Цифровые потоки RealFlow

Достоверная вычислительная динамика жидкостей и газов по-прежнему остается одной из наиболее трудоемких задач компьютерной графики. Признанным лидером среди работающих на этом поприще компаний является команда Next Limit, продвигающая пакет RealFlow.

В настоящее время несложно найти профессиональный пакет трехмерной анимации, способный имитировать поведение текучих сред с помощью систем частиц. Соответствующие инструменты могут быть как встроенными, так и реализованными через подключаемые модули сторонних разработчиков. Не принимая во внимание физическую точность процесса отдельных из них, следует особо выделить несколько ключевых факторов, отражающихся на выборе оптимального решения. Так, к наиболее важным относятся: корректный просчет взаимодействия моделирующих жидкость или газ частиц между собой и с другими объектами, достоверность их динамики под влиянием внешнего воздействия, скорость отображения задаваемых процессов. Кроме того, в случае с подключаемыми модулями не менее важен и перечень поддерживающих конкретную технологию анимационных редакторов.

Знакомство с относительно короткой историей развития fluid-симуляторов однозначно указало на RealFlow как на решение, наиболее полно соответствующее обозначенным выше критериям. Что и было подтверждено полнофункциональной версией продукта за номером 3.1.18.0065, любезно предоставленной в распоряжение редакции испанскими разработчиками.

Дистрибутив приложения размером чуть более 18 МВ был дополнен документацией, в деталях описывающей сферу применения и конкретные шаги на пути к достижению нужных результатов. Удачно выбранное standalone-исполнение программы подкрепляется комплектом вспомогательных модулей для обмена данными с редакторами 3ds max, Lightwave, Maya, Softimage|XSI, Cinema 4D, Houdini и ElectricImage. Забегая наперед, необходимо отметить, что экспорт/импорт данных в виде частиц или мешей осуществляется через внутренний формат SD, включающий в себя информацию о геометрии и UV-карте, деформации и анимации объектов, перемещениях виртуальной камеры.

Старт новому проекту дает загрузка полигональной сетки сцены, согласно художественному замыслу предполагающей наличие вещества в жидком или газообразном агрегатных состояниях. Исходя из требуемого поведения текучих масс производится определение типа одного или нескольких источников цифровых потоков. В распоряжении пользователя находится более дюжины эмиттеров, различающихся ориентацией собственных векторов и свойствами генерируемых частиц. К примеру, RW Splash отвечает за брызги или облака пыли от вызывающих их предметов, Object «извлекает» частицы только из определенных пользователем вершин и граней 3D-каркаса, «подопечные» эмиттера Bitmap действуют строго в пределах растровой маски и т. д. В зависимости от физических особенностей имитируемого вещества или материала (Dumb, Fluid, Gas, Elastics) источникам целесообразно указать необходимую вязкость и предел эластичности, теплопроводность и температуру окружающей среды, количество частиц на единицу объема и силы притяжения между ними.

Удачно выбранное standalone-исполнение программы подкрепляется комплектом вспомогательных модулей для обмена данными с популярными 3D-редакторами

Инструменты, ранее работавшие под вывеской отдельного приложения RealWave, с некоторых пор влились в производственные цеха RealFlow. Благодаря этому импортированные в сцену объекты могут свободно курсировать по созданной RealWave поверхности и в полном соответствии с собственными физическими свойствами «будоражить» водную гладь – оставлять характерные брызги и вызывать волны.

После размещения генераторов самое время перейти к влиянию на поведение испускаемых ими частиц. Это проще всего сделать, применив набор опций Daemons. Двадцать пять специально подготовленных вариантов распределены по нескольким подгруппам. В разделе Force/Velocity сконцентрированы эффекторы, определяющие воздействие внешних сил и изменение скорости движения частиц в течение всей симуляции. К их числу принадлежит сила гравитации, параметры поверхностного натяжения жидкостей, турбулентность, порывы ветра, ускорение Кориолиса, движение частиц по заранее определенному пути, изменение поведения жидкостей и газов при прохождении через искусственные препятствия и т. д. Варианты Daemons группы Destroyers отвечают за период активного действия частиц (время, за которое элемент исчезнет, слившись с себе подобными или растворившись в общей массе), уничтожение последних при столкновении с каким-либо объектом сцены, достижение максимальной скорости или же поведение при выходе за пределы заданного объема.

Отдельным пунктом представлена опция, контролирующая взаимодействие между системой частиц и поверхностью жидкости. Без ее включения частицы будут попросту игнорировать компонент RealWave. Работая с Daemons, следует помнить, что при наличии в сцене единственного эмиттера источник внешней силы станет подстраиваться под него автоматически, в противном случае придется внести коррективы в ручную настройку. Управляя процессом через панель Scene Tree, к любому элементу сцены можно настроить сразу несколько оригинальных «демонов».

Результат просчета жидкости RealFlow...

... и ее применение в конкретной сцене

Запуску итоговой симуляции предшествует определение взаимодействия с помещенными в рабочую сцену RealFlow объектами. Происходит это с учетом заданных ограничений на некоторые степени свободы, неминуемых столкновений частиц с объектами и других закономерностей твердотельной динамики.

Говоря о производительности третьей версии RealFlow, следует отметить значительное увеличение этого показателя (программисты Next Limit заявляют о четырехкратном росте) по сравнению с предшествующими релизами. Тем не менее, получив тщательно переработанный и оптимизированный математический блок, продукт так и не обзавелся функцией распределенных вычислений динамики частиц, что без преувеличения можно назвать существенным недостатком. Отчасти исправляет положение режим Simulation Node. Его активизация дает возможность запускать в окне командной строки на любом количестве клиентских машин обезличенную копию редактора, в результате чего под рукой всегда будет несколько просчитанных вариантов проекта. При этом отсутствие интерфейса позволяет совершать все операции в среднем на 30% быстрее.

Поскольку RealFlow – всего лишь одно из многочисленных звеньев профессионального CG-конвейера, своего механизма рендеринга продукт не имеет. До последнего времени во всех необходимых вычислениях приходилось полагаться на потенциал штатных алгоритмов анимационных пакетов, однако в конце нынешнего года специалисты Next Limit планируют выпустить визуализатор композиций Maxwell. Опирающийся на подобную RealFlow архитектуру (независимое приложение в связке со стыковочными модулями), продукт обещает взять на вооружение мощные анализаторы освещенности композиций и функции реалистичной прорисовки отражений и преломлений лучей. Абсолютно уникальная методика расчета цветовой гаммы трансформируемого из коктейля полигонов, текстур и источников света в изображение или анимацию проекта будет базироваться на определении света как электромагнитной волны с конкретным частотным спектром. Безусловно, это позволит получить более насыщенную естественными цветами картинку, нежели при использовании цветовой модели RGB.

Заявленная производителем цена коробочного варианта RealFlow 3 составляет $1200, что вполне соответствует сложности выполняемых приложением задач. На сайте www.realflow.com размещена не только демонстрационная версия редактора, но и иллюстрации плодов деятельности довольно мощного инструментария. Чего только стоят завораживающие своей достоверностью фрагменты кинотрилогии «Властелин Колец» или мультфильма «Суперсемейка». В следующем году на широкие экраны выйдут еще несколько блокбастеров с четко угадываемым почерком RealFlow, однако информация о них пока что недоступна в связи с действием соответствующих конфиденциальных соглашений между разработчиками и продюсерами.

«Будущее за конвергенцией компьютерной графики и науки»

Виктор Гонзалес,
президент компании Next Limit

Я и мой компаньон Игнасио Варгас организовали компанию Next Limit около восьми лет назад. Будучи молодыми инженерами и работая в связанных с нынешней деятельностью областях (аэронавтика и судостроение), мы были причастны к моделированию поведения жидкостей и газов, а также их воздействию на чужеродные предметы. К тому же в число наших первостепенных увлечений входила компьютерная графика, что и подтолкнуло к совмещению приятного с полезным.

Как вы можете заметить, RealFlow – симулятор, построенный на базе частиц. Его основой служат реальные математические уравнения поведения жидких и газообразных сред, оптимизированные под потребности мира компьютерной графики. Дабы облегчить процесс симуляции и сократить время на вычисления, мы постоянно дорабатываем внутренние алгоритмы программы, что позволяет добиваться наиболее приемлемого соотношения между точностью и способностью выполнять сверхсложные задачи. Естественно, точность, свойственная научным проектам, не всегда нужна для сферы компьютерной графики. Именно поэтому параллельно мы ведем разработку нового приложения. Его кодовое название Xflow, а направлено оно будет на сугубо научную сферу, где требуются куда более точные вычисления поведения цифровых жидких сред.

Не за горами четвертое перерождение нашего ставшего достаточно знаменитым симулятора. Оригинальный язык скриптов будет жемчужиной его функционального наполнения. Задействовав скрипты, пользователь сможет собственноручно моделировать абсолютно новые эмиттеры и применять к ним уникальные внешние силы (daemons), выстраивать требуемые события и расширять функции экспорта. Впервые RealFlow станет действительно открытым продуктом, что будет поистине новой вехой в его развитии. Помимо этого мы значительно усовершенствовали рабочую среду, добавили опции, улучшающие интеграцию симулятора в производственный конвейер уровня high-end. На финальном этапе находится модернизация механизма взаимодействия между жидким и твердотельным симуляторами, другими не менее важными элементами проекта.

Еще одним ожидающим скорого коммерческого запуска решением можно считать визуализатор Maxwell. Этот продукт – наша давняя и тайная страсть, ведь первые эксперименты с алгоритмами трассировки лучей были проведены еще задолго до погружения в пучину синтетических жидкостей. Благодаря же накопленным при работе над RealFlow знаниям мы смогли предложить аналогичную концепцию и участникам рендеринг-сцены. Устав от всевозможных уловок, которыми пользуются программисты для достижения пресловутого реализма, мы попытались сконцентрироваться на получении максимально точной модели просчета композиции, делая ставку на их достоверную освещенность. Да, Maxwell – это прежде всего симулятор точного освещения, с помощью которого будет достаточно просто просчитать силу света, падающего на стены или любой другой объект. Заложенные в его основу спектральные методы оценки информации позволяют избавиться от известных погрешностей цветопередачи. Способствует этому и корректное с точки зрения физики описание свойств используемых в сцене материалов.

В заключение я хотел бы отметить, что сегодня мы являемся свидетелями конвергенции научной сферы и мира электронной визуализации. Уверен, что в обозримом будущем компьютерная графика позаимствует из наукоемких отраслей более точные физические модели процессов и доведет их до уровня инструментов, работающих в режиме реального времени.

Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365