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L’art de la destruction

Ou comment bien parler en réunion de directeurs des effets spéciaux…. Aujourd’hui de multiples solutions techniques existent au sein des studios de production comme ILM, MPC, Digital Domain… permettant la réalisation de visuels animés de destruction d’objets, de formes et de personnages dans les scènes de cinéma plutôt de type Blockbuster, ou de full 3D.

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Du point de vue de la conception technique, les recherches de solutions mises en œuvre se positionnent sur 2 grands secteurs :
– La simulation de Rigid bodies, ou de « corps durs » (RBS)
– La simulation par Calcul aux Eléments Finis (CEFS)
Ces 2 méthodes de calcul de solution de simulation/cinématique des points/objets se retrouvent dans d’autres secteurs comme la simulation des fluides dans un logiciel comme Maya (Fluide) ou Realflow (Hybrido2).

A ces 2 solutions, nous pouvons rajouter des solutions annexes et complémentaires comme la simulation particulaire instanciée, qui est mise en œuvre dans Maya ou Houdini par exemple. Cette solution moins précise donne rapidement de bons résultats pour simuler des mouvements confus et aléatoire de blocs de taille visuelle moyenne à petite.

© Michael Baker
© Michael Baker

Simulation RBS

Dans la catégorie des simulations RBS, la solution Open Source Bullet PhysicsEngine est aujourd’hui largement reprise par les grands studios comme ILM, Digital Domain ou encore la Weta, pour sa simplicité et son efficacité et sa caractéristique « Open Source » qui permet de pouvoir le modifier et l’améliorer selon la production à réaliser. Sur cette application la référence reste la destruction de Los Angeles dans le film de Roland Emmerich « 2012 ». Le directeur des effets spéciaux David Stephens a mis en œuvre un pipeline de fracturation et de cinématique des blocs pour l’ensemble des destructions et notamment de la séquence du décollage de l’avion quittant Los Angeles en pleine destruction.

La méthodologie de fracturation utilisée est en général basée sur un diagramme de Voronoi, largement utilisée par d’autres systèmes de fracturation. Le diagramme Voronoi est aussi utilisé pour générer des textures organiques procédurales. Ce diagramme construit à partir d’une hypothèse de base (distance entre des points) une mosaïque de formes qui découpe l’espace 2D ou 3D sur le quel est appliqué ce diagramme.

© Ron Fedkiw
© Ron Fedkiw

En règle générale, la simulation RBS est accompagnée en amont par une pré-animation qui « guide » cette simulation et permet d’une part d’avoir déjà un aperçu rapide de ce que le plan va donner et permet de canaliser la simulation dans la direction recherchée. Dans tous les cas, la qualité des calculs de simulation, il reste une part « aléatoire » qui peut perturber le visuel final. Il est donc nécessaire de prévenir cela par une phase optionnelle de pré-animation.

De manière similaire et avec la même argumentation, le pipeline de production de FX de destruction pourra être finalisé par une phase de post-animation, réglant les problèmes éventuelles d’interactions malencontreuses, de rigid bodies mal simulés et de visuels mal agencés.
Pour Maya, il existe un plugin open source « Dynamica » qui est construit avec la technologie « Bullet » et qui permet de réaliser des simulations de très bonnes qualités.

Simulation CEFS ou FEA (Finite Elements Analysis)

La méthode de simulation CEFS ou en anglais FEA ( Finite Elements Analysis ) est utilisé dans la méthode de destruction DMM (Digital MolecularMatter) de l’Editeur Pixelux. De nombreux studios en production utilisent cette méthode intégrée dans leur pipeline de simulation, comme MPC avec leur pipeline Kali pour les films comme Prometheus, Skyfall, et Wrath of the Titan. La méthode DMM est aussi utilisée en temps réel dans les jeux vidéo et notamment sur la licence Star Wars.

A partir du concept des éléments finis, cette méthode DMM utilise un algorithme de calcul qui distribue sur un ou plusieurs objets sous la forme de map découpée des paramètres physiques évolutifs et interactifs entre eux. Pendant la durée de la simulation, les différentes parties maillées s’échangent des informations et interagissent entre eux : c’est le principe de base du calcul aux éléments finis. Et bien entendu, la précision du maillage qui découpe le ou les objets en simulation est primordiale pour un calcul optimal. Ce principe de calcul permet de pouvoir passer d’un état d’étirement et de déformation de l’objet à sa fracturation en plusieurs morceaux. A la différence, d’un système de simulation comme PullDownIt de Thinkinetic qui prédécoupe à l’avance les objets et de ne permet pas de passer par un état élastique.

© MPC
© MPC

Cette Méthode DMM a été mis au point à la base par le Professeur James F. O’Brien de L’université de Berkeley en Californie. Comme souvent les technologies utilisées en 3D ( Shader, moteur de rendu, simulation,..) sont incubées dans les laboratoires de grandes universités. Pour info, une application Iphone existe pour s’essayer à la destruction en mode DMM. La méthode de calcul FEA se trouve aussi implémentée dans Houdini qui permet d’ontenir des simulation passant de la distorsion, à l’étirement jusqu’à la cassure des éléments Rigid Bodies.

Pipeline de la simulation de la destruction

De manière générale, la méthodologie de travail ou Pipeline de l’art de la destruction peut se définir en quelques phases :

1) La préparation des objets polygonaux en jeu dans la simulation :
a) Distribution des paramètres physiques de base : dureté, élasticité, niveau de rupture, sous la forme ponctuelle ou de textures.
b) Si nécessaire, prédécoupe des objets, ou à l’inverse pose de « glue » colle qui va tenir les morceaux ou objets entre eux.
c) Pré-animation des objets en jeux dans la simulation

2) La simulation proprement dite :
a) Test de variation de simulation en fonction de la variation des paramètres dans l’espace et surtout dans le temps, avec par exemple une baisse progressif du niveau de rupture pour arriver à la fracturation des morceaux au moment choisi.
2) La post simulation
a) Correction de la simulation de problème notamment d’interpénétration des objets
b) Baking de la simulation selon le nombre et formes des objets : Transformation de la simulation en animation.
c) Préparation pour le rendu

© Double Negative
© Double Negative

Bien entendu, visuellement, le travail n’est réellement terminé que quand les différentes passes de calcul, rendu avec un moteur comme Mentalray ou Arnold par exemple sont compositées dans un logiciel comme Nuke permettant un ajustement des différents effets les uns par rapport aux autres.

Bullet : http://bulletphysics.org/wordpress/
Dynamica : http://code.google.com/p/bullet/ et https://code.google.com/p/dynamica/
DMM : http://www.pixelux.com/index.html
PullDownIt : http://www.pulldownit.com/index.php
MPC : http://www.moving-picture.com/
ILM : http://www.ilm.com/
WETA : http://www.wetafx.co.nz/

Catégorie : Logiciels & TechniquesSecteur 3D

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