數(shù)學(xué)家讓迪斯尼電影《海洋奇緣》幻夢成真
他們將現(xiàn)實主義的魔術(shù)應(yīng)用到動畫上，并用這方面的新知識解決現(xiàn)實中的問題。
作者：Stuart Wolpert
翻譯：雙余
校對：小鹿
《海洋奇緣》中漂浮在水面上的船（圖片來源：華特迪斯尼動畫工作室）
迪斯尼動畫大片《海洋奇緣》（Moana）中運用了讓人目瞪口呆的視覺效果。它對水的動畫處理水平之高，以至于水本身就成了一個獨特的動畫角色。
加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校（UCLA）的數(shù)學(xué)系教授Joseph Teran從2007年開始就為迪斯尼動畫電影擔任顧問的工作。他心里清楚藝術(shù)家們并不喜歡聽冗長的數(shù)學(xué)課，但是他們中的許多人也明白動畫電影的成功常常離不開高級數(shù)學(xué)知識。
“一般來說，電影制片廠的動畫畫師和藝術(shù)家連一點數(shù)學(xué)和物理都不想碰，但是動畫電影對真實性的要求非常高，”Teran表示，“如果你一開始不用正確的數(shù)學(xué)和物理來描述材料的性質(zhì)，比如水和雪，那么電影的效果就會很假。如果材料的物理和數(shù)學(xué)性質(zhì)沒被正確模擬的話，那么這些材料的動畫看起來就令人無法直視?！?/span>
Teran和其研究團隊使迪斯尼的若干部電影場景變得十分逼真，其中就包括《冰雪奇緣》（Frozen）。在這部電影里，他們利用科學(xué)營造了逼真的雪景。最近，他們又用數(shù)學(xué)、物理和計算機科學(xué)的知識將新上映的賣座的3D電影《海洋奇緣》變得栩栩如生。這部電影講述的是一個向往海洋的女孩為了拯救族人而離開她所居住的小島的冒險故事。
Teran和Andrea Bertozzi曾經(jīng)指導(dǎo)過的博士研究生Alexey Stomakhin在這部電影的創(chuàng)作過程中立下了汗馬功勞。在2013年拿到了應(yīng)用數(shù)學(xué)博士學(xué)位后，他成了迪斯尼動畫工作室的高級軟件工程師。和迪斯尼的特效藝術(shù)家、技術(shù)總監(jiān)和軟件開發(fā)工程師一起，Stomakhin領(lǐng)導(dǎo)了模擬電影中水流運動代碼的工作。通過他們的努力，水在這部電影里成為了一個角色。
“動畫電影對真實性和復(fù)雜度的要求越來越高，所以計算機的作用就越來越大。這就意味著我們必須要模擬出海面的運動、水的潑濺等特效才能讓電影看上去真實可信，” Stomakhin解釋道，“這部電影幕后有許多數(shù)學(xué)、物理學(xué)和計算機科學(xué)做支撐。這就是我們做的工作。”
《海洋奇緣》驚艷的視覺效果受到了褒揚，溢美之詞讓這些數(shù)學(xué)家們聽了很受用?！斑@部電影里的一切看起來都非常逼真，因此水的運動也必須要逼真。結(jié)果果然如此，”Teran表示，“《海洋奇緣》的水流效果目前是我眼中最好的?！?/span>
Stomakhin表示他的工作很有趣，而且“超級有意思，特別是當我們能夠巧妙利用物理甚至超越物理的時候。這就像是用你自己的物理法則建造并模擬屬于你自己的宇宙?！?/span>
“迪斯尼的電影大都是關(guān)于魔法，因此這些電影里有一些現(xiàn)實中不存在的魔幻事物，”這位軟件工程師表示，“我們的工作就是要增加額外的應(yīng)力和其他的特技來制造特效。如果你理解真實的物理規(guī)則，你就能讓參數(shù)超越物理的限制并微調(diào)方程；我們能夠預(yù)測這些調(diào)整的結(jié)果?！?/span>
想要制作動畫電影的話，電影公司必須要找到，或者盡量找到偏微分方程的解。Stomakhin、Teran和他們的團隊編寫了能夠求解這些偏微分方程的代碼。更準確地說，他們編寫了與偏微分方程近似的算法，因為這些方程沒有完美的解。
Teran表示：“我們試著設(shè)計出新的算法，這些算法在各種可能的類別中要有最高質(zhì)量的測度，比如要完美保留角動量和能量。許多算法并沒有這些特點?！?/span>
Stomakhin也參與了海洋波濤的制造，這些波濤必須要在特定的地點和時間破碎。這個任務(wù)需要他創(chuàng)造性地利用物理和其他特技?！澳悴荒鼙晃锢頎恐亲幼?，”他說，“你要讓波浪在需要破碎的時候精確地破碎。”
對于這些科學(xué)家來說，描繪海浪上的船只是一項更為艱巨的挑戰(zhàn)。為了完成這個任務(wù)，數(shù)學(xué)家們利用物理和數(shù)學(xué)原理對水的運動進行了精確編排。
“很容易就能模擬一艘劃過平靜湖面的小船，但是在波濤中顛簸的小船就不那么容易模擬了，” Stomakhin表示，“我們模擬了小船四周的流體。困難之處在于將這些流體和其余的海水融合在一起。小船不能看上去是在小游泳池里撲騰，這種融合必須天衣無縫?！?/span>
Stomakhin花了一年多的時間研究這種特效所需的物理知識并研發(fā)出了代碼。
在一個面向本科生的視覺效果工業(yè)的科學(xué)計算課程上，Teran表示：“看到視覺效果這么棒真不錯，如果你沒有設(shè)計出能準確地求解物理特性的算法，那么你是做不到這點的。”
雖然Teran嗜好創(chuàng)作卓絕的視覺特效，但是他表示這方面的研究還有許多的其他科學(xué)用途。比如，它可以用來模擬等離子體、模擬3D打印或者模擬手術(shù)。Tera正在用一種相關(guān)算法來構(gòu)造虛擬肝臟，用來代替外科醫(yī)生進行訓(xùn)練時用到的動物肝臟。他還用這個算法來研究腿外傷。
Tera這樣描述和迪斯尼的合作項目：“這是模擬材料的高性能計算，非常實用，和國家實驗室的機械工程師和物理學(xué)家能達到的水平并無二致。在電影中模擬水和模擬材料是一回事，當然了，需要做一些細微的調(diào)整，讓水看上去更加逼真。我們并沒有單獨做電腦圖像的研究分支。我們研發(fā)的新算法能夠模擬各種不同的材料。”
根據(jù)幾個月來的計算，Teran、Stomakhin和其他3位應(yīng)用數(shù)學(xué)家——Chenfanfu Jiang、Craig Schroeder和Andrew Selle還研發(fā)出了一種模擬圖形流體的尖端方法，該方法被稱為APIC。
用APIC 制造的視覺效果更加絢爛，也更為真實。Jiang是Tera實驗室的博士后研究員，他在2015年獲得了UCLA的最佳論文獎。Schroeder以前也是Tera指導(dǎo)的博士后研究員，目前在加利福尼亞大學(xué)河濱分校（UC Riverside）工作。Selle曾受雇于華特迪士尼動畫工作室，目前在谷歌工作。
他們的最新APIC版本已經(jīng)被同行評議期刊《計算物理學(xué)報》（Journal of Computational Physics）接受。
“Alexey正在用高性能計算的概念來制作電影，”Tera表示，“我們通過改進這個算法為科學(xué)界做出了貢獻?！?/span>
原文鏈接：
http://newsroom.ucla.edu/stories/ucla-mathematicians-help-bring-the-ocean-to-life-for-disneys-hit-movie-moana
本文經(jīng)UCLA網(wǎng)站授權(quán)《賽先生》翻譯。
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