有没有想过，诸如Incredibles之类的动画电影如何使头发，衣服，水，植物和其他细节看起来如此现实？还是，就像纳尼亚（Narnia）编年史中的狮子一样，动画角色被从事真人电影中的工作？如果没有，动画师会很高兴，因为他们不希望特殊效果分散故事的注意力。但是，幕后是艺术，计算和物理学的复杂组合。
传统上，动画是由艺术家手工绘制的，他们需要“文艺复兴时期画家所拥有的一些神奇的眼睛，给人的印象是它实际上是在现实的照亮。”在过去的十年左右的时间里，手绘动画逐渐消失，因为基于物理的模拟越来越多地用于实现更逼真的照明和运动。尽管在动画电影中迈向现实，但现实世界的物理学仍然是权宜和艺术的奴隶：简化和快捷方式使模拟更快，更便宜，导演希望什么胜过身体的准确性。
在2007年初发行的电影300中的一个戏剧性场景中，几艘船猛烈碰撞 - 他们的船体碎裂，桅杆折断，帆撕裂，船只下沉。斯蒂芬·特洛伊斯基（Stephan Trojansky）从事300次担任德国公司ScanlineVFX的视觉效果主管的工作，他说仅在该场景中创建海洋涉及模拟1280亿个元素。他说：“我们可能创建了有史以来最高的流体模拟细节。”
他补充说：“对于船只的破裂和碎片，我们开发了碎裂的技术。木材不会像石塔那样折断。它弯曲。要获得逼真的行为，您必须考虑到船如何被钉在一起。所涉及的物理学主要是定义材料会破裂的方程式。”
流体和固体的动画以及面部表情和服装的动画，除其他外，都使用各种计算方法和许多方程式。但是，在推动更现实的动画的推动下，它的权衡是一个权衡 - 更接近现实需要越来越多的计算机力量，并且变得越来越昂贵。有三种常用的方法的计算机动画- 将要模拟的对象分解为离散元素，使用对象的样本点或在空间中创建固定的单元格。
位于新西兰惠灵顿的视觉效果公司Weta Digital的Mark Sagar专门研究面孔。一种技术是运动捕获，其中标记将标记放在演员的脸上，其位置以不同的表情记录，然后将位置映射到动画角色上。萨加尔说：“对于金刚来说，我们将演员的表情映射到大猩猩上。”
模拟脸涉及用肌肉解释运动，萨加说。 “我们近似生物组织及其层和层的详细机械性能。您有运动数据并开始确定驱动力是什么。”他说：“对皮肤进行现实的伸展需要很多有限的元素，满足一小块组织。”他说：“您在每个点上计算并求解力，然后求和直到获得平衡的方程式。从工程角度来看，它并不是复杂的，而是产生高质量的结果。”
Pixar Animation Studios的研究员Michael Kass说，现实的动作通常太复杂了，动画师无法手工做。 “结果可能会很糟糕，而且非常昂贵。”在1995年最初的玩具故事中，他说：“如果您看到衣服上的皱纹，那是因为动画师决定在那个时间点放皱纹。在那之后，我们（在皮克斯（Pixar））决定做一部短片来尝试一个基于物理的服装模拟。”
他说，服装的运动被计算为对部分微分方程的解决方案。 “您从各个线程开始。它们的基本特性是什么？然后，当它们编织时，您会考虑散装特性。主要的物理效果是伸展，剪切和弯曲。在一定程度上，您可以采用真正的布并获得实际的测量。”
在动画服装仍然存在问题的同时，他说：“现在，这是标准技巧的一部分。我们的仿真已经变得足够准确，我们可以使用市售的图案制作软件来设计服装，然后让它们在我们的虚拟模拟中所期望的那样，在很大程度上移动。”
卡斯说，动画头发“在许多方面比衣服更容易，因为它就像单个线程。” “不同之处在于，除非螺纹相互作用，否则衣服不会像衣服一样移动。在真实的头发中，螺纹确实相互作用，但是您可以在不考虑这一点的情况下获得令人信服的运动。”
照明是物理在动画中起关键作用的另一个领域。康奈尔大学的史蒂夫·马希纳（Steve Marschner）说，很长一段时间以来，“使皮肤很难。它看起来会蜡质或太光滑。”他说，修复程序是要考虑到皮肤是半透明的，他和同事“从看另一个问题 - 呈现大理石的情况下都想出了这一点。”
与液体，布，刚体等的模拟一样，将透明度纳入模型皮肤也涉及旧物理。 “在某些情况下，我们必须从头开始创建模型。但是有时我们会在物理学的另一个分支中找到解决类似问题的人，我们可以利用他们所做的事情。”对于皮肤半透明，“我们能够从医学物理学中调整溶液，从对皮肤疾病激光治疗的皮肤内部的辐射分布的计算计算。”
Debevec说：“您在电影中看到的最酷的事情之一是，当某种超凡脱俗的野兽或数字角色坐在现场，四处漫游，看起来确实在那儿。” “您可以做到这一点的唯一方法是了解光传输的物理学，尊重光在现实世界中的工作方式，然后使用计算机来尝试与真正拍摄的差异弥补差异。”
他说，例如，在纳尼亚（Narnia），“他们拍摄了很多，孩子们穿着骑士服装打扮，为狮子留下了空旷的空间。”然后，为了使数字狮子正确地说：“节奏和色调工作室使用放射线图校准的相机来测量场景中每个方向的照明的颜色和强度。”他补充说，“测量结果被馈入最初在物理界开发的算法中，并已被计算机图形社区改编，以模拟现场的光线弹跳方式。”
类似的方法用于创建数字双打 - 填充现场演员的虚拟特技角色。 Debevec说：“电影制片厂有时将演员带到我们的研究所，在那里我们建立了设备来衡量一个人或物体或您在[设备]中粘贴的任何东西，反映了来自各个可能的方向的光。”他说，最终的数据集可用于模拟该人的虚拟版本。 “大约有40张数字阿尔弗雷德·莫利纳（Alfred Molina）扮演Otto Octavius博士蜘蛛侠2。看起来像他，但这是一个动画角色。皮肤的反射看起来是现实的，其质地，半透明和闪耀，因为这一切都是基于对真实演员的测量。”
Debevec继续说：“我们很少模拟两个以上的间接照明弹跳，而在现实中，光线只是不断弹跳。” “没有弹跳，事情看起来太斯巴达人了，阴影太清晰了。一个弹跳填充了可能缺失的四分之三的光线，而两次弹跳通常您通常超过95％。这已经足够了。”他补充说，另一个快捷方式是将重点放在最终的光线上。 “我们试图找出您可以做出的作弊，从而为您提供看起来正确的图像。”
马希纳说：“尽可能多地作弊的传统，因为建立确切的模拟是不可能的，要么是太昂贵的。” “我们使用物理学来获得现实主义，”特洛伊斯基说。 “但是我是一个物理骗子。我将其用作基础，但我对视觉效果感兴趣。”
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编者注：这是一篇文章的编辑版本，出现在2007年11月的《今日杂志》杂志上。它已在此处重新出版。
