Одна из ключевых технологий, которая делает 3D-графику правдоподобной — это симуляция физики. Благодаря ей можно воссоздавать на экране реалистичные движения объектов и частиц с помощью законов физики. Это избавляет художников от необходимости вручную настраивать каждый эффект. Алгоритмы автоматически управляют поведением объектов, будь то развевающийся на ветру флаг или сложные симуляции жидкости и разрушений.

Эти эффекты достигаются благодаря передовым технологиям, которые используют физические движки и плагины интегрированные в софт для 3D-анимации.
В этом материале рассмотрим, как физическая симуляция используется в 3D-графике, а также какими инструментами и технологиями пользуются специалисты для создания реалистичных эффектов.

Но сначала кратко пробежимся по истории развития этой технологии.

Физическая симуляция в кино

У физической симуляции в фильмах долгая история развития. Проследим эволюцию на примере фильмов Джеймса Кэмерона. В фантастической ленте «Бездна» (1989) в одной из сцен использовали технологию симуляции воды для создания «водяного щупальца».

«Бездна» (1989)

Сцена, хоть и длилась всего минуту, стала важной вехой в развитии CGI. Успех этого эксперимента помог Кэмерону позже создать образ робота из жидкого металла T-1000 в фильме «Терминатор 2: Судный день» (1991).

«Терминатор 2: Судный день» (1991)

Ещё одним примером использования симуляции стала работа Кэмерона над фильмом «Титаник» (1997). В сценах крушения корабля активно использовалась компьютерная графика.

Другой пример — «Бойцовский клуб» (1999) Дэвида Финчера. Симуляцию использовали для создания эффекта выстрела и брызг крови, что добавило сцене реалистичности. Сочетание симуляции и фотограмметрии (3D-сканирования) позволили сделать прекрасный CGI-кадр, показанный крупным планом.

Примеры выше демонстрируют важные этапы развития CGI в кино. Новаторские технологии, использованные в этих фильмах, открыли новые возможности для создания реалистичных визуальных эффектов. Они также установили новые стандарты для индустрии.

Симуляция и физика в играх

В играх физика не менее важна. Например, выход Half-Life 2 в 2004 году и игровой движок Source стали настоящим прорывом для игровой индустрии. По сути, именно игра Гейба Ньюэлла популяризировала физические движки Havok, PhysX от Nvidia и RAGE от Rockstar.

Разработчики видеоигр всегда стремятся к балансу между оптимизацией, графикой и физикой, которая существенно влияет на впечатления от игрового процесса. Одним из ярких примеров последних достижений в игровой физике стал трейлер GTA 6, где было уделено огромное внимание мелочам, включая впечатляющую симуляцию волос.

В трейлере нам показали, как волосы персонажей реагируют на ветер, движения и соприкосновения с телом. Это кажется естественным, но раньше такое трудно было себе представить даже на очень мощном железе.

Инструменты для создания симуляций

Для симуляции реалистичной физики в 3D-графике требуется целый арсенал инструментов. Рассмотрим самые популярные.

Houdini

Универсальная программа для создания 3D-графики, анимации, визуальных эффектов (VFX) и симуляций.\

В играх и кино Houdini используется для создания сложных физических процессов. Например, для симуляции частиц, воды и разрушений.

Кадры из трейлера к игре Skull and Bones, созданного студией Goodbye Kansas для Ubisoft

Houdini Tutorial | Advanced Tsunami Simulation | CGI & VFX Breakdown — процесс создания сцены с использованием Houdini.

В основе Houdini лежит процедурный подход, где вся работа строится на основе нод. Ноды — основные компоненты процедурного подхода к созданию объектов, анимаций или эффектов. Они представляют собой блоки, каждый из которых выполняет определённую операцию. Например, создание объекта, изменение его формы, наложение текстуры или применение разных параметров. Ноды связываются между собой в сети. Результат работы одной ноды передаётся следующей. Так формируется последовательность действий, которая приводит к конечному результату.

Этот метод обеспечивает высокую гибкость и вариативность. Вместо того чтобы заново создавать объект или анимацию вручную, достаточно просто изменить определённые параметры в ноде. Вносить изменения в проект можно практически на любом этапе разработки. Метод особенно эффективен для создания масштабных визуальных эффектов и симуляций.

Основные возможности Houdini:

Генерация ландшафта. С помощью сетей нодов создаются сложные структуры. Например, ландшафты и городские кварталы.

Пример финального рендера

Риггинг и анимация. Houdini помогает частично автоматизировать настройку рига. Для симуляции одежды, волос и шерсти применяется система Vellum. KineFX позволяет ретаргетировать и редактировать анимации на процедурной основе.

Симуляция волос и шерсти. Система Curve Advect помогает точно настраивать направление волосяного покрова. Для более сложных симуляций используется всё та же система Vellum.

Реалистичные эффекты. Houdini позволяет создавать реалистичные симуляции взрывов, огня, воды и разрушений. Если нужно что-то эффектно взорвать или сжечь в кадре — этот инструмент подойдёт как никакой другой.

Несмотря на преимущества, Houdini — это программа, освоить которую быстро не выйдет. Работа с нодами будет слишком сложна для новичков, особенно тех, кто ранее не сталкивался с подобным методом.

Для работы с симуляциями и сложными проектами Houdini нужно производительное компьютерное оборудование: мощный процессор с большим количеством ядер, а также видеокарта с высокой вычислительной мощностью и большим объёмом видеопамяти.

Autodesk Maya: Bifrost и XGen

В Maya встроены мощные плагины и инструменты для создания симуляций:

Bifrost. Предназначен для визуализации жидкостей, газов, твердых тел и тканей с высокой степенью детализации. Используется для сложных симуляций воды, дыма и разрушений. Этот инструмент способен обрабатывать сцены с огромным количеством элементов.

Maya и плагин Bifrost художники использовали для создания эффектов и симуляций в огромном количестве популярных сериалов. Например, в космических операх «Звёздный путь: Дискавери», «Звёздный путь: Пикар», «Орвилл» и многих других.

«Звёздный путь: Дискавери»

«Звёздный путь: Пикар»

«Орвилл»

XGen. Инструмент для создания и управления волосами, шерстью, перьями и другими процедурными системами, основанными на частицах.

XGen позволяет художникам моделировать детализированные волосы или шерсть с точным контролем всех параметров. С его помощью можно создавать естественное поведение прядей волос под влиянием ветра, гравитации и их взаимодействия с другими объектами.

Alan Wake II

Marvelous Designer: симуляция ткани

В отличие от Maya и Houdini, Marvelous Designer заточен именно на моделирование динамики тканей. Это делает его идеальным инструментом для создания одежды, костюмов и других текстильных элементов в анимации, играх и кинопроизводстве.

Автор: Панкаж Кхолия

В Marvelous Designer дизайнеры создают одежду, имитируя реальные процессы пошива. Программа использует двухмерные выкройки, которые затем собираются в трёхмерные объекты. Процесс создания одежды интуитивно понятен тем, кто знаком с реальными методами кройки и шитья.

Автор: Ольга Колиада

Одна из ключевых функций программы — возможность видеть результаты симуляции в реальном времени. Дизайнер может на ходу вносить изменения в выкройки и наблюдать за поведением ткани в процессе.

Интерфейс программы. Автор: Евгения Петрова

После создания одежды в Marvelous Designer, её можно экспортировать в другой 3D-пакет для дальнейшего риггинга и анимации.

Одежда персонажа Black Myth: Wukong создана с помощью Marvelous Designer

Простота использования и мощные инструменты физической симуляции делают Marvelous Designer незаменимым для дизайнеров одежды и 3D-художников.

Blender: бесплатный мультитул

Blender предлагает широкий набор инструментов для создания высококачественных симуляций, которые могут конкурировать с решениями от крупных игроков Maya и Houdini. В основе симуляционных возможностей Blender лежат инструменты для работы с жидкостями, твердыми телами, тканями и другими элементами, которые позволяют воспроизводить физические явления с максимальной точностью.

Автор: FxForge

Для симуляции жидкостей и дыма используется система Mantaflow. Однако стоит отметить, что с 2021 года разработка Mantaflow не получила значительных обновлений, а в настоящее время не ведётся активной работы по исправлению существующих ошибок. Несмотря на это, Mantaflow продолжает использоваться для симуляций в Blender и остаётся важной частью программы.

Для симуляции жидкостей в Blender доступны также альтернативные плагины и дополнения. Например, FLIP Fluids, который предлагает расширенные возможности и стабильность по сравнению с Mantaflow. Инструмент часто используется для создания реалистичных жидкостей и взаимодействий с объектами в 3D-сцене.

Blender включает систему симуляции частиц для создания эффектов снега, дождя, пыли и других мелких объектов. С её помощью также можно создавать волосы, шерсть и мех.

Автор: Томас Пект

Для симуляции твёрдых тел и тканей Blender предлагает решения Rigid Body для физики твёрдых объектов и Cloth Simulation — для моделирования тканей.

Автор: Мария Аникина

В материале представлены далеко не все существующие инструменты, а лишь самые популярные. Каждый имеет свои уникальные преимущества и сферы применения, обеспечивая разнообразие возможностей. Интеграция физических симуляций позволяет достичь высокого уровня реализма, которого зрители и игроки ждут от современных фильмов и видеоигр.

Работа с симуляциями в 3D-графике — очень ресурсоёмкий процесс, который требует мощного оборудования для сложных математических расчётов. На сайте DigitalRazor можно выбрать производительную рабочую станцию илиGPU-сервер для работы с самыми сложными симуляциями и 3D-сценами.