La technologie de l'eau derrière Avatar : La voie de l'eau
Wētā Digital – qui fait désormais partie d’ Unity – a développé de nombreux outils et solutions utilisés pour apporter au monde de Avatar: La voie de l'eau à la vie. Ici, nous examinons la technologie CGI derrière l’eau. Si vous souhaitez être parmi les premiers à accéder à certains des outils utilisés dans le film, vous pouvez vous inscrire à la version bêta Unity Wētā Tools via notre site Web.
James Cameron n’est pas un inconnu dans le travail avec l’eau. Outre le Titanic , il a réalisé en 2012 une plongée en solo record en pilotant un sous-marin jusqu'au fond de la fosse des Mariannes dans l'océan Pacifique : Le point le plus bas de la Terre à près de 11 kilomètres de profondeur. Comme il le dit dans le documentaire de 2014, Deepsea Challenge, « Ici, vous ressentez la puissance de l'imagination de la nature, qui est bien plus grande que la nôtre. »
Cela a dû être vraiment remarquable, étant donné que le monde de Pandora et ses visuels époustouflants sont finalement issus de l'imagination de Cameron lui-même.
La traduction de la vision de Cameron, qui incluait pour la suite le nouveau village récifal du clan aquatique Metkayina, a nécessité un recours important aux effets visuels, en particulier pour le décor aquatique dominant.
Les outils et solutions utilisés pour créer les effets visuels du film, y compris les effets d'eau primés , ont été développés par Wētā Digital, désormais une division d' Unity.
Pour garantir que les interactions entre les personnages et les éléments aquatiques soient aussi réalistes que possible, une équipe d'experts, dont les spécialistes des effets visuels de simulation d'eau Unity et de Wētā, Alexey Stomakhin, Steve Lesser, Joel Wretborn et Sean Flynn, ont été réunis pour former le « Water Taskforce ». L'ensemble d'outils de cette équipe en matière d'eau a récemment été récompensé par une victoire aux Visual Effects Society (VES) Awards, avec le Emerging Technology Award.
Une attention extrême aux détails a amené le groupe de travail à mener des recherches et des expérimentations approfondies en collaboration avec l'Institut national de recherche sur l'eau et l'atmosphère de Nouvelle-Zélande (NIWA) pour trouver la meilleure approche pour créer de l'eau CGI. Cela incluait la prise en compte des effets des marées, du vent et du fond marin sur les environnements aquatiques.
Avatar: La voie de l'eau effets d'eau requis pour 2 225 prises de vue, certaines nécessitant jusqu'à huit jours de simulation pour atteindre la haute résolution requise.
Il y avait également de nombreuses scènes où l’eau interagissait avec plus de 50 créatures dans un seul plan. Cela a présenté le défi de devoir réaliser des simulations précises à grande échelle, depuis de grands domaines pour des créatures plus grandes, jusqu'à une résolution submillimétrique pour un film mince sur la peau.
Comme il n’était pas possible, d’un point de vue informatique, de créer un système d’eau à représentation unique, l’ensemble d’outils a été développé avec un certain nombre de solveurs distincts pour réduire les temps de calcul au minimum.
« La machine à états d'eau de Loki était cruciale pour fournir le volume considérable de prises de vue d'eau à grande échelle dans ce film. Dans un film typique riche en effets visuels, les plans d'eau de cette complexité sont rares et nécessitent de nombreuses itérations et passes de la part d'artistes très expérimentés. En revanche, notre approche basée sur la machine à états a permis d’obtenir d’excellents résultats après un seul passage, même pour des artistes qui venaient d’entrer dans le secteur. » – Sean Flynn, responsable de la simulation, Unity x Wētā Digital
La majorité des outils hydrauliques développés par l'équipe s'intègrent dans le cadre de simulation propriétaire de Wētā, Loki. Cette technologie comprend des solveurs pour plusieurs états de l'eau, notamment les ondes d'eau procédurales, l'eau en vrac, la pulvérisation, la brume, les bulles de héros, les bulles diffuses, la mousse, les ondes de surface capillaires, le film mince et l'humidité résiduelle.
Machine d'état
Beaucoup de ces solveurs sont intégrés à la machine d’état Loki – un système de pulvérisation aéroportée. Les états de l'eau sont couplés à l'air environnant, les transitions entre les états étant gérées de manière à conserver la masse et l'impulsion.
Plutôt qu’une approche unique, la machine à états Loki permet à plusieurs solveurs de fonctionner en tandem. Chaque solveur est optimisé pour le niveau de détail requis par son état respectif, comme l'eau en vrac, la pulvérisation et le brouillard. Cela permet de maintenir l’efficacité des simulations d’eau à grande échelle tout en capturant les interactions très fines des gouttelettes requises par la pulvérisation et le brouillard.
Tous les états, y compris l’air environnant, sont réalisés en un seul passage de simulation. Comme tous les solveurs sont calculés avec des interactions physiques appropriées entre eux, c'est ce qui a contribué à créer une interaction avec l'eau aussi naturelle et réaliste tout au long du film.
Au cours du SIGGRAPH 2019, une approche pratique de modélisation de l'interaction rapprochée de l'eau avec les personnages a été présentée, en mettant l'accent sur la tension superficielle haute fidélité et les effets d'adhésion lorsque l'eau se déplace et s'égoutte de la peau. En utilisant une scène de Alita : Ange de combat (un scénario également écrit par Cameron), l’équipe a montré comment cette méthode permettait une résolution d’effets suffisamment performante – à l’échelle d’une fraction de millimètre – pour recouvrir un personnage entier d’une couche d’eau.
L’approche consistait à adapter un solveur de particules dans la cellule (FLIP/APIC) existant pour capturer la dynamique d’interaction eau-solide à petite échelle. Cette technique a ensuite été perfectionnée lors de la production de Avatar: La voie de l'eau pour gérer toute séquence impliquant des personnages émergeant de l'eau.
« Ce n’était pas une solution bon marché, car nous devions simuler la dynamique de l’eau à des échelles submillimétriques. Il fallait souvent plusieurs jours pour obtenir les résultats. « Nous devions nous assurer que notre solveur était suffisamment évolutif, robuste et fiable pour produire des visuels physiquement plausibles dès le départ, avec un minimum de réglages requis de la part des artistes. » – Alexey Stomakhin, ingénieur de recherche principal, Unity x Wētā Digital
Pour obtenir une dynamique crédible dans les scénarios sous-marins – par exemple, lorsque les personnages respirent sous l’eau Avatar: La voie de l'eau – l’approche des bulles sous-marines consistait à les simuler avec une étroite bande d’eau autour de la région d’intérêt. Les bulles elles-mêmes seraient représentées en deux parties : un héros et une contrepartie diffuse.
Le héros homologue capture des bulles plus grosses avec des comportements plus explosifs et turbulents. Il utilise une résolution Navier-Stokes biphasée incompressible sur une grille eulérienne, avec la phase d'air représentée par des particules FLIP/APIC pour faciliter la conservation du volume et le suivi précis de l'interface.
La contrepartie diffuse capture le mouvement de bulles plus petites en dessous de la résolution de la grille eulérienne. L’équipe a développé un nouveau schéma permettant de coupler des particules de bulles diffuses avec un fluide en vrac qui pourrait également être appliqué à d’autres objets immergés et poreux tels que le sable, les cheveux et le tissu.
Pour améliorer les détails visuels d'une simulation de surface d'eau, l'équipe de Wētā Digital et d'IST Austria a développé une méthode de post-traitement qui prenait une simulation en entrée et augmentait sa résolution apparente en simulant des ondes d'eau lagrangiennes détaillées par-dessus.
La théorie des ondes d'eau linéaires a été étendue pour fonctionner dans des domaines non plans avec des paquets d'ondes lagrangiennes attachés à des courbes splines qui évolueraient sur la surface du fluide en vrac. Cette méthode produit des ondulations à haute fréquence avec des comportements d'onde dispersifs, personnalisés en fonction de la simulation du fluide sous-jacent.
Une technique a été développée pour le mouvement réaliste de bulles sous-marines – créées par le mouvement de l’eau – atteignant la surface de l’eau et se transformant en mousse. C'était important pour presque toutes les scènes d'eau dans Avatar: La voie de l'eau.
Les simulateurs Navier-Stokes basés sur une grille – généralement réservés à la capture de mouvements à grande échelle tels que des fluides en vrac – sont intrinsèquement limités par leur résolution de grille, ce qui rend cette méthode impraticable pour les phénomènes à petite échelle comme les embruns et la brume des vagues déferlantes. Ces effets d’eau vive sont généralement simulés comme des particules lagrangiennes indépendantes.
« L’un des aspects clés de notre méthode en eau vive est l’interaction de deux solveurs : un solveur de fluide basé sur une grille couplé à des bulles, et un solveur SPH pour la mousse contrainte à la surface de l’eau. « Le cadre de résolution déclarative de Loki est ce qui permet de créer et de prendre en charge ces systèmes complexes en production sans avoir à développer de nouveaux solveurs à partir de zéro. » – Joel Wretborn, ingénieur de recherche senior, Unity x Wētā Digital
L'aspect clé que la plupart des solveurs existants négligent sont les effets collectifs : les groupes de bulles montent plus vite que les bulles individuelles en raison de leur flottabilité combinée, et la collection de nombreuses bulles peut avoir un impact significatif sur le mouvement de l'eau.
La nouvelle technique répond à cette limitation en simulant des bulles couplées dans les deux sens avec le fluide environnant. Cela capture efficacement les effets de bulles collectives et crée un aspect plus connecté entre les bulles et le mouvement du fluide. Lorsque les bulles atteignent la surface, elles se transforment en particules de mousse « humides » contraintes à la surface de l'eau, discrétisées par l'hydrodynamique des particules lissées (SPH). Au final, cela a créé une dynamique d'eau vive crédible, à la fois dans les gros plans et dans les grandes prises de vue de l'océan.
La technologie de simulation utilisée par le Water Taskforce a été créée par des collègues actuels et anciens de Wētā Digital, ainsi que par des amis de Wētā FX et d'institutions universitaires, notamment : Alexey Stomakhin, Joël 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 et Chris Wojtan. En savoir plus sur Unity Wētā Tools beta.