En ny teori baserad på fysiken kring molnbildning och neutronspridning kan hjälpa animatörer att skapa mer verklighetstrogna filmer, enligt en Dartmouth-ledd studie. Programvara utvecklad med tekniken fokuserar på hur ljus interagerar med mikroskopiska partiklar för att utveckla datorgenererade bilder.

Forskare från Pixar, Disney Research, ETH Zürich och Cornell University bidrog till studien. En forskningsartikel som beskriver framstegen kommer att publiceras i tidskriften Transactions on Graphics och presenteras på SIGGRAPH Asia, äger rum 4-7 december i Tokyo, Japan.

Objekt som moln innehåller miljarder individuella vattendroppar som inte är praktiska att plotta i datorgrafik för filmscener. Som ett resultat, nuvarande tekniker tillåter endast konstnärer att specificera densiteten av partiklar i varje del av ett moln för att definiera dess form och utseende. Befintliga system tillåter inte någon kontroll över hur partiklarna faktiskt är ordnade i förhållande till varandra.

"Genom att bara kontrollera densiteten, nuvarande tekniker antar i princip att partiklarna är slumpmässigt ordnade, utan något ömsesidigt beroende, sade Wojciech Jarosz, en biträdande professor i datavetenskap vid Dartmouth College som övervakade forskningen. "Men denna begränsning kan ha en dramatisk effekt på det slutliga utseendet."

I verkligheten, partiklar är inte alltid slumpmässigt ordnade. De kan klumpa ihop sig eller spridas jämnt isär, beroende på typ av material. Att förstå hur partiklar är ordnade och hur ljus interagerar med dem ger en mängd nya konstnärliga alternativ för filmskapare.

"Det finns en hel rad dramatiskt olika utseenden som artister helt enkelt inte kunde utforska förrän nu, sade Jarosz. Tidigare, artister hade i princip en kontroll som kunde påverka utseendet på ett moln. Nu är det möjligt att utforska en mycket rikare palett av möjligheter, en förändring som är lika dynamisk som övergången från svartvita bilder till färg."

I Dartmouth-studien, Forskare jämförde hur en ljusstråle färdas genom ett material som består av slumpmässigt ordnade partiklar med hur den färdas genom ett material som består av partiklar som är mer naturligt ordnade. Teamet tog i genomsnitt resultaten av miljontals försök som visar hur långt fotoner färdas innan de slår in i partiklar eller andra föremål.

Vanligtvis, en graf som modellerar hur fotoner rör sig genom ett material med oberoende arrangerade partiklar ser ut som en jämn, "exponentiell" kurva som indikerar ljus som sjunker jämnt när det färdas. När partiklar klumpar ihop sig, som i ett moln, fotoner överlever längre avstånd i genomsnitt, vilket resulterar i en kurva med en längre svans.

Resultatet är inte bara spännande i matematiska modeller, teamet programmerade upptäckten till mjukvara som gör det möjligt för konstnärer att skapa ett större utbud av utseenden genom att anpassa hur ljus färdas genom "volymetriska material" som moln, dimma, dimma, en marmorstaty, eller vår egen hud.

Viktigt, det kreativa resultatet blir också en mer exakt skildring av den verkliga fysiken. Genombrottet gör det möjligt för artister att bibehålla ett realistiskt resultat samtidigt som de reagerar på kreativ riktning genom att effektivt "styra" fysiken för att uppnå speciella konstnärliga effekter.

"Det finns ett intressant samspel mellan konst och vetenskap när du skapar animerade filmer, sa Benedikt Bitterli, en Ph.D. student vid Dartmouth som var medförfattare till forskningsuppsatsen. "Du gör den här fysiksimuleringen, men de som använder det är inte fysiker. Vi skapar mjukvara och simuleringar för användning av artister."

För att ta itu med problemet med att förstå hur partiklar organiserar sig, forskargruppen vände sig till atmosfärsvetenskap och neutrontransport. Inom dessa forskningsfält, Att känna till arrangemanget av vattendroppar eller reaktormaterial har viktiga konsekvenser för att studera klimatförändringar och hålla kärnreaktorer säkra.

Medan forskare har letat efter att övervinna utmaningen med partikelarrangemang under en tid, ingen uppsättning ekvationer hade ännu utvecklats som löser problemet på ett generellt sätt.

"Det här var inte bara en fråga om att ta tekniker från andra forskningsområden och använda dem för att skapa vackra bilder med datorgrafik, sade Bitterli, som kommer att presentera arbetet på SIGGRAPH Asia. "Att få fysikekvationerna att fungera korrekt var en ny och utomordentligt svår utmaning."

Forskargruppen tillämpade också tekniken på fasta föremål som marmorstatyer där lite ljus reflekteras från ytan, men en del reser också genom materialet, vilket leder till dess genomskinliga utseende. Den nya tekniken gör det möjligt för konstnärer att ändra hur ljus interagerar med föremålen men utan att ändra tätheten.

Den Dartmouth-ledda forskningen kommer efter en nyligen genomförd studie från University of Zaragoza som tittade på liknande problem men som bara fokuserade på föremål med enhetlig densitet. Båda studierna kommer eftersom kraftfullare datorer och mjukvaruinnovationer har sporrat filmstudior att utveckla mer sofistikerade tekniker baserade på den fysiska världen.

Srinath Ravichandran (Dartmouth College), Steve Marschner (Cornell University), Thomas Müller (Disney Research/ETH Zürich), Magnus Wrenninge (Pixar) och Jan Novák (Disney Research) deltog alla i denna forskning.