A tecnologia da água por trás do Avatar: O Caminho da Água
A Wētā Digital – agora parte da Unity – desenvolveu muitas das ferramentas e soluções usadas para trazer o mundo da Avatar: O Caminho da Água para a vida. Aqui, daremos uma olhada na tecnologia CGI por trás da água. Se você estiver interessado em ser um dos primeiros a acessar algumas das ferramentas usadas no filme, você pode se registrar para o beta do Unity Wētā Tools através do nosso site.
James Cameron não é nenhum estranho ao trabalho com água. Deixando o Titanic de lado, em 2012 ele fez um mergulho solo recorde, pilotando um submarino até o fundo da Fossa das Marianas, no Oceano Pacífico: O ponto mais baixo da Terra fica a quase 11 quilômetros de profundidade. Como ele disse no documentário de 2014, Deepsea Challenge, “Aqui você sente o poder da imaginação da natureza, que é muito maior que a nossa”.
Deve ter sido realmente notável, visto que o mundo de Pandora e seus visuais impressionantes surgiram, em última análise, da imaginação do próprio Cameron.
Traduzir a visão de Cameron, que na sequência incluía a nova vila de recife do clã aquático Metkayina, exigiu uso extensivo de efeitos visuais – especialmente para o cenário aquático dominante.
As ferramentas e soluções usadas para criar os efeitos visuais do filme – incluindo os premiados efeitos de água – foram desenvolvidas pela Wētā Digital, agora uma divisão da Unity.
Para garantir que as interações entre os personagens e os elementos aquáticos fossem o mais realistas possível, uma equipe de especialistas, incluindo os especialistas em efeitos visuais de simulação aquática da Unity e da Wētā, Alexey Stomakhin, Steve Lesser, Joel Wretborn e Sean Flynn, foram reunidos para formar a “Water Taskforce”. O conjunto de ferramentas aquáticas desta equipe foi recentemente reconhecido com uma vitória no Visual Effects Society (VES) Awards, com o Emerging Technology Award.
A extrema atenção aos detalhes fez com que a força-tarefa conduzisse uma extensa pesquisa e experimentação em colaboração com o Instituto Nacional de Pesquisa Hídrica e Atmosférica da Nova Zelândia (NIWA) para encontrar a melhor abordagem para criar água CGI. Isso incluiu levar em consideração os efeitos das marés, do vento e do fundo do mar nos ambientes aquáticos.
Avatar: O Caminho da Água efeitos de água necessários para 2.225 tomadas, algumas levando até oito dias de simulação para atingir a alta resolução necessária.
Também houve inúmeras cenas em que a água interagiu com mais de 50 criaturas em uma única tomada. Isso apresentou o desafio de exigir que as simulações fossem precisas em escala, desde grandes domínios para criaturas maiores até resoluções submilimétricas para películas finas na pele.
Como não era computacionalmente viável criar um sistema de água de representação única, o conjunto de ferramentas foi desenvolvido com vários solucionadores distintos para manter os tempos de computação no mínimo.
“A máquina de estados de água de Loki foi crucial para fornecer o grande volume de cenas de água em grande escala neste filme. Em um filme típico com muitos efeitos visuais, cenas aquáticas dessa complexidade são raras e exigem muitas iterações e passagens de artistas muito experientes. Em contraste, nossa abordagem de máquina de estado foi capaz de entregar excelentes resultados após apenas uma única passagem, mesmo por artistas que tinham acabado de entrar na indústria.” – Sean Flynn, líder de simulação, Unity x Wētā Digital
A maioria das ferramentas aquáticas desenvolvidas pela equipe está dentro da estrutura de simulação proprietária da Wētā, o Loki. Esta tecnologia inclui solucionadores para vários estados de água, incluindo ondas de água procedimentais, água a granel, spray, névoa, bolhas heroicas, bolhas difusas, espuma, ondas de superfície capilares, película fina e umidade residual.
Máquina de estado
Muitos desses solucionadores ficam dentro da máquina de estados de Loki – um sistema de pulverização aerotransportado. Os estados da água são acoplados ao ar ao redor, com transições entre estados tratadas de forma a conservar a massa e o momento.
Em vez de uma abordagem única para todos, a máquina de estados Loki permite que vários solucionadores sejam executados em conjunto. Cada solucionador é otimizado para o nível de detalhe exigido pelo seu respectivo estado, como água em massa, spray e névoa. Isso ajuda a manter as simulações de água em larga escala eficientes, ao mesmo tempo em que captura as interações de gotículas muito finas necessárias para pulverização e névoa.
Todos os estados, incluindo o ar ao redor, são concluídos em uma única passagem de simulação. Como todos os solucionadores são computados com interações físicas adequadas entre eles, isso é o que ajudou a criar uma interação natural e realista com a água ao longo do filme.
Durante o SIGGRAPH 2019, foi apresentada uma abordagem prática para modelar a interação da água com personagens em close-up, com foco na tensão superficial de alta fidelidade e nos efeitos de adesão à medida que a água se move e pinga da pele. Usando uma cena de Alita: Anjo de Batalha (um roteiro também escrito por Cameron), a equipe mostrou como esse método permitiu uma resolução de efeitos que era performática o suficiente – na escala de uma fração de milímetro – para cobrir um personagem inteiro com uma camada de água.
A abordagem foi adaptar um solucionador de partículas em células (FLIP/APIC) existente para capturar a dinâmica de interação água-sólido em pequena escala. Esta técnica foi então avançada durante a produção de Avatar: O Caminho da Água para lidar com qualquer sequência que envolvesse personagens emergindo da água.
“Essa não foi uma solução barata, pois tivemos que simular a dinâmica da água em escalas submilimétricas. Os resultados geralmente levavam dias para serem calculados. Tínhamos que garantir que nosso solucionador fosse escalável, robusto e confiável o suficiente para produzir visuais fisicamente plausíveis prontos para uso, com ajustes mínimos exigidos dos artistas.” – Alexey Stomakhin, engenheiro de pesquisa principal, Unity x Wētā Digital
Para obter dinâmicas críveis em cenários subaquáticos – por exemplo, quando os personagens respiram debaixo d’água Avatar: O Caminho da Água – a abordagem para bolhas subaquáticas era simulá-las junto com uma estreita faixa de água ao redor da região de interesse. As bolhas em si seriam representadas em duas partes: um herói e uma contraparte difusa.
A contraparte do herói captura bolhas maiores com comportamentos mais explosivos e turbulentos. Ele utiliza uma solução de Navier-Stokes bifásica incompressível em uma grade Euleriana, com a fase aérea representada por partículas FLIP/APIC para facilitar a conservação de volume e o rastreamento preciso da interface.
A contraparte difusa captura o movimento de bolhas menores abaixo da resolução da grade euleriana. A equipe desenvolveu um novo esquema para acoplar partículas de bolhas difusas com fluido a granel que também pode ser aplicado a outros objetos porosos submersos, como areia, cabelo e tecido.
Para melhorar os detalhes visuais de uma simulação de superfície de água, a equipe da Wētā Digital e do IST Áustria desenvolveu um método de pós-processamento que utilizou uma simulação como entrada e aumentou sua resolução aparente simulando ondas de água lagrangianas detalhadas sobre ela.
A teoria das ondas lineares da água foi estendida para funcionar em domínios não planares com pacotes de ondas lagrangianas anexados a curvas spline que evoluiriam sobre a superfície do fluido em massa. Este método produz ondulações de alta frequência com comportamentos de onda dispersiva, personalizados para a simulação de fluido subjacente.
Foi desenvolvida uma técnica para o movimento realista de bolhas subaquáticas – criadas pelo movimento na água – atingindo a superfície da água e se convertendo em espuma. Isso foi importante para quase todas as cenas aquáticas em Avatar: O Caminho da Água.
Simuladores Navier-Stokes baseados em grade — geralmente reservados para capturar movimentos em larga escala, como fluidos a granel — são inerentemente limitados pela resolução de sua grade, tornando esse método impraticável para fenômenos de pequena escala, como pulverização e névoa de ondas quebrando. Esses efeitos de águas brancas são geralmente simulados como partículas lagrangianas independentes.
“Um aspecto fundamental do nosso método de águas bravas é a interação de dois solucionadores: um solucionador de fluidos baseado em grade acoplado a bolhas e um solucionador SPH para espuma restrita à superfície da água. A estrutura do solucionador declarativo no Loki é o que torna possível a construção e o suporte desses sistemas complexos na produção sem ter que desenvolver novos solucionadores do zero.” – Joel Wretborn, engenheiro de pesquisa sênior, Unity x Wētā Digital
O aspecto principal que a maioria dos solucionadores existentes negligencia são os efeitos coletivos: grupos de bolhas sobem mais rápido do que bolhas isoladas devido à sua flutuabilidade combinada, e a coleta de muitas bolhas pode ter um impacto significativo no movimento da água.
A nova técnica aborda essa limitação simulando bolhas acopladas bidirecionalmente ao fluido circundante. Isso captura efetivamente os efeitos coletivos das bolhas e cria uma aparência mais conectada entre as bolhas e o movimento do fluido. À medida que as bolhas atingem a superfície, elas se transformam em partículas de espuma "úmidas", restritas à superfície da água, discretizadas com hidrodinâmica de partículas suavizada (SPH). No final, isso criou uma dinâmica de corredeiras crível tanto em fotos de perto quanto em fotos grandes do oceano.
A tecnologia de simulação usada pela Water Taskforce foi criada por colegas atuais e antigos da Wētā Digital, bem como por amigos da Wētā FX e de instituições acadêmicas, incluindo: 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 e Chris Wojtan. Saiba mais sobre o Unity Wētā Tools beta.