Una nuova teoria basata sulla fisica della formazione delle nuvole e della diffusione dei neutroni potrebbe aiutare gli animatori a creare film più realistici, secondo uno studio condotto da Dartmouth. Il software sviluppato utilizzando la tecnica si concentra su come la luce interagisce con le particelle microscopiche per sviluppare immagini generate al computer.

Ricercatori della Pixar, Ricerca Disney, Hanno contribuito allo studio l'ETH di Zurigo e la Cornell University. Un documento di ricerca che dettaglia il progresso sarà pubblicato sulla rivista Transactions on Graphics e presentato al SIGGRAPH Asia, che si terrà dal 4 al 7 dicembre a Tokyo, Giappone.

Oggetti come le nuvole contengono miliardi di singole gocce d'acqua che non sono pratiche da tracciare in computer grafica per scene di film. Di conseguenza, le tecniche attuali consentono solo agli artisti di specificare la densità delle particelle in ogni parte di una nuvola per definirne la forma e l'aspetto. I sistemi esistenti non consentono alcun controllo su come le particelle siano effettivamente disposte l'una rispetto all'altra.

"Controllando solo la densità, le attuali tecniche presuppongono fondamentalmente che le particelle siano disposte casualmente, senza alcuna interdipendenza, " disse Wojciech Jarosz, un assistente professore di informatica al Dartmouth College che ha supervisionato la ricerca. "Ma questa limitazione può avere un effetto drammatico sull'aspetto finale".

In realtà, le particelle non sono sempre disposte casualmente. Possono raggrupparsi insieme o diffondersi uniformemente, a seconda del tipo di materiale. Comprendere come sono disposte le particelle e come la luce interagisce con esse fornisce una varietà di nuove opzioni artistiche per i cineasti.

"C'è un'intera gamma di apparizioni drammaticamente diverse che gli artisti non potevano esplorare fino ad ora, " ha detto Jarosz. "In precedenza, gli artisti fondamentalmente avevano un controllo che poteva influenzare l'aspetto di una nuvola. Ora è possibile esplorare una gamma di possibilità molto più ricca, un cambiamento dinamico come il passaggio dalle immagini in bianco e nero a quelle a colori".

Nello studio di Dartmouth, i ricercatori hanno confrontato il modo in cui un raggio di luce viaggia attraverso un materiale composto da particelle disposte casualmente con il modo in cui viaggia attraverso un materiale costituito da particelle ordinate in modo più naturale. Il team ha calcolato la media dei risultati di milioni di prove che dimostrano quanto lontano viaggiano i fotoni prima di urtare contro particelle o altri oggetti.

ordinariamente, un grafico che modella il modo in cui i fotoni si muovono attraverso un materiale con particelle disposte indipendentemente appare come un curva "esponenziale" che indica che la luce diminuisce uniformemente mentre viaggia. Quando le particelle si aggregano, come in una nuvola, i fotoni sopravvivono in media a distanze maggiori, risultando in una curva con una coda più lunga.

Non solo il risultato è entusiasmante nei modelli matematici, il team ha programmato la scoperta in un software che consentirà agli artisti di creare una più ampia varietà di look personalizzando il modo in cui la luce viaggia attraverso "materiali volumetrici" come le nuvole, nebbia, nebbia, una statua di marmo, o la nostra stessa pelle.

È importante sottolineare che il risultato creativo sarà anche una rappresentazione più accurata della fisica del mondo reale. La svolta consente agli artisti di mantenere un risultato realistico rispondendo alla direzione creativa "guidando" efficacemente la fisica per ottenere particolari effetti artistici.

"C'è un'interessante interazione tra arte e scienza quando crei film d'animazione, " disse Benedikt Bitterli, un dottorato di ricerca studente a Dartmouth che è coautore del documento di ricerca. "Stai facendo questa simulazione di fisica, ma le persone che lo usano non sono fisici. Stiamo creando software e simulazioni per l'uso da parte degli artisti".

Per affrontare il problema di capire come si organizzano le particelle, il team di ricerca si è rivolto alle scienze atmosferiche e al trasporto di neutroni. In quei campi di ricerca, conoscere la disposizione delle goccioline d'acqua o del materiale del reattore ha importanti implicazioni per lo studio dei cambiamenti climatici e per la sicurezza dei reattori nucleari.

Mentre da tempo i ricercatori cercano di superare la sfida della disposizione delle particelle, non era stato ancora sviluppato un insieme di equazioni che risolvesse il problema in modo generale.

"Non si trattava semplicemente di prendere tecniche da altre aree di ricerca e usarle per generare belle immagini con la computer grafica, " disse Bitterli, che presenterà il lavoro al SIGGRAPH Asia. "Fare funzionare correttamente le equazioni di fisica è stata una sfida nuova e straordinariamente difficile".

Il team di ricerca ha anche applicato la tecnica a oggetti solidi come statue di marmo in cui una parte della luce si riflette sulla superficie, ma alcuni viaggiano anche attraverso la materia, portando al suo aspetto traslucido. La nuova tecnica consente agli artisti di cambiare il modo in cui la luce interagisce con gli oggetti ma senza modificarne la densità.

La ricerca guidata da Dartmouth arriva dopo un recente studio dell'Università di Saragozza che ha esaminato problemi simili ma che si è concentrato solo su oggetti con densità uniforme. Entrambi gli studi arrivano quando computer più potenti e innovazioni software hanno stimolato gli studi cinematografici a sviluppare tecniche più sofisticate basate sul mondo fisico.

Srinath Ravichandran (Dartmouth College), Steve Marschner (Cornell University), Thomas Müller (Disney Research/ETH Zurigo), Magnus Wrenninge (Pixar) e Jan Novák (Disney Research) hanno tutti partecipato a questa ricerca.