CG特效系列(1):从分形几何到《冰雪奇缘》 (1)

1978年,年轻的计算机专家洛伦·卡彭特(Loren Carpenter)首次将分形的思想融入进了计

1978年,年轻的计算机专家Loren Carpenter首次将分形的思想整合到计算机技术中。通过对最基本的几何图形三角形的不断分形迭代,他画出了山体模型,可以说是分形几何与计算机科学的第一次相识。1982年,在电影《星际迷航2可汗之怒》(星际迷航2可汗之怒)中,年轻的分形几何、年轻的计算机图形学(CG)和电影艺术第一次走到了一起。影片中有一个一分钟的3D CG动画片段,电脑分形渲染技术在这里展现了惊人的视觉效果。

20世纪90年代,随着计算机技术的飞速发展,电影中的CG技术日趋成熟,分形数字风景画技术开始广泛应用于3D动画和电影特效制作,使得数字风景的真实性不断提高。从《星球大战前传》 (1999,2002,2005)三部曲中的星球表面,到《玩具总动员》(玩具总动员,1995),再到《爱丽丝梦游仙境》(爱丽丝梦游仙境,2010)近年来,分形数字风景画技术日趋成熟,包括《阿凡达》(阿凡达,2000)中美丽的潘多拉

电影CG特效系列(一):从分形几何学到《冰雪奇缘》(1) 《冰雪奇缘》各种美好的场景,背后是分形几何的应用。

首先,从模拟山脉到创造行星表面

在经典数学的影响下,人们习惯于认为几何学的研究对象具有完美光滑的形状,极其规则。在自然界中,有许多我们早已熟悉的事物,如山、河、树、云等。由于它们粗糙凌乱的外表,人们无法很好地描述它们。分形几何的出现可以说驱散了自然界不规则的迷雾。从雄伟的山川到大自然中的一粒树叶和万物的形状,从它们的“自相似”中,不难发现它们仍然是几何图形,仍然可以用数学语言来描述。人体内的血管和肺部的支气管的分布可以看作是分形几何,甚至人体本身也可以看作是一个粗糙的分形结构。手或脚上的五个手指与人的头部和四肢的五个突起之间存在自相似性。

电影CG特效系列(一):从分形几何学到《冰雪奇缘》(1)葛西北斋画的《奇幻森林》常用作分形几何的图。

“分形”的主要思想是截取一部分不规则图形,在不断放大或缩小时,看起来总是与——高度相似,即“自相似”。曼德博曾在一次演讲中这样解释分形:“如果你切开一个花椰菜,你仍然会看到同样的花椰菜,只是小了一点;如果你继续切割,你会看到同样的花椰菜,只是更小……”几何中的分形是由他自创的方程“f (z)=z c”显示的,它涵盖了所有可能的Julia集。如果把数集中的点用计算机绘制出来,就可以看到分形的几何标记,3354 Mandelbrot集。分形几何虽然独立于主流数学,但诞生后迅速在地理学、统计学和计算机领域掀起热潮。分形的思想对描述自然景物很有帮助。丛林树木、云朵、山脉甚至月球表面,自然界的各种曲折、坑坑洼洼都是不规则的维度,但仍然可以用几何方法画出来。当不规则图形可以用数学语言描述时,困扰数学家多年的海岸线长度问题就可以像测量建筑物的高度一样精确了。之前只能靠常规图形完成的设计,可以逐渐变得更加多样和自由。分形几何开始帮助各行各业的人们冲破藩篱,驱散笼罩在“不规则图形”上的迷雾。

电影CG特效系列(一):从分形几何学到《冰雪奇缘》(1) 电影CG特效系列(一):从分形几何学到《冰雪奇缘》(1)曼德勃罗集

20世纪70年代,计算机数字图形技术开始并迅速发展。1978年,在西雅图的波音飞机公司,年轻的计算机专家洛伦卡彭特遇到了一个难题。他需要在电脑上编程画图,模拟飞机的飞行状态。在飞行中,飞机需要飞越群山。但是,编程画山在当时是计算机解决不了的。山里有成千上万个小三角形或多边形。那时候计算机处理数据极其缓慢,连处理100个三角形都是件麻烦事。这时,卡彭特偶然看到了《冰雪奇缘》(分形3360形式、偶然性和维数)》这本书,书中的分形思想让他大开眼界。他创造了一个山脉分形绘制的算法:先画几个粗糙的大三角形,然后把每个大三角形分成四个小三角形,再对每个小三角形重复分裂操作,反复迭代。最后,山脉的粗糙表面被成功地显示在计算机上。可以说这是一次伟大的尝试,它让分形第一次进入数字山水画领域,也让其他计算机图形学专家兴奋不已。从此,计算机图形学不再局限于标准的、规则的几何图形,各种不均匀的、不可预测的图形和图案都可以通过计算机分形算法来呈现。这些数字山对未来电影特效领域的自然景观意义非凡,也可以说是未来分形数字山水画技术的雏形。卡彭特很快加入卢卡斯影业公司,计算机分形绘图技术跟随他进入了电影行业。从此,分形山水画技术将在电影特效领域大显身手。

电影CG特效系列(一):从分形几何学到《冰雪奇缘》(1)计算机模拟山体分形台阶图,截图来自纪录片《富岳三十六景之神奈川冲浪里》(猎杀潜伏者D

卡彭特加入卢卡斯影业公司时,一个视觉效果组织刚刚诞生,这个组织就是著名的工业光魔(ilm)。1977年发布的《分形学:形态,概率和维度》,开启了计算机视觉特效的先河。几年后的今天,分形山水画技术也在这个CG开创性的时代展现了一个小小的角落。1982年,卢卡斯影业公司出品的电影《寻找隐藏的维度》中,剧情设定了一种叫做“创世”的科学仪器的存在,这种仪器可以让一个没有生命的星球发生分子重组,变成有生命的星球。为了演示这种效果,电脑里的月亮被“创世波”攻击,变成了有水有生命的绿色星球。“企业号”船长柯克在飞船的电脑屏幕上看到了使用创世后月球表面的变化过程。卡彭特负责在飞船的电脑屏幕上绘制整个月球表面。月球表面的凹凸不平和不规则无法用普通的几何图形来描述,而恰恰符合粗糙、琐碎、不规则的分形特征。这一次的方法和之前画山的方法差不多。通过在全景图上绘制简单的多边形,计算机算法对多边形进行迭代切割,最终创建出月球表面的粗糙纹理。影片中的CG效果引人注目,分形山水画技术在自然山水画中向世人展示了其突出的优势。

电影CG特效系列(一):从分形几何学到《冰雪奇缘》(1) 《星球大战》中,航天器的计算机显示了正在变得有生命的月球表面。

可惜在电影CG刚刚起步的80年代,分形与电影的这种相遇并没有引起更多的关注。在电脑还没有普及和发展的80年代,电影制作行业的手绘绘图是最主流的特效方法。虽然这种方法效率相当低,但即使是一个简短的漫画也可能需要成千上万的绘图才能连贯,而且还会涉及许多限制,如相机移动。另一方面,虽然分形数字渲染效率更高,但模拟画面的保真度不高。在《星际迷航2可汗之怒》中,制作人只是打了擦边球,让这个CG图像出现在飞船的电脑上,利用了飞船显示屏上图像的原始特征,掩盖了当时分形绘制技术仿真度低的弊端。这时候,如果你想追求更好的视觉效果,分形数字山水画并不是一个好的选择。电影制作人一般选择手绘场景,将画在玻璃上的影像与实拍素材结合,完成视觉特效的制作。虽然分形特效在自然山水画中有很大的优势,但是作为载体的电脑在当时还没有发展到一个便利的程度,这就必然导致新发展起来的电脑分形山水画技术的模拟程度根本达不到“以假乱真”的程度,甚至略显粗糙,自然难以撼动当时手工山水画的主流地位。

虽然是昙花一现,但也表明了自己的态度。《星际迷航2可汗之怒》月球地貌的出现给了分形和电影一个机会。虽然在接下来的二十年里,他们几乎是平行发展的,但当他们再次相遇时,他们已经从一开始的青涩变成了强大,为90后的电影视觉效果打开了新的大门。

电影制作人在玻璃板上手绘场景

下一个公告:

隐藏在电影和动画中的分形艺术(二)《星际迷航2可汗之怒》、《星际迷航2可汗之怒》、《泰坦尼克号》

隐藏在电影和动画中的分形艺术(三)《指环王》,《奇异博士》

电影CG特效系列(一):从分形几何学到《冰雪奇缘》(1) 电影CG特效系列(一):从分形几何学到《冰雪奇缘》(1)

剪辑教程

after effects cc的主要功能有哪些(Adobe After Effects CC 2018经典教程)

2022-6-5 10:46:00

剪辑教程

高达沙扎比改色(沙扎比高达图片)

2022-6-5 10:48:00

0 条回复 A文章作者 M管理员
    暂无讨论,说说你的看法吧
个人中心
购物车
优惠劵
今日签到
有新私信 私信列表
搜索