Die Wassertechnologie hinter Avatar: Der Weg des Wassers
Wētā Digital – jetzt Teil von Unity – entwickelte viele der Tools und Lösungen, mit denen die Welt der Avatar: Der Weg des Wassers zum Leben. Hier werfen wir einen Blick auf die CGI-Technologie hinter dem Wasser. Wenn Sie zu den Ersten gehören möchten, die Zugriff auf einige der im Film verwendeten Tools haben, können Sie sich über unsere Websitefür die Betaversion von Unity Wētā Tools registrieren.
Für James Cameron ist die Arbeit mit Wasser kein Neuling. Abgesehen von der Titanic unternahm er 2012 einen rekordverdächtigen Solo-Tauchgang, bei dem er ein U-Boot auf den Grund des Marianengrabens im Pazifischen Ozean steuerte: Der tiefste Punkt der Erde in fast 11 Kilometern Tiefe. In der daraus entstandenen Dokumentation „Deepsea Challenge“aus dem Jahr 2014 sagte er: „Hier unten spürt man die Kraft der Vorstellungskraft der Natur, die so viel größer ist als unsere eigene.“
Es muss wirklich bemerkenswert gewesen sein, wenn man bedenkt, dass die Welt von Pandora und ihre atemberaubenden Bilder letztlich Camerons eigener Fantasie entsprangen.
Die Umsetzung von Camerons Vision, die für die Fortsetzung das neue Riffdorf des im Wasser lebenden Metkayina-Clans beinhaltete, erforderte den umfassenden Einsatz von visuellen Effekten – insbesondere für die dominierende Wasserkulisse.
Die zur Erstellung der visuellen Effekte des Films verwendeten Tools und Lösungen – einschließlich der preisgekrönten Wassereffekte – wurden von Wētā Digital entwickelt, jetzt eine Abteilung von Unity.
Um sicherzustellen, dass die Interaktionen zwischen den Charakteren und den Wasserelementen so realistisch wie möglich sind, wurde ein Expertenteam, darunter die VFX-Spezialisten für Wassersimulationen von Unity und Wētā, Alexey Stomakhin, Steve Lesser, Joel Wretborn und Sean Flynn, zur „Water Taskforce“ zusammengestellt. Das Wasser-Toolset dieses Teams wurde kürzlich bei den Visual Effects Society (VES) Awardsmit dem Emerging Technology Award ausgezeichnet.
Mit äußerster Liebe zum Detail führte die Taskforce in Zusammenarbeit mit dem neuseeländischen National Institute of Water and Atmospheric Research (NIWA) umfangreiche Forschungs- und Experimentierarbeiten durch, um den besten Ansatz zur Herstellung von CGI-Wasser zu finden. Dabei wurde auch die Auswirkung von Gezeiten, Wind und Meeresboden auf die aquatische Umwelt berücksichtigt.
Avatar: Der Weg des Wassers erforderte Wassereffekte für 2.225 Aufnahmen, wobei einige bis zu acht Tage Simulationszeit benötigten, um die nötige hohe Auflösung zu erreichen.
Es gab auch zahlreiche Szenen, in denen Wasser in einer einzigen Einstellung mit über 50 Lebewesen interagierte. Dies stellte die Herausforderung dar, dass die Simulationen in allen Größenordnungen genau sein mussten – von großen Bereichen für größere Lebewesen bis hin zur Submillimeterauflösung für dünne Filme auf der Haut.
Da es rechnerisch nicht möglich war, ein Wassersystem mit einer einzigen Darstellung zu erstellen, wurde das Toolset mit einer Reihe unterschiedlicher Löser entwickelt, um die Rechenzeiten auf ein Minimum zu reduzieren.
„Die Loki-Wasserzustandsmaschine war von entscheidender Bedeutung für die Bereitstellung der schieren Menge an großflächigen Wasseraufnahmen in diesem Film. In einem typischen Film mit vielen visuellen Effekten sind derart komplexe Wasseraufnahmen rar gesät und erfordern zahlreiche Überarbeitungen und Durchgänge durch sehr erfahrene Künstler. Im Gegensatz dazu konnte unser State-Machine-Ansatz bereits nach einem einzigen Durchgang großartige Ergebnisse liefern, sogar bei Künstlern, die gerade erst in die Branche eingestiegen waren.“ – Sean Flynn, Simulationsleiter, Unity x Wētā Digital
Die meisten der vom Team entwickelten Wasserwerkzeuge sind in Wētās proprietärem Simulationsframework Loki integriert. Diese Technologie umfasst Löser für mehrere Wasserzustände, darunter prozedurale Wasserwellen, Wassermassen, Gischt, Nebel, Heldenblasen, diffuse Blasen, Schaum, kapillare Oberflächenwellen, dünner Film und Restnässe.
Zustandsmaschine
Viele dieser Löser sind in der Loki-Zustandsmaschine integriert – einem luftgestützten Sprühsystem. Die Zustände des Wassers sind dabei an die umgebende Luft gekoppelt, wobei die Übergänge zwischen den Zuständen unter masse- und impulserhaltender Beachtung erfolgen.
Anstelle eines Einheitsansatzes ermöglicht die Loki-Zustandsmaschine die parallele Ausführung mehrerer Solver. Jeder Löser ist für den Detaillierungsgrad optimiert, der für den jeweiligen Zustand erforderlich ist, z. B. Wassermassen, Gischt oder Nebel. Dadurch können groß angelegte Wassersimulationen effizient durchgeführt werden, während gleichzeitig die für Gischt und Nebel erforderlichen Interaktionen zwischen sehr feinen Tröpfchen erfasst werden.
Alle Zustände inklusive der umgebenden Luft werden in einem einzigen Simulationsdurchgang durchlaufen. Da alle Löser mit den entsprechenden physikalischen Wechselwirkungen zwischen ihnen berechnet werden, konnte auf diese Weise im gesamten Film eine derart natürliche und realistische Interaktion mit dem Wasser erzeugt werden.
Während der SIGGRAPH 2019 wurde ein praktischer Ansatz zur Modellierung der Interaktion von Figuren mit Wasser aus nächster Nähe vorgestellt, wobei der Schwerpunkt auf hochpräzisen Oberflächenspannungs- und Adhäsionseffekten lag, wenn Wasser über die Haut läuft und von ihr tropft. Anhand einer Szene aus Alita: Kampfengel (ein Drehbuch, das ebenfalls von Cameron stammte) zeigte das Team, wie diese Methode eine Effektauflösung ermöglichte, die – im Bereich von Bruchteilen eines Millimeters – ausreichend hoch war, um eine ganze Figur mit einer Schicht Wasser zu bedecken.
Der Ansatz bestand darin, einen vorhandenen Particle-in-Cell-Solver (FLIP/APIC) anzupassen, um die Wechselwirkungsdynamik von Wasser und Feststoffen im kleinen Maßstab zu erfassen. Diese Technik wurde dann weiterentwickelt bei der Herstellung von Avatar: Der Weg des Wassers um jede Sequenz zu handhaben, in der Figuren aus dem Wasser auftauchen.
„Das war keine billige Lösung, da wir die Wasserdynamik im Submillimeterbereich simulieren mussten. Die Berechnung der Ergebnisse würde oft Tage dauern. „Wir mussten sicherstellen, dass unser Solver skalierbar, robust und zuverlässig genug ist, um sofort physikalisch plausible Visualisierungen zu produzieren, bei denen von Seiten der Künstler nur minimale Anpassungen erforderlich sind.“ – Alexey Stomakhin, leitender Forschungsingenieur, Unity x Wētā Digital
Um eine glaubwürdige Dynamik in Unterwasserszenarien zu erreichen – zum Beispiel wenn Charaktere unter Wasser atmen in Avatar: Der Weg des Wassers – der Ansatz zur Berechnung von Unterwasserblasen bestand darin, diese zusammen mit einem schmalen Wasserband um die interessierende Region herum zu simulieren. Die Blasen selbst würden in zwei Teilen dargestellt: einem Helden und einem diffusen Gegenstück.
Das Helden-Gegenstück fängt größere Blasen mit explosiverem und turbulenterem Verhalten ein. Es verwendet eine inkompressible zweiphasige Navier-Stokes-Lösung auf einem Euler-Gitter, wobei die Luftphase durch FLIP/APIC-Partikel dargestellt wird, um die Volumenerhaltung und eine genaue Schnittstellenverfolgung zu ermöglichen.
Das diffuse Gegenstück erfasst die Bewegung kleinerer Blasen unterhalb der Auflösung des Eulerschen Gitters. Das Team hat ein neuartiges Verfahren zur Kopplung diffuser Blasenpartikel an Flüssigkeitsmassen entwickelt, das auch auf andere untergetauchte, poröse Objekte wie Sand, Haare und Stoff angewendet werden könnte.
Um die visuellen Details einer Wasseroberflächensimulation zu verbessern, entwickelte das Team von Wētā Digital und IST Austria eine Methode zur Nachbearbeitung, die eine Simulation als Eingabe verwendete und ihre scheinbare Auflösung erhöhte, indem sie darüber detaillierte lagrangesche Wasserwellen simulierte.
Die lineare Wasserwellentheorie wurde erweitert, um in nicht-planaren Bereichen mit an Spline-Kurven angehängten Lagrange-Wellenpaketen zu funktionieren, die sich über die gesamte Flüssigkeitsoberfläche entwickeln würden. Diese Methode erzeugt hochfrequente Wellen mit dispersivem Wellenverhalten, angepasst an die zugrunde liegende Flüssigkeitssimulation.
Es wurde eine Technik entwickelt, mit der Unterwasserblasen – die durch die Bewegung im Wasser entstehen – realistisch an die Wasseroberfläche gelangen und sich dort in Schaum verwandeln. Dies war wichtig für fast alle Wasserszenen in Avatar: Der Weg des Wassers.
Gitterbasierte Navier-Stokes-Simulatoren – die normalerweise für die Erfassung großräumiger Bewegungen, wie etwa von Flüssigkeitsmassen, verwendet werden – sind von Natur aus durch ihre Gitterauflösung begrenzt, was diese Methode für kleinräumige Phänomene, wie etwa Gischt und Nebel von brechenden Wellen, unpraktisch macht. Diese Wildwassereffekte werden normalerweise als unabhängige Lagrange-Partikel simuliert.
„Ein wichtiger Aspekt unserer Wildwassermethode ist die Interaktion zweier Löser: ein gitterbasierter Flüssigkeitslöser, der mit Blasen gekoppelt ist, und ein SPH-Löser für Schaum, der auf die Wasseroberfläche beschränkt ist. „Das deklarative Solver-Framework in Loki ermöglicht den Aufbau und die Unterstützung dieser komplexen Systeme in der Produktion, ohne dass neue Solver von Grund auf entwickelt werden müssen.“ – Joel Wretborn, leitender Forschungsingenieur, Unity x Wētā Digital
Der Schlüsselaspekt, den die meisten der bestehenden Löser vernachlässigen, sind die kollektiven Effekte: Blasengruppen steigen aufgrund ihres gemeinsamen Auftriebs schneller auf als einzelne Blasen, und die Ansammlung vieler Blasen kann einen erheblichen Einfluss auf die Bewegung des Wassers haben.
Die neue Technik überwindet diese Einschränkung durch die Simulation von Blasen, die in beide Richtungen mit der umgebenden Flüssigkeit gekoppelt sind. Dadurch werden kollektive Blaseneffekte effektiv erfasst und ein stärker verbundener Eindruck der Blasen und der Bewegung der Flüssigkeit erzeugt. Wenn Blasen die Oberfläche erreichen, verwandeln sie sich in „nasse“ Schaumpartikel, die auf die Wasseroberfläche beschränkt sind und mit der glatten Partikelhydrodynamik (SPH) diskretisiert werden. Dadurch entstand letztendlich eine glaubwürdige Wildwasserdynamik sowohl in Nahaufnahmen als auch in großen Meeresaufnahmen.
Die von der Water Taskforce verwendete Simulationstechnologie wurde von gegenwärtigen und ehemaligen Kollegen von Wētā Digital sowie Freunden von Wētā FX und akademischen Institutionen entwickelt, darunter: Alexey Stomakhin, Joel Wretborn, Kevin Blom, Gilles Daviet, Steve Lesser, John Edholm, Noh-Hoon Lee, Eston Schweickart, Xiao Zhai, Sean Flynn, Andrew Moffat, Gary Boyle, Tomas Skrivan, Andreas Soderstron, John Johansson, Christoph Sprenger, Ken Museth und Chris Wojtan. Erfahren Sie mehr über die Betaversion von Unity Wētā Tools.