La tecnología del agua detrás de Avatar: El camino del agua
Wētā Digital, ahora parte de Unity , desarrolló muchas de las herramientas y soluciones utilizadas para acercar el mundo de Avatar: El camino del agua A la vida. Aquí echamos un vistazo a la tecnología CGI detrás del agua. Si estás interesado en ser uno de los primeros en acceder a algunas de las herramientas utilizadas en la película, puedes registrarte para la versión beta de Unity Wētā Tools a través de nuestro sitio web.
James Cameron no es ajeno al trabajo con agua. Dejando a un lado el Titanic , en 2012 realizó una inmersión en solitario que batió récords, pilotando un submarino hasta el fondo de la Fosa de las Marianas en el Océano Pacífico: El punto más bajo de la Tierra a casi 11 kilómetros de profundidad. Como dijo en el documental de 2014, Deepsea Challenge, “Aquí abajo se siente el poder de la imaginación de la naturaleza, que es mucho mayor que la nuestra”.
Debe haber sido realmente notable, entonces, ya que el mundo de Pandora y sus impresionantes imágenes surgieron en última instancia de la propia imaginación de Cameron.
La traducción de la visión de Cameron, que para la secuela incluía la nueva aldea arrecifal del clan acuático Metkayina, requirió un uso extensivo de efectos visuales, especialmente para el entorno acuático dominante.
Las herramientas y soluciones utilizadas para crear los efectos visuales de la película, incluidos los premiados efectos de agua , fueron desarrolladas por Wētā Digital, ahora una división de Unity.
Para garantizar que las interacciones entre los personajes y los elementos del agua fueran lo más realistas posible, un equipo de expertos, incluidos los especialistas en efectos visuales de simulación de agua de Unity y Wētā, Alexey Stomakhin, Steve Lesser, Joel Wretborn y Sean Flynn, se reunieron para formar el "Water Taskforce". El conjunto de herramientas de agua de este equipo fue reconocido recientemente con un premio en los Visual Effects Society (VES) Awards, con el Premio a la Tecnología Emergente.
La extrema atención a los detalles llevó al grupo de trabajo a realizar una amplia investigación y experimentación en colaboración con el Instituto Nacional del Agua y la Investigación Atmosférica de Nueva Zelanda (NIWA) para encontrar el mejor enfoque para crear agua CGI. Esto incluyó tener en cuenta los efectos de las mareas, el viento y el fondo marino en los entornos acuáticos.
Avatar: El camino del agua Se requirieron efectos de agua para 2.225 tomas, algunas de las cuales tardaron hasta ocho días de simulación para lograr la alta resolución necesaria.
También hubo numerosas escenas en las que el agua interactuó con más de 50 criaturas en una sola toma. Esto planteó el desafío de necesitar simulaciones precisas a escala, desde grandes dominios para criaturas más grandes hasta una resolución submilimétrica para una película delgada sobre la piel.
Como no era computacionalmente factible crear un sistema de agua con una única representación, el conjunto de herramientas se desarrolló con varios solucionadores distintos para mantener los tiempos de cálculo al mínimo.
“La máquina de estado de agua de Loki fue crucial para ofrecer la gran cantidad de tomas de agua a gran escala en esta película. En una película típica con muchos efectos visuales, las tomas de agua de esta complejidad son pocas y distantes entre sí, y requieren muchas iteraciones y pases de artistas muy experimentados. Por el contrario, nuestro enfoque de máquina de estados pudo ofrecer excelentes resultados después de una sola pasada, incluso por parte de artistas que recién ingresaban a la industria”. – Sean Flynn, líder de simulación, Unity x Wētā Digital
La mayoría de las herramientas de agua desarrolladas por el equipo se encuentran dentro del marco de simulación patentado de Wētā, Loki. Esta pieza de tecnología incluye solucionadores para múltiples estados del agua, incluidas ondas de agua procesales, agua a granel, rocío, niebla, burbujas heroicas, burbujas difusas, espuma, ondas superficiales capilares, película delgada y humedad residual.
Máquina de estados
Muchos de estos solucionadores se encuentran dentro de la máquina de estados de Loki: un sistema de pulverización aérea. Los estados del agua están acoplados con el aire circundante, y las transiciones entre estados se manejan de manera que se conserve la masa y el momento.
En lugar de un enfoque único para todos, la máquina de estados Loki permite que varios solucionadores se ejecuten en conjunto. Cada solucionador está optimizado para el nivel de detalle requerido por su respectivo estado, como agua a granel, rocío y niebla. Esto ayuda a mantener la eficiencia de las simulaciones de agua a gran escala y al mismo tiempo capturar las interacciones de gotas muy finas que requieren la pulverización y la niebla.
Todos los estados, incluido el aire circundante, se completan en una sola pasada de simulación. Como todos los solucionadores se calculan con interacciones físicas adecuadas entre ellos, esto es lo que ayudó a crear una interacción de agua tan natural y realista a lo largo de la película.
Durante SIGGRAPH 2019, se presentó un enfoque práctico para modelar la interacción del agua en primer plano con los personajes, con un enfoque en la tensión superficial de alta fidelidad y los efectos de adhesión a medida que el agua se mueve y gotea sobre la piel. Usando una escena de Alita: Ángel de batalla (un guión también escrito por Cameron), el equipo demostró cómo este método permitía una resolución de efectos lo suficientemente eficiente –en la escala de una fracción de milímetro– como para cubrir un personaje entero con una capa de agua.
El enfoque fue adaptar un solucionador de partículas en celdas (FLIP/APIC) existente para capturar la dinámica de interacción agua-sólido a pequeña escala. Esta técnica se perfeccionó luego durante la producción de Avatar: El camino del agua para manejar cualquier secuencia que involucrara personajes emergiendo del agua.
“No fue una solución barata, ya que teníamos que simular la dinámica del agua a escalas submilimétricas. A menudo los resultados tardaban días en calcularse. “Teníamos que asegurarnos de que nuestro solucionador fuera escalable, robusto y lo suficientemente confiable para producir imágenes físicamente plausibles desde el primer momento, con un ajuste mínimo requerido por los artistas”. – Alexey Stomakhin, ingeniero de investigación principal, Unity x Wētā Digital
Para lograr una dinámica creíble en escenarios submarinos, por ejemplo, cuando los personajes respiran bajo el agua en Avatar: El camino del agua – El enfoque de las burbujas submarinas fue simularlas junto con una estrecha banda de agua alrededor de la región de interés. Las burbujas en sí estarían representadas en dos partes: un héroe y una contraparte difusa.
La contraparte del héroe captura burbujas más grandes con comportamientos más explosivos y turbulentos. Utiliza una solución de Navier-Stokes de dos fases incompresible en una cuadrícula euleriana, con la fase de aire representada por partículas FLIP/APIC para facilitar la conservación del volumen y el seguimiento preciso de la interfaz.
La contraparte difusa captura el movimiento de burbujas más pequeñas por debajo de la resolución de la cuadrícula euleriana. El equipo ha desarrollado un nuevo esquema para acoplar partículas de burbujas difusas con fluido a granel que también podría aplicarse a otros objetos porosos sumergidos, como arena, cabello y tela.
Para mejorar el detalle visual de una simulación de la superficie del agua, el equipo de Wētā Digital e IST Austria desarrolló un método de posprocesamiento que tomó una simulación como entrada y aumentó su resolución aparente al simular ondas de agua lagrangianas detalladas sobre ella.
La teoría de ondas de agua lineales se extendió para trabajar en dominios no planos con paquetes de ondas lagrangianas unidos a curvas spline que evolucionarían sobre la superficie del fluido en masa. Este método produce ondulaciones de alta frecuencia con comportamientos de ondas dispersivas en vivo, personalizados para la simulación del fluido subyacente.
Se desarrolló una técnica para el movimiento realista de burbujas submarinas, creadas por el movimiento en el agua, que llegan a la superficie del agua y se convierten en espuma. Esto fue importante para casi todas las escenas de agua en Avatar: El camino del agua.
Los simuladores de Navier-Stokes basados en cuadrículas (generalmente reservados para capturar movimientos a gran escala, como fluidos a gran escala) están inherentemente limitados por su resolución de cuadrícula, lo que hace que este método sea poco práctico para fenómenos de pequeña escala, como el rocío y la niebla de las olas rompientes. Estos efectos de aguas bravas suelen simularse como partículas lagrangianas independientes.
“Un aspecto clave de nuestro método de aguas bravas es la interacción de dos solucionadores: un solucionador de fluido basado en cuadrícula acoplado con burbujas y un solucionador SPH para espuma restringida a la superficie del agua. “El marco de trabajo del solucionador declarativo en Loki es lo que hace posible la construcción y el soporte de estos sistemas complejos en producción sin tener que desarrollar nuevos solucionadores desde cero”. – Joel Wretborn, ingeniero de investigación sénior, Unity x Wētā Digital
El aspecto clave que la mayoría de los solucionadores existentes descuidan son los efectos colectivos: los grupos de burbujas se elevan más rápido que las burbujas individuales debido a su flotabilidad combinada, y la acumulación de muchas burbujas puede tener un impacto significativo en el movimiento del agua.
La nueva técnica aborda esta limitación simulando burbujas acopladas bidireccionalmente con el fluido circundante. Esto captura eficazmente los efectos de burbujas colectivas y crea una apariencia más conectada entre las burbujas y el movimiento del fluido. A medida que las burbujas alcanzan la superficie, se transforman en partículas de espuma "húmedas" restringidas a la superficie del agua, discretizadas con hidrodinámica de partículas suavizadas (SPH). Al final, esto creó una dinámica de aguas bravas creíble tanto en primeros planos como en tomas grandes del océano.
La tecnología de simulación utilizada por el Water Taskforce fue creada por colegas actuales y anteriores de Wētā Digital, así como por amigos de Wētā FX e instituciones académicas, entre ellas: Español 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 y Chris Wojtan. Obtenga más información sobre la versión beta de Unity Wētā Tools.