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Hacer que los fluidos animados parezcan más realistas
Detrás de las escenas de la mayoría de los efectos especiales de las películas hay computadoras que procesan intensas ecuaciones matemáticas. Y algunos de los tipos más complejos de ecuaciones de animación describen el movimiento de los fluidos: cualquier cosa, desde un flujo de lava hasta una explosión, el ascenso y desaparición de anillos de humo. Pero muchas veces, las ecuaciones disponibles para los animadores no son lo suficientemente buenas para representar y controlar con precisión los fluidos, dice Mathieu Desbrun , profesor de informática en el Instituto de Tecnología de California, en Pasadena. Para hacer que la animación fluida se vea lo suficientemente bien, dice, algunos animadores optan por dibujarla a mano, un proceso que requiere mucho tiempo.
El líquido que gira en esta bola de nieve obedece a nuevas ecuaciones para simulaciones por computadora desarrolladas en Caltech. Los investigadores afirman que estas ecuaciones hacen que el movimiento líquido sea más realista de lo que es posible con el software de animación por computadora actual.
Pero la investigación de Desbrun podría hacer que los fluidos fluyan mejor en la pantalla. Él y su equipo están desarrollando un enfoque completamente nuevo para el movimiento de fluidos, basado en nuevas matemáticas llamadas geometría diferencial discreta, que usa ecuaciones diseñadas específicamente para ser resueltas por computadoras en lugar de personas. En última instancia, dice, tienen el potencial de reducir el costo y el tiempo de hacer una pieza de animación. Ahora que estamos usando computadoras, es un juego de pelota completamente nuevo, dice.
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Observe cómo el humo obedece a las nuevas ecuaciones de dinámica de fluidos
Observe cómo un personaje licuado obedece a las nuevas ecuaciones de dinámica de fluidos
Antes de las computadoras, explica Desbrun, los matemáticos y físicos desarrollaron ecuaciones para el movimiento de objetos como sólidos y fluidos, y muchas de ellas se podían resolver a mano. Durante las últimas décadas, quedó claro que las computadoras podrían usarse para resolver muchas de las ecuaciones más difíciles, por lo que los informáticos y los matemáticos tomaron el conjunto conocido de ecuaciones y trataron de modificarlas para la tarea. Reelaboraron las ecuaciones explicando las reglas físicas, dividiéndolas efectivamente en cientos de numerosos fragmentos para que el cerebro digital de una computadora, que es bueno para trabajar en muchos de estos fragmentos a la vez, pudiera resolverlos.
Si bien se ha realizado mucho trabajo con éxito utilizando este enfoque, dice Desbrun, estas ecuaciones todavía solo se aproximan al movimiento y tienden a producir líquidos que fluyen de manera poco natural. Por ejemplo, en el caso de un remolino, con el tiempo el enfoque tradicional introduce errores en el movimiento, produciendo una viscosidad artificial: el resultado visual es un remolino que se ralentiza sin una razón obvia. Un animador debe intervenir para modificar los marcos para asegurarse de que el líquido siga moviéndose de la manera correcta.
El enfoque de Desbrun es escribir nuevas ecuaciones que se basan en propiedades físicas que no se expresan en las ecuaciones tradicionales. Por ejemplo, las ecuaciones tradicionales incluyen información sobre la velocidad de un líquido, y esto se usa para aproximar o proporcionar una descripción inexacta del movimiento de un líquido si comienza a girar. Pero las ecuaciones de Desbrun pasan por alto la velocidad simple y en su lugar describen el movimiento de remolino exactamente, y de una manera que las computadoras pueden hacer crujir fácilmente. En lugar de simplemente aproximarlos, podemos capturar la dinámica fielmente, dice. Y lo demostramos visualmente.
En un artículo publicado este mes en la revista Transacciones en gráficos , Desbrun y su equipo describen el enfoque que adoptan para modelar los fluidos arremolinados alrededor y dentro de objetos sólidos como una bola de nieve. El enfoque tradicional aproximaría la velocidad del líquido en varios puntos en el espacio y el tiempo y lo usaría para aproximar su movimiento a lo largo de una trayectoria circular. Pero las ecuaciones de Desbrun modelan la circulación real del líquido, como si fuera una propiedad tan fundamental como la velocidad.
Para simular la circulación de líquido, los investigadores deben capturar la propiedad fundamental de esa circulación, llamada flujo. El flujo, o la cantidad de líquido que se mueve a través de un espacio en un momento dado, se captura rompiendo el remolino en pedazos diminutos y determinando el flujo en cada pieza. Estos valores se incluyen en la ecuación de movimiento, lo que permite que el líquido fluya con mayor precisión.
Hasta ahora, dice Desbrun, los resultados son prometedores. Se ha demostrado que este enfoque proporciona una buena predictibilidad estadística ... asegurando una alta calidad visual.
La investigación podría ser significativa para la comunidad de gráficos por computadora, dice Eva Kanso , profesor de ingeniería aeroespacial y mecánica en la Universidad del Sur de California, en Los Ángeles, que modela fluidos computacionalmente. Tradicionalmente, dice, la tendencia era utilizar cálculos rápidos que son similares a la realidad, pero que no se basan en la física real. Es un gran paso para la comunidad de gráficos por computadora observar las leyes físicas y tratar de simularlas, especialmente ahora con una gran demanda de animación más realista.
James O’Brien , profesor de ciencias de la computación en la Universidad de California, Berkeley, dice que si el método computacional tradicional y el método de Desbrun fueran uno a uno, no habría mucha diferencia en la cantidad de tiempo que lleva renderizar una animación. . Sin embargo, dice, el punto real es obtener resultados más atractivos con la misma cantidad de esfuerzo.
En este momento, dice Desbrun, su nuevo enfoque de computación no está listo para el horario de máxima audiencia en el software que se encuentra en los estudios de animación, pero sus colegas de la Universidad de Columbia están explorando la opción. No hemos llevado nuestra investigación al punto en que podamos ayudar a las compañías cinematográficas a agregar más control sobre la forma en que fluye el fluido, dice. Pero, agrega, si las ecuaciones se utilizan en software, los artistas podrían, con el clic de un botón, modificar fácilmente los efectos especiales y la animación con mucha más precisión que en la actualidad.