ایجاد شده بودند، با محدودیت های شکستنی لازم که یک افکت در حال فروپاشی را بتوان با آن ها ایجاد کرد. بعد از دستکاری grain solver در هودینی، تیم قادر به جداسازی این تفاوت های ظریف در بخش های مرطوب بود که می توانست با نتایج قابل پیش بینی شبیه سازی و انیمیت شود.

برای آب و کف روی آن (فوم) از FLIP solver هودینی استفاده شده بود. برای زمان بندی، تیم تولید شکل های موج ساده را انیمیت کردند، از منحنی های لبه و تا جهات کد گذاری شده. سپس آن ها جلوه های ویژه مربوط به شکل های موج و تطبیق آن ها بر اساس ضخامت مایع (آب) را درست کردند. و از این مرحله به بعد، آن ها نقاط را سورس کردند و شبیه سازی با کیفیت پایین  FLIP را اجرا کردند و در نهایت شبیه سازی با کیفیت بالا. البته گاهی اوقات برای کنترل هنری اثر زمان بندی دوباره موج ها نیاز است.

شیدینگ کف های روی آب بوسیله یک شیدر سطح volume/thin هیبرید انجام شد، که با ray depth bounce های بالای ۱۰۰ رندر شده بود. این مورد به پارتیکل کف های روی آب روشنایی شکست مورد نیاز برای طبیعی تر شدن حباب های روی آب را می دهد. اریک اسمیت: “رندرمن عاشق این چالش ها است. ما قادر بودیم تا با تکیه بر انتقال نور برای رساندن و به تصویر کشیدن این کف های روی آب و شن استفاده کنیم. RIS واقعا با وظیفه های که از آن خواست شده بود خوب عمل می کرد.“

برخی راه حل های داخلی همچون GIN برای تعامل حباب ها با هم و ظاهر و برجستگی آن ها استفاده شد، (سیستم پیکسار برای ساخت فیلد ها در محیط سه-بعدی) همچون الگوهای فوم (کف) رویه. این حباب های ریز با حجم سطحی آب حمل می شدند و برای خلق آن از یک توان تابع توزیع استفاده می شد. چگالی بر اساس مجاورت پارتیکل ها بود، از این مورد برای ظاهر بیرونی و انباشتگی این حباب ها استفاده می شد.

ترفند عالی شیدینگ دیگر برای شبیه سازی های مسائل ذاتی آب و کشندگی آب استفاده شد، اثری که به ان Meniscus می گویند، جایی که لبه های ناخواسته ای در موقع رسیدن آب به ساحل فرم می گیرند. برای این کار تیم تولید تمام هندسه ساحل را تکرار کرد و از یک مخلوط داینامیک IOR برای انتقال بین شن های مرطوب و خیس استفاده کرد. این کار باعث شد تا عدم دقت از بین برود و یک رفتار طبیعی از موج های آب را در ساحل شاهد باشیم.

با ترکیب رویه روان آب ایجاد شده در هودینی، تیم قادر بود تا از نتایج الگوهای موج دار شدن به عنوان عکس بر اساس  displacement در Katana استفاده کند، دادن یک لطافت و ظریفی به نمای یک خط ساحلی.

پایپر به شدت تحت تاثیر عکاسی ماکرو بود و تیم تولید بنابر سنت در صدد استفاده از Depth of Field در Nuke با یک روند Deep Compositing بود که تشخیص داد رندرمن in-render DOF را به طرز فوق العاده ای انجام می دهد و با دقتی که قابل مقایسه با قبل نیست. برای برخی از شات های DOF اغراق آمیز، ترکیبی از این تکنیک استفاده شده بود، آن ها رندر ها را در USD geometry و با اضافه کردن مقداری بلر با Deep Image Data دوباره انجام دادند و تصویر خلق شده به مراتب شیک تر به نظر می رسید.

در نهایت، برای رها شدن از نویز های pathtracing، تیم تولید مشتاقانه از RenderMan Denoise جدید استفاده کرد. سابقا، بازتاب سطوح و DOF سنگین نیازمند بسیاری sampling اضافه شده بود تا این مشکل نویز ها مرتفع شود، اما Denoiser این اجازه را به تیم تولید داد تا بدون ترس از تکنیک ها استفاده کنند و نگران نویز های ناخواسته یا زمان رندر طولانی غیر ممکن نباشند. آن ها همچنین از integrator clamps و فیلترینگ LPE استفاده کردند تا تاثیرات fireflies را از بین ببرند.

در انتها، پایپر توانست استاندارد ها و قابلیت های جدید نورپردازی و فیزیکال شیدینگ جدید را که در تکنولوژی جدید RIS کارایی خوبی دارد را به نمایش بگذارد تا قله های دست نیافتنی قابل دسترس شوند و راه جدیدی را برای فیزیکال ورکفلو ایجاد کند.

 خانه انیمیشن