有沒有想過，諸如Incredibles之類的動畫電影如何使頭髮，衣服，水，植物和其他細節看起來如此現實？還是，就像納尼亞（Narnia）編年史中的獅子一樣，動畫角色被從事真人電影中的工作？如果沒有，動畫師會很高興，因為他們不希望特殊效果分散故事的注意力。但是，幕後是藝術，計算和物理學的複雜組合。
傳統上，動畫是由藝術家手工繪製的，他們需要“文藝復興時期畫家所擁有的一些神奇的眼睛，給人的印像是它實際上是在現實的照亮。”在過去的十年左右的時間裡，手繪動畫逐漸消失，因為基於物理的模擬越來越多地用於實現更逼真的照明和運動。儘管在動畫電影中邁向現實，但現實世界的物理學仍然是權宜和藝術的奴隸：簡化和快捷方式使模擬更快，更便宜，導演希望什麼勝過身體的準確性。
在2007年初發行的電影300中的一個戲劇性場景中，幾艘船猛烈碰撞 - 他們的船體碎裂，桅杆折斷，帆撕裂，船隻下沉。斯蒂芬·特洛伊斯基（Stephan Trojansky）從事300次擔任德國公司ScanlineVFX的視覺效果主管的工作，他說僅在該場景中創建海洋涉及模擬1280億個元素。他說：“我們可能創建了有史以來最高的流體模擬細節。”
他補充說：“對於船隻的破裂和碎片，我們開發了碎裂的技術。木材不會像石塔那樣折斷。它彎曲。要獲得逼真的行為，您必須考慮到船如何被釘在一起。所涉及的物理學主要是定義材料會破裂的方程式。”
流體和固體的動畫以及面部表情和服裝的動畫，除其他外，都使用各種計算方法和許多方程式。但是，在推動更現實的動畫的推動下，它的權衡是一個權衡 - 更接近現實需要越來越多的計算機力量，並且變得越來越昂貴。有三種常用的方法的計算機動畫- 將要模擬的對象分解為離散元素，使用對象的樣本點或在空間中創建固定的單元格。
位於新西蘭惠靈頓的視覺效果公司Weta Digital的Mark Sagar專門研究面孔。一種技術是運動捕獲，其中標記將標記放在演員的臉上，其位置以不同的表情記錄，然後將位置映射到動畫角色上。薩加爾說：“對於金剛來說，我們將演員的表情映射到大猩猩上。”
模擬臉涉及用肌肉解釋運動，薩加說。 “我們近似生物組織及其層和層的詳細機械性能。您有運動數據並開始確定驅動力是什麼。”他說：“對皮膚進行現實的伸展需要很多有限的元素，滿足一小塊組織。”他說：“您在每個點上計算並求解力，然後求和直到獲得平衡的方程式。從工程角度來看，它並不是複雜的，而是產生高質量的結果。”
Pixar Animation Studios的研究員Michael Kass說，現實的動作通常太複雜了，動畫師無法手工做。 “結果可能會很糟糕，而且非常昂貴。”在1995年最初的玩具故事中，他說：“如果您看到衣服上的皺紋，那是因為動畫師決定在那個時間點放皺紋。在那之後，我們（在皮克斯（Pixar））決定做一部短片來嘗試一個基於物理的服裝模擬。”
他說，服裝的運動被計算為對部分微分方程的解決方案。 “您從各個線程開始。它們的基本特性是什麼？然後，當它們編織時，您會考慮散裝特性。主要的物理效果是伸展，剪切和彎曲。在一定程度上，您可以採用真正的布並獲得實際的測量。”
在動畫服裝仍然存在問題的同時，他說：“現在，這是標準技巧的一部分。我們的仿真已經變得足夠準確，我們可以使用市售的圖案製作軟件來設計服裝，然後讓它們在我們的虛擬模擬中所期望的那樣，在很大程度上移動。”
卡斯說，動畫頭髮“在許多方面比衣服更容易，因為它就像單個線程。” “不同之處在於，除非螺紋相互作用，否則衣服不會像衣服一樣移動。在真實的頭髮中，螺紋確實相互作用，但是您可以在不考慮這一點的情況下獲得令人信服的運動。”
照明是物理在動畫中起關鍵作用的另一個領域。康奈爾大學的史蒂夫·馬希納（Steve Marschner）說，很長一段時間以來，“使皮膚很難。它看起來會蠟質或太光滑。”他說，修復程序是要考慮到皮膚是半透明的，他和同事“從看另一個問題 - 呈現大理石的情況下都想出了這一點。”
與液體，布，剛體等的模擬一樣，將透明度納入模型皮膚也涉及舊物理。 “在某些情況下，我們必須從頭開始創建模型。但是有時我們會在物理學的另一個分支中找到解決類似問題的人，我們可以利用他們所做的事情。”對於皮膚半透明，“我們能夠從醫學物理學中調整溶液，從對皮膚疾病激光治療的皮膚內部的輻射分佈的計算計算。”
Debevec說：“您在電影中看到的最酷的事情之一是，當某種超凡脫俗的野獸或數字角色坐在現場，四處漫遊，看起來確實在那兒。” “您可以做到這一點的唯一方法是了解光傳輸的物理學，尊重光在現實世界中的工作方式，然後使用計算機來嘗試與真正拍攝的差異彌補差異。”
他說，例如，在納尼亞（Narnia），“他們拍攝了很多，孩子們穿著騎士服裝打扮，為獅子留下了空曠的空間。”然後，為了使數字獅子正確地說：“節奏和色調工作室使用放射線圖校準的相機來測量場景中每個方向的照明的顏色和強度。”他補充說，“測量結果被饋入最初在物理界開發的算法中，並已被計算機圖形社區改編，以模擬現場的光線彈跳方式。”
類似的方法用於創建數字雙打 - 填充現場演員的虛擬特技角色。 Debevec說：“電影製片廠有時將演員帶到我們的研究所，在那裡我們建立了設備來衡量一個人或物體或您在[設備]中粘貼的任何東西，反映了來自各個可能的方向的光。”他說，最終的數據集可用於模擬該人的虛擬版本。 “大約有40張數字阿爾弗雷德·莫利納（Alfred Molina）扮演Otto Octavius博士蜘蛛俠2。看起來像他，但這是一個動畫角色。皮膚的反射看起來是現實的，其質地，半透明和閃耀，因為這一切都是基於對真實演員的測量。 ”
Debevec繼續說：“我們很少模擬兩個以上的間接照明彈跳，而在現實中，光線只是不斷彈跳。” “沒有彈跳，事情看起來太斯巴達人了，陰影太清晰了。一個彈跳填充了可能缺失的四分之三的光線，而兩次彈跳通常您通常超過95％。這已經足夠了。”他補充說，另一個快捷方式是將重點放在最終的光線上。 “我們試圖找出您可以做出的作弊，從而為您提供看起來正確的圖像。”
馬希納說：“盡可能多地作弊的傳統，因為建立確切的模擬是不可能的，要么是太昂貴的。” “我們使用物理學來獲得現實主義，”特洛伊斯基說。 “但是我是一個物理騙子。我將其用作基礎，但我對視覺效果感興趣。”
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編者註：這是一篇文章的編輯版本，出現在2007年11月的《今日雜誌》雜誌上。它已在此處重新出版。
