Je leest:

Natuurwetten vangen op het witte doek

Natuurwetten vangen op het witte doek

De valkuilen van vloeistof, vuur en vacht

Auteur: | 18 juni 2014

Vrijwel iedere in Hollywood geproduceerde film maakt gebruik van computergegenereerde beelden. Hoewel explosies, tsunami’s en rookpluimen van het witte doek af spatten lopen filmmakers continu tegen de grenzen van hun computers aan. Waarom water, vuur en vacht in de digitale studio’s nog steeds voor hoofdbrekens zorgen.

Tim Smit sloeg nadat hij in 2009 afstudeerde als natuurwetenschapper aan de Radboud Universiteit Nijmegen een hele andere weg in. Hij belandde niet in het laboratorium maar specialiseerde zich in het maken van visual effects voor films. Inmiddels werkte hij aan verschillende buitenlandse filmproducties, waarin hij digitaal gebouwen opblies, treinen liet branden en vliegtuigen neerhaalde.

De makers van de film Pacific Rif (2013) geven een kijkje achter de digitale schermen.

Hoewel de gebeurtenissen zich op het witte doek razendsnel voltrekken is het werk dat hiertoe leidt alles behalve snel. Monnikenwerk is misschien nog wel de beste term die de bezigheden van een visual effects artist beschrijft. Dagenlang sleutelen aan de instellingen die ervoor zorgen dat de effecten zo waarheidsgetrouw mogelijk zijn. En dan hebben we het nog niet eens over de tijd die de computer erover doet om alles vervolgens te berekenen. Kennislink vraagt Smit naar zijn werk en wat daar met alle computerkracht van tegenwoordig nog steeds zo lastig aan is.

Je maakt digitaal veel dingen kapot. Hoe ga je te werk?

“Een ruwe animatie is de eerste stap. Neem bijvoorbeeld een explosie. Ik begin met het animeren van rondvliegen stukken puin, of het verbuigen van stukken metaal. Belangrijk is dat de ‘rigide’ onderdelen eerst komen, die vast komen te liggen in de animatie. Pas daarna ga ik me bezig houden met het vuur en de rook, de dynamische onderdelen.”

Een echte explosie, met het boorplatform als ‘vast object’ en dynamische onderdelen zoals rook en vuur.

“Met die dynamische onderdelen is het eigenlijk een kwestie van uitproberen en zien wat het beste resultaat oplevert. In het geval van vuur laat het computermodel je bepaalde plekken aanwijzen waar als het ware ‘digitale brandstof’ vandaan komt, daar kun je mee spelen. Is de denkbeeldige temperatuur op die plek vervolgens hoog genoeg dan zal die brandstof ontbranden. Deze relatief simpele regels leiden uiteindelijk tot een digitale vuurzee, alhoewel de simulatie met nog veel meer dingen rekening houdt. Denk bijvoorbeeld aan luchtstromingen.”

Dus niet alles is even moeilijk of makkelijk te simuleren?

“Nee, vaste onderdelen zijn relatief makkelijk. Daar komt meestal niet zo heel veel ‘natuurkunde’ bij kijken. Doorgaans geldt: hoe meer natuurwetten er betrokken zijn, des te moeilijker wordt de simulatie. Het wordt daarom lastiger op het moment dat objecten versplinteren of uit elkaar vallen in heel veel kleinere stukken. Dat vraagt meer rekenkracht.”

De complexe interacties in rook.
THOR

“Fenomenen als vuur, rook, water en vacht zijn vaak lastig te simuleren. Het probleem is eigenlijk dat ze afhankelijk zijn complexe differentiaalvergelijkingen en veel variabelen. Het is niet meer zo simpel als het oplossen van een bewegingsvergelijking van Newton. Of ja, eigenlijk wel, maar dan voor voor miljarden verschillende punten in je simulatie. Punten die bovendien weer afhankelijk van elkaar zijn. Dat maakt het complex.”

Hoe krijgt een computer zo’n simulatie toch voor elkaar?

“De computer werkt met zogenoemde ‘voxels’. Dat zijn eigenlijk driedimensionale pixels in de ruimte. Elk van die voxels krijgt een aparte set variabelen, denk aan snelheid van de luchtstroom en de richting ervan. Op basis van deze variabelen wordt voor elk moment in de animatie uitgerekend hoe de voxel eruit moet zien.”

“Ik werk vaak met kubussen van 1.000 × 1.000 × 1.000 voxels. Dat zijn dus 1.000.000.000 verschillende punten om uit te rekenen, voor elk frame opnieuw. Dat is toonbaar in een film, maar toch moet je al oppassen dat je met de ‘camera’ niet te dichtbij komt. Het gaat al snel opvallen dat het een simulatie is.”

Je zegt dat vacht moeilijk te simuleren is, waarom?

“Het is weer de grootte van de berekening die voor problemen zorgt. Elk haartje in een vacht krijgt in een simulatie een paar variabelen. Denk bijvoorbeeld aan lengte, dikte, snelheid en buiging. Maar een vacht bestaat uit miljoenen haartjes. Daardoor wordt de simulatie enorm groot. Eigenlijk heb je al snel veel te veel variabelen om mee te werken. Toch is dat vaak nog niet genoeg om volledig realisme te krijgen.”

‘Sully’ uit de animatiefilm ‘Monsters Inc.’ (2001) heeft een vacht met 2.320.413 digitale haren.
Walt Disney Pictures

“Als je kijkt naar de animatiefilm ‘Monsters Inc.’, dan weet ik zeker dat er daar een paar mensen in dienst zijn geweest die zich alleen maar met de vacht van Sully hebben bezig gehouden, zo complex is die simulatie.”

Hoe lang is een computer met dit soort berekeningen bezig?

“Ik heb wel eens twee dagen gewacht op een simulatie, de explosie van een trein. Maar dat zijn als het ware alleen de bewegingen in de animatie. Daarna moeten de kleuren van het object nog berekend worden. Vooral bij rook en vuur duurt dat ook lang, vanwege complexe lichtval. De computer is daar ook wel een dag zoet mee.”

Veel computers kunnen de rekentijd drastisch terugdringen.
SARA

“Grote filmstudio’s werken met zogenoemde renderfarms. Dat zijn duizenden dezelfde computers die alleen maar rekenen aan simulaties. Daar worden echt renderjaren gemaakt. Die worden door het grote aantal computers natuurlijk wel teruggebracht tot dagen of weken.”

Wat zijn de valkuilen in het vak?

“Veel programmeurs maken de fout dat ze te groot willen gaan met een systeem dat gemaakt is voor kleine dingen. Maar je moet altijd in de gaten houden dat het niet te veel wordt voor de computer. Het gebeurt vaak dat simulaties crashen omdat ze simpelweg te groot worden, dat maak ik ook vaak mee.”

“Het grappige is dat de schaal belangrijk is voor je simulatie. Laat je een muur instorten, dan kun je daarin elke baksteen apart laten breken. Trek je deze simulatie door naar het instorten van een heel gebouw dan heb je grote kans dat je systeem crasht op het moment dat je elke baksteen simuleert. Wat je dan doet is hele stukken muur als een enkel object beschouwen. Om het realistisch te maken geef je het de de textuur van een bakstenen wand.”

Heb je in je werk nog veel aan je wetenschappelijke achtergrond?

“Ja, het helpt als je weet hoe de natuur werkt. En je snapt hoe de onderliggende wiskunde, denk aan vectorvelden en differentiaalvergelijkingen, in elkaar steekt. Dat leidt uiteindelijk tot realistischere simulaties. Maar ook het vermogen om problemen op te lossen is iets wat veel voorkomt in zowel de wetenschap als mijn werk. Een simulatie is toch een kwestie van proberen, soms wel twintig keer. Dat is ook hoe wetenschap werkt, en daar wordt je op voorbereid in zo’n studie.”

De bewegingen van het volledig computergegenereerde karakter Gollum uit de film ‘Lord of the Rings’ (2001) werden eerst ‘ingespeeld’ door een acteur en later naar het model vertaald.
New Line Cinema

Komt er een tijd dat er alleen nog maar computerbeelden in films zitten?

“De vraag is wanneer je de computer gebruikt. Dat is eigenlijk een kostenafweging, soms is het bouwen van een set gewoon duurder en dan gebruik je animaties. Voor het acteerwerk zelf is het weer anders. Het blijkt heel lastig om mensen realistisch na te bootsen. Daar komen veel subtiele dingen bij kijken. Zowel het uiterlijk zoals huidporiën en haren, als het gedrag. Tegenwoordig werkt men dan ook veel met technieken waarbij bewegingen van echte mensen worden vertaald naar de bewegingen van een digitaal karakter.”

“Ik denk dat computer graphics inmiddels onmisbaar geworden zijn in Hollywood. Maar je kunt zeker niet zeggen dat het alles overneemt. Vergelijk het met de introductie van de synthesizer in de muziekwereld. Die heeft ook niet alles overgenomen, maar je kunt eigenlijk ook niet meer terug naar het oude.”

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 18 juni 2014

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.