Эволюция технологий создания цифровой воды в кино
РУБРИКАТОР
1. Концепция 2. «Бездна» 1989 г. — Формообразование и анимация псевдопода — Анимация «жидких лиц» — Освещение и отражения — Рендеринг и композитинг 3. «Аватар: Путь воды» 2022 г. — Основной программный каркас — Loki — Симуляция тонкой водяной плёнки и капель — Подводные пузыри и их взаимодействие с водой — Поверхностные волны и постобработка — Белая вода: пена, брызги, мелкие детали 4. Заключение 5. Список текстовых источников 6. Список источников изображений
Как изменились технологии цифрового моделирования воды с конца 1980-х до 2020-х годов, и как эти изменения отразились на визуальной убедительности?
КОНЦЕПЦИЯ
Визуальное исследование посвящено анализу технологической эволюции в области создания цифровой воды на примере двух фильмов режиссёра Джеймса Кэмерона: «Бездна» (1989) и «Аватар: Путь воды» (2022). В центре внимания — сопоставление подходов, инструментов и рабочих процессов, применённых для решения сходных задач: моделирования формы воды, её движения, взаимодействия с окружением и интеграции в кадр. Главный вопрос исследования — как изменились технологии создания цифровой воды за 33 года и как это повлияло на соответствие визуального результата физическим свойствам реальной жидкости.
В фильме «Бездна» ключевым элементом стал псевдопод — колонна воды, способная принимать форму лица. Работу над эффектом вёл отдел компьютерной графики Industrial Light & Magic (ILM) под супервизией Денниса Мерена. Для анимации формы псевдопода использовалась процедурная система: поверхность генерировалась вдоль анимированной центральной кривой, а программа, написанная Марком Диппе, преобразовывала её в гладкий трубчатый объект. Рябь на поверхности создавалась вручную с помощью наложенных синусоидальных волн. Для имитации отражений применялась карта окружения: Джон Нолл фотографировал всё окружение на съёмочной площадке, затем обрабатывал изображения на Macintosh с помощью программы, разработанной его братом (Photoshop), и накладывал их на внутренние грани виртуального куба. Преломление рассчитывалось отдельно с помощью трассировки лучей. Композитинг в большинстве сцен выполнялся оптически: после рендеринга каждый слой (отражение, преломление, свет, дым) выводился на плёнку и физически совмещался в лаборатории под руководством Стюарта Робертсона.
В «Аватар: Путь воды» над подводными сценами работала студия Wētā FX под общей супервизией Джо Леттери и Эрика Сэйндона. Здесь вода создаётся не вручную, а с помощью физически точных гидродинамических симуляций, основанных на решении уравнений Навье–Стокса. Поведение жидкости — включая брызги, пузырьки, турбулентность и взаимодействие с телами персонажей — рассчитывается автоматически. Оптические свойства воды (преломление, отражение, поглощение света на разных длинах волн) моделируются в рамках глобального освещения с использованием path tracing в собственном рендере студии Manuka. Композитинг полностью цифровой, без участия плёнки или оптической лаборатории. Окружение реконструируется в 3D на основе данных съёмок с помощью фотограмметрии и LiDAR-сканирования, что позволяет точно передавать не только форму отражений, но и их зависимость от расстояния до объекта.
«БЕЗДНА» 1989 г.
В 1989 году в фильме «Бездна» поставленного Джеймсом Кэмероном появилась первая в истории фотореалистичная CGI-сцена. Супервайзером VFX для фильма был Деннис Мерен.
Кадр из фильма «Бездна» 1989 г. Режиссер: Джеймс Кэмерон // Супервайзер VFX: Деннис Мерен
Формообразование и анимация псевдопода
Скетч кадра для фильма «Бездна» 1989 г. Режиссер: Джеймс Кэмерон
Команде было необходимо создать гибкую колонну движущейся воды, имитирующую органическое движение.
Процесс разработки псевдопода и его финальный рендер
Кадр из фильма «Бездна» 1989 г. Режиссер: Джеймс Кэмерон // Супервайзер VFX: Деннис Мерен
Для достижения данной цели была разработана система, в которой поверхность воды моделировалась как гибкий 3D-трубчатый меш. Для анимации использовалась спиновая кривая, вдоль которой двигался псевдопод.
Анимация движения меша псевдопода
Марк Диппе разработал собственный код для генерации волн: на меш накладывались синусоидальные волны разного масштаба. Волны сталкивались, создавая реалистичную рябь.
Это была процедурная генерация, так как полная симуляция в то время была невозможна.
Процедурная генерация ряби при помощи синусоидальных волн
Анимация «жидких лиц»
Сканирование лиц актеров для последующего переноса в 3D Оборудование: лазерная сканирующая система от Cyberware Laboratory
Использовалась лазерная сканирующая система от Cyberware Laboratory. Обновлённая версия системы находилась в Walt Disney Imagineering и была предоставлена для съёмок. Всего было сделано 12 сканов выражений для Линдси и 8 сканов для Вирджила. В процессе сканирования актёры должны были оставаться абсолютно неподвижными с открытыми глазами.
Финальная версия псевдопода, повторяющего лицо героини // Рендеры
Скан, соединенный с мешем псевдопода // Скан лица
Полученные данные напрямую загружались в ILM computer graphics system. Это позволяло манипулировать моделями и просматривать их на мониторе. Для анимации переходов использовалась программа разработанная Дугласом Смитом. Принцип работы: ручная привязка десятков соответствующих точек на двух крайних формах, затем усреднение для создания промежуточных переходов.
Кадр из фильма «Бездна» 1989 г. Режиссер: Джеймс Кэмерон // Супервайзер VFX: Деннис Мерен
Освещение и отражения
Джон Нолл фотографировал все возможные виды каждого сета, включая стены, потолки, полы — всё, что могло отразиться на псевдоподе. Но из-за ограничений (осветительные стойки, недостроенные части декораций) фотографии были неполными и несогласованными. Для этого они сканировались на Eiconix input scanner, а затем обрабатывались Джоном на Macintosh в программе, написанной его братом. (В будущем — Photoshop).
Псевдопод внутри собранной Джоном Ноллом карты окружения (cube map)
В компьютерном пространстве строился куб (карта окружения), внутренние грани которого покрывались обработанными сканами. Далее этот куб использовался программой трассировки лучей для определения, что именно отражает каждая точка псевдопода (например, потолок, стена за камерой и т. д.).
Рендеринг и композитинг
Слои рендера // финальная сборка кадра на фоне
Рендер был разделен на несколько слоев для большей гибкости в композитинге. При совмещённом рендере даже мелкая коррекция заняла бы 4 дня, а с раздельными — можно было сделать за ночь.
Все элементы сканировала на плёнку Сэнди Форд. Окончательная сборка — в оптическом отделе под руководством Стюарта Робертсона.
Кадр из фильма «Бездна» 1989 г. и слой рендера псевдопода для этого кадра Режиссер: Джеймс Кэмерон // Супервайзер VFX: Деннис Мерен
«АВАТАР: ПУТЬ ВОДЫ» 2022 г.
В фильме «Аватар: Путь воды» визуальные эффекты воды были созданы с использованием комплексного набора инструментов и технологий, разработанных Wētā Digital (ныне часть Unity). Супервайзоры VFX: Джо Леттери, Эрик Сэйндон
Для реализации водных эффектов была сформирована специальная команда, в которую вошли эксперты по симуляции воды из Unity x Wētā Digital: Алексей Стомахин, Стив Лессер, Джоэл Вретборн, Шон Флинн. В результате команда получила премию Visual Effects Society (VES) Awards в категории Emerging Technology Award за свой набор инструментов.
Для научного обоснования физических моделей команда сотрудничала с New Zealand’s National Institute of Water and Atmospheric Research (NIWA), учитывая такие факторы, как приливы, ветер и рельеф морского дна
Кадр из фильма «Аватар: Путь воды» Режиссер: Джеймс Кэмерон // Супервайзоры VFX: Джо Леттери, Эрик Сэйдон
Из-за вычислительной сложности не существовало единой системы, способной охватить все аспекты воды — вместо этого был разработан набор специализированных солверов
Основной программный каркас — Loki
Симуляция влияния ветряных потоков на водопад с помощью Loki
Большинство водных инструментов интегрированы в симуляционный фреймворк Wētā Digital под названием Loki, который включает в себя солверы для множества состояний воды: - процедурные волны - брызги - туман - большие пузырьки - маленькие (диффузные) пузырьки - пена - капиллярные поверхностные волны - тонкая пленка - остаточная влажность
Loki Water State Machine
Это автоматизированная система управления состояниями воды, позволяющая: - запускать несколько солверов одновременно, каждый — для своей физической составляющей - сохранять массу и импульс при переходе между состояниями - выполнять все симуляции за один проход, что обеспечивает физически корректные взаимодействия между состояниями
Подход позволяет даже начинающим художникам получать качественные результаты с первой попытки, без множества итераций.
Симуляция тонкой водяной плёнки и капель
На SIGGRAPH 2019 была представлена методика моделирования микроскопического взаимодействия воды с кожей
Метод основан на адаптированном FLIP/APIC солвере, способном моделировать: - поверхностное натяжение - адгезию - стекание капель
В «Аватаре: Путь воды» метод был усовершенствован для сцен, где персонажи выходят из воды. Симуляции выполнялись с субмиллиметровым разрешением, что требовало дней вычислений.
Солвер был оптимизирован на масштабируемость, надёжность и физическую правдоподобность, минимизируя необходимость ручной настройки артистами.
Подход к моделированию взаимодействия воды с персонажами в крупном плане, с акцентом на высокоточные эффекты поверхностного натяжения и адгезии
Подводные пузыри и их взаимодействие с водой
Для сцен с подводным дыханием и движением под водой пузыри симулировались вместе с узкой полосой воды вокруг области интереса.
Симуляция пузырьков для сцены с подводным движением
Пузыри разделялись на два типа: 1. Крупные, с турбулентным поведением. Фаза воздуха представлена FLIP/APIC-частицами для сохранения объёма и точного отслеживания границы раздела фаз. 2. Мелкие пузырьки, не разрешаемые на сетке. Для них разработана новая схема сопряжения с основной жидкостью. Эта схема применима также к песку, волосам, ткани и другим пористым объектам под водой.
Ключевое улучшение — двустороннее сопряжение между пузырями и жидкостью: Группы пузырей всплывают быстрее, чем одиночные (из-за коллективной плавучести). Коллективное поведение пузырей влияет на движение самой воды, что создаёт более естественную динамику.
Поверхностные волны и постобработка
Wave curves: моделирование волн на динамически деформирующихся поверхностях
Совместно с IST Austria была разработана техника постобработки симуляций, повышающая видимое разрешение поверхности воды.
метод симуляции Wētā Digital // базовая симуляция
Метод основан на линейной теории водных волн, расширенной для неплоских областей. На поверхности основной симуляции размещаются волновые пакеты, привязанные к кривым. Это создаёт высокочастотные ряби с дисперсионным поведением.
Белая вода: пена, брызги, мелкие детали
Симуляция пены
Для реалистичной симуляции белой воды (вспенившейся воды при обрушении волн) была разработана комбинированная система: - Солвер на основе сетки Навье-Стокса — для основного объёма воды и крупных пузырей. - Солвер SPH (сглаженной гидродинамики частиц) — для пены на поверхности. Пена формируется из подводных пузырей, достигающих поверхности и превращающихся в частицы влажной пены, привязанные к поверхности воды.
Одновременная симуляция волн, пузырей и пены
Кадр из фильма «Аватар: Путь воды» Режиссер: Джеймс Кэмерон // Супервайзоры VFX: Джо Леттери, Эрик Сэйдон
Кадр из фильма «Аватар: Путь воды» Режиссер: Джеймс Кэмерон // Супервайзоры VFX: Джо Леттери, Эрик Сэйдон
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В «Бездне» вода была представлена как анимированная геометрическая поверхность без физического моделирования. Рефракция и отражения рассчитывались с помощью трассировки лучей, но опирались на заранее отсканированные изображения окружения, а не на динамические данные сцены. Лицевые трансформации водного псевдопода создавались путём интерполяции между статичными 3D-сканами выражений лиц с использованием программ, что не позволяло передавать физически обоснованное поведение жидкости. Взаимодействие с персонажами было чисто визуальным и не основано на симуляциях.
В «Аватаре: Путь воды» вода моделируется как физическая среда с использованием многоуровневой системы симуляций в рамках проприетарного фреймворка Loki. Система включает отдельные солверы для различных состояний воды — объёмной жидкости, брызг, пены, пузырей, тонкой плёнки и других компонентов. Все состояния связаны в единой машине переходов, сохраняющей массу и импульс, и вычисляются за один проход. Поведение воды согласовано с физикой: учитываются поверхностное натяжение, взаимодействие с кожей, волосами, тканью и воздухом, а также коллективная динамика пузырей. Разрешение симуляций варьируется от километровых масштабов до субмиллиметрового уровня для тонкой плёнки на поверхности кожи.
Таким образом, если в «Бездне» вода создавалась как статичная визуальная конструкция без физического моделирования, то в «Аватаре: Путь воды» она является результатом комплексной, физически обоснованной системы, охватывающей все аспекты поведения жидкости в широком диапазоне масштабов и условий.
СПИСОК ТЕКСТОВЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. CineFex Magazine 1989, No.039 2. https://beforesandafters.com/2019/08/09/that-time-james-cameron-gave-ilm-a-day-to-come-up-with-a-test-for-the-abyss/ 3. https://www.deepfocusreview.com/definitives/the-abyss/ 4. https://www.imdb.com/title/tt0096754/?ref_=ttawd_ov_bk 5. https://www.youtube.com/watch?v=anXU81XhwC4 6. https://www.wetafx.co.nz/films/filmography/avatar-sequels 7. https://www.wetafx.co.nz/articles/our-work-on-avatar-the-way-of-water 8. https://unity.com/ru/blog/industry/technology-behind-avatar-the-way-of-water 9. https://youtu.be/60Dk5h_659s 10. https://www.artofvfx.com/avatar-the-way-of-water-vfx-breakdowns-by-weta-fx/ breakdowns vfx 11. https://www.artofvfx.com/avatar-the-way-of-water-eric-saindon-vfx-supervisor-weta-fx/
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ ИЗОБРАЖЕНИЙ
1. CineFex Magazine 1989, No.039 2. https://unity.com/blog/industry/technology-behind-avatar-the-way-of-water 3. https://mycreativefx.com/blog/87-avatar-the-way-of-water-vfx-breakdown 4. https://www.wetafx.co.nz/films/filmography/avatar-sequels 5. https://beforesandafters.com/2019/08/09/that-time-james-cameron-gave-ilm-a-day-to-come-up-with-a-test-for-the-abyss/
