Une nouvelle théorie basée sur la physique de la formation des nuages ​​et de la diffusion des neutrons pourrait aider les animateurs à créer des films plus réalistes, selon une étude menée par Dartmouth. Le logiciel développé à l'aide de cette technique se concentre sur la façon dont la lumière interagit avec les particules microscopiques pour développer des images générées par ordinateur.

Des chercheurs de Pixar, Recherche Disney, L'ETH Zurich et l'Université Cornell ont contribué à l'étude. Un document de recherche détaillant l'avancement sera publié dans la revue Transactions on Graphics et présenté à SIGGRAPH Asia, du 4 au 7 décembre à Tokyo, Japon.

Des objets comme les nuages ​​contiennent des milliards de gouttelettes d'eau individuelles qu'il n'est pas pratique de tracer en infographie pour des scènes de film. Par conséquent, les techniques actuelles permettent uniquement aux artistes de spécifier la densité de particules dans chaque partie d'un nuage pour définir sa forme et son apparence. Les systèmes existants ne permettent aucun contrôle sur la façon dont les particules sont réellement disposées les unes par rapport aux autres.

"En ne contrôlant que la densité, les techniques actuelles supposent fondamentalement que les particules sont disposées de manière aléatoire, sans aucune interdépendance, " a déclaré Wojciech Jarosz, un professeur adjoint d'informatique au Dartmouth College qui a supervisé la recherche. "Mais cette limitation peut avoir un effet dramatique sur l'apparence finale."

En réalité, les particules ne sont pas toujours disposées au hasard. Ils peuvent s'agglutiner ou s'écarter uniformément, selon le type de matériau. Comprendre comment les particules sont arrangées et comment la lumière interagit avec elles offre une variété de nouvelles options artistiques pour les cinéastes.

"Il y a toute une gamme d'apparences radicalement différentes que les artistes ne pouvaient tout simplement pas explorer jusqu'à présent, " dit Jarosz. " Auparavant, les artistes avaient essentiellement un contrôle qui pouvait affecter l'apparence d'un nuage. Il est désormais possible d'explorer une palette de possibilités beaucoup plus riche, un changement aussi dynamique que le passage des images en noir et blanc à la couleur."

Dans l'étude de Dartmouth, les chercheurs ont comparé la façon dont un faisceau de lumière traverse un matériau composé de particules disposées de manière aléatoire avec la façon dont il traverse un matériau composé de particules plus naturellement ordonnées. L'équipe a fait la moyenne des résultats de millions d'essais démontrant la distance parcourue par les photons avant de heurter des particules ou d'autres objets.

Ordinairement, un graphique modélisant la façon dont les photons se déplacent à travers un matériau avec des particules disposées indépendamment apparaît comme un pair, courbe « exponentielle » indiquant que la lumière tombe uniformément au fur et à mesure qu'elle se déplace. Lorsque les particules s'agglutinent, comme dans un nuage, les photons survivent en moyenne sur de plus longues distances, résultant en une courbe avec une queue plus longue.

Non seulement le résultat est passionnant dans les modèles mathématiques, l'équipe a programmé la découverte dans un logiciel qui permettra aux artistes de créer une plus grande variété de looks en personnalisant la façon dont la lumière se déplace à travers des "matériaux volumétriques" comme les nuages, brouillard, brume, une statue de marbre, ou notre propre peau.

Surtout, le résultat créatif sera également une représentation plus précise de la physique du monde réel. La percée permet aux artistes de maintenir un résultat réaliste tout en répondant à la direction créative en « pilotant » efficacement la physique pour obtenir des effets artistiques particuliers.

"Il y a une interaction intéressante entre l'art et la science lorsque vous créez des films d'animation, " dit Benedikt Bitterli, un doctorat étudiant à Dartmouth qui a co-écrit le document de recherche. "Vous faites cette simulation physique, mais les gens qui l'utilisent ne sont pas des physiciens. Nous créons des logiciels et des simulations à l'usage des artistes."

Pour aborder le problème de comprendre comment les particules s'organisent, l'équipe de recherche s'est tournée vers les sciences de l'atmosphère et le transport des neutrons. Dans ces domaines de recherche, connaître la disposition des gouttelettes d'eau ou du matériau du réacteur a des implications importantes pour l'étude du changement climatique et la sécurité des réacteurs nucléaires.

Alors que les chercheurs cherchent depuis un certain temps à surmonter le défi de l'arrangement des particules, aucun ensemble d'équations n'avait encore été développé qui résolve le problème d'une manière générale.

"Il ne s'agissait pas simplement de prendre des techniques d'autres domaines de recherche et de les utiliser pour générer de jolies images avec des infographies, " dit Bitterli, qui présentera le travail à SIGGRAPH Asia. "Faire fonctionner correctement les équations de la physique était un nouveau défi extraordinairement difficile."

L'équipe de recherche a également appliqué la technique à des objets solides comme des statues de marbre où une partie de la lumière se reflète sur la surface, mais certains voyagent aussi à travers la matière, conduisant à son aspect translucide. La nouvelle technique permet aux artistes de changer la façon dont la lumière interagit avec les objets mais sans changer la densité.

La recherche dirigée par Dartmouth fait suite à une étude récente de l'Université de Saragosse qui a examiné des problèmes similaires mais qui se sont concentrés uniquement sur des objets de densité uniforme. Les deux études interviennent alors que des ordinateurs plus puissants et des innovations logicielles ont incité les studios de cinéma à développer des techniques plus sophistiquées basées sur le monde physique.

Srinath Ravichandran (Dartmouth College), Steve Marschner (Université Cornell), Thomas Müller (Disney Research/ETH Zurich), Magnus Wrenninge (Pixar) et Jan Novák (Disney Research) ont tous participé à cette recherche.