Ссылки для упрощенного доступа

Российский математик – о том, как получить "Оскар"

"Оскар" тяжелый, килограмма, наверное, два с половиной весит (на самом деле 3,856 кг. – РС). Солидная вещь. Это здорово. Когда держишь – распирает какая-то гордость за компанию, что получается в таком коллективе работать, делать что-то, что получает уважение во всем мире". Так Алексей Стомахин – математик из России, работающий на студии "Дисней" в Калифорнии, – описывает свои ощущения от статуэтки "Оскара" – в мультипликационном фильме Zootopia, получившем премию Американской киноакадемии, он помогал делать визуальные эффекты.

Стомахин пишет программное обеспечение, которое позволяет создавать реалистичную среду и натуралистичное движение персонажей. Он говорит, в детстве, в 90-е, смотрел диснеевские мультики – "Король Лев", "Аладдин", "Русалочка". Теперь Стомахин помогает "Диснею" делать фильмы – помимо Zootopia, он участвовал в создании Frozen и Moana, для которых моделировал снежную и водную соответственно окружающую среду.

Стомахин из Москвы. Его родители – инженеры, сам он учился в 57-й школе – одной из лучших математических школ России, – потом в физтехе, затем поступил в UCLA – Калифорнийский университет в Лос-Анджелесе – на прикладную и вычислительную математику.

В публикациях и комментариях в соцсетях можно найти весьма хвалебные отзывы о Стомахине его бывших преподавателей, так что логичный вопрос – не сожалеет ли Алексей о том, что не стал заниматься наукой в чистом виде:

Соскучился опять по математике

– С математикой у меня интересные отношения. Где-то в средней школе я очень заинтересовался этим предметом, ездил на олимпиады. Когда поступил в 57-ю школу – там, конечно, математика преподается очень серьезно, людей реально готовят заниматься наукой – для меня это в некотором смысле был перебор. В конце 11-го класса уже хотелось заниматься чем-то еще. Многие поступили на мехмат, а я решил, что, наверное, я не потяну – с точки зрения энтузиазма, – поэтому решил заниматься физикой. После физтеха обнаружилось, что и физика – не очень, соскучился опять по математике, захотелось вернуться обратно. Меня как-то постоянно разрывало между математикой, физикой и программированием. В "Диснее", мне кажется, удалось найти удачный баланс: всего понемножку, получается все совмещать.

– Компьютером, очевидно, вы сами занимались, параллельно с математикой и физикой?

– Да, это было хобби, особенно в школьные времена. Когда я поступил в физтех, у меня были предметы, связанные с программированием, но я много сам занимался – компьютерной графикой, изучал всякие графические пакеты.

Хотелось чего-то прикладного

– Почему вы поехали учиться в Штаты, в Калифорнию, не остались в России?

– После бакалавриата я решил, что чистой наукой заниматься мне не хочется, ни физикой, ни математикой, хочется чего-то прикладного. Я стал искать программы, в которых совмещаются несколько научных областей, обычно математика и физика. UCLA был особенный, у них на математическом факультете разрешают студентам заниматься прикладной математикой, применять для каких-то практических вещей. А мне, собственно, и хотелось чего-то такого. У меня была возможность стать программистом после окончания физтеха, я был на факультете радиотехники и кибернетики. Очень многие люди после этого становятся инженерами, программистами и так далее. Но мне хотелось, с одной стороны, остаться в науке, с другой стороны, хотелось чего-то прикладного. На самом деле, может, тогда я сам не очень понимал, чего хочу, поэтому просто решил что-то новое попробовать, посмотреть, что еще есть.

Один из профессоров Стомахина в UCLA, Джозеф Теран, был консультантом "Дисней" по созданию визуальных эффектов, и таким образом Алексей начал работать на студии – сначала в качестве интерна, потом консультанта и, наконец, постоянного сотрудника. Для мультфильма Frozen Стомахин вместе с коллегами разрабатывали симуляцию движения снега в различных условиях, для Moana моделировали движение воды. Это очень трудоемкое дело – нужно создавать симуляцию движения миллиардов частиц. Чтобы смоделировать секундный кадр, может потребоваться несколько дней. "Каждый из этих проектов занял у меня года два, что снег, что вода", – говорит Стомахин. "Науки в этом довольно много", – добавляет он.

Чтобы моделировать, скажем, движение снега, использовался гибридный метод, совмещающий подходы Лагранжа и Эйлера, ученых 18-го века, заложивших основы механики. Лагранж описывал движение текучей среды как движение отдельных частиц. Эйлер – как меняющееся единое целое. Таким образом, с помощью компьютеров моделировалось взаимодействие отдельных "частиц" снега, то слипавшихся вместе в "снежки", то разделявшихся при столкновениях.

Что получается на практике, можно посмотреть в специальном видео, как самые интересные примеры – во второй части, где цифровой снег сравнивается с настоящим снежком, катящимся по снежному насту.

Таким образом создается реалистичная среда, в которой действуют мультипликационные персонажи или актеры в фильмах с вымышленной реальностью. Впрочем, в анимационном кино есть свои особенности:

Вода должна выглядеть очень натурально, потому что это то, с чем люди взаимодействуют каждый день

– Мультики сейчас рисуют не как в былые времена, когда куча художников рисовала все "от руки". Аниматоры до сих пор анимируют персонажей так, как говорят режиссеры, но среда, в которой персонажи живут, будь это океан, город, либо еще что-то, – требования к ней очень высокие. Допустим, в Moana почти в каждом кадре есть вода. Вода должна выглядеть очень натурально, потому что это то, с чем люди взаимодействуют каждый день. Если вода будет выглядеть ненатурально, в мультфильме создастся какое-то неправильное ощущение. Для того, чтобы воду нарисовать натуральным образом, приходится обсчитывать движение воды на компьютерах. С точки зрения математики – это дифференциальные уравнения, численные методы, по сути, приходится решать уравнение Навье-Стокса, которое описывает движение воды.

"Миллиарды частиц. Для самых дорогих кадров в Moana мы использовали восемь компьютеров. Я знаю, что хорошо сделал работу, если люди не замечают эффектов – в Moana, например, если вы не обращаете внимания на воду, если она выглядит натурально и не отвлекает от истории", – говорит Стомахин в этом ролике, подготовленном UCLA. В интервью Радио Свобода он продолжает:

Платье, когда она бежала, перелетало через голову

– Если брать фильмы с актерами, не мультяшные, – там моделируется обычная физика, как в реальном мире, – актеров снимают на фоне зеленого экрана, все остальное подставляется сзади. В некотором смысле это для меня с точки зрения физики несколько менее интересно, потому что там большинство проблем решены, берется известное уравнение и обсчитывается, все довольны. В анимации немного другой уклон. Персонажи могут двигаться не совсем по законам физики, существуют какие-то волшебные элементы. Классический пример – "Рапунцель". Это было до того, как я стал работать в "Диснее", я просто беседовал с людьми, которые занимались им. Рапунцель анимировали так, что движения были довольно резкие, она очень быстро перемещалась. Заканчивалось тем, что когда на нее пытались сверху надеть платье и смоделировать, чтобы оно двигалось согласно законам физики, то платье, когда она бежала, перелетало через голову. Соответственно, приходилось использовать какие-то интересные приемы, создавать силовые поля, которые эту юбку удерживали там, где надо. После того, как мы поняли, как решать настоящие физические уравнения, мы пытаемся понять, как это интегрировать в мультяшный мир, потому что там не всегда нужна физика, иногда приходится немножко исправлять результаты. В Moana, когда разбивается волна, она разбивается по всем законам физики, но режиссера может не устраивать, как это выглядит. Капли летят в одну сторону, а режиссер говорит: нет, хочу, чтобы в другую. Неважно, что говорит физика, так будет лучше с точки зрения мультипликационной истории. Приходится либо немножко менять законы физики, либо какие-то дополнительные силовые поля в сцену помещать.

Чтобы весь мир обсчитать, нужны большие вычислительные возможности

– В 19-м веке Лаплас провел мысленный эксперимент с так называемым демоном Лапласа – высшим существом, которое знает положение и скорость всех частиц во вселенной и потому может предсказывать ее будущее. Вы на компьютерах – локально, для мультфильмов – делаете нечто подобное. Если у вас, грубо говоря, есть невероятно мощный компьютер, вы можете воссоздавать мир, виртуальную реальность, близкую к реальной реальности?

– В общем, да. Простейший пример – предсказание движения планет, это довольно простая механика. Более сложный пример – предсказание климата. Мощнейшие компьютеры обсчитывают движение циклонов на несколько месяцев вперед – очень много ресурсов идет на это. Чтобы весь мир обсчитать далеко вперед, нужны очень большие вычислительные возможности, таких сейчас нет, но что-то можно предсказывать.

– Вы теперь официально именуетесь внутри компании оскароносцем?

– "Оскар" – это награда, которую получает вся компания, это общее достижение. В этом смысле я, конечно, никем не именуюсь. Скорее есть какая-то личная составляющая – когда я знаю, что для какого-то мультика делал больше. Вот Moana получила награду за лучшие визуальные эффекты от организации, специализирующейся именно на визуальных эффектах. Получила вся команда, человек 50, но для меня это было что-то большое: я очень много времени и сил этому мультику посвятил и очень много моих разработок в нем используется.

Живот раскачивается, хлопают уши в соответствии с уравнениями эластичности

– В оскароносной Zootopia вы помогли рисовать движения тел животных.

– Да, мускулы, жир, все инерционные части тела. То есть когда какой-нибудь бегемотик или слон бежит, то, что у него живот раскачивается, хлопают уши и так далее – все это обсчитывается в соответствии с уравнениями эластичности, уравнениями, которые задают движение эластично деформируемых тел.

– Что дальше?

– Сейчас у меня происходит своего рода смена квалификации. Я прежде больше занимался тем, что касается среды, в которой существуют персонажи: снег, вода, растительность. Теперь я больше пытаюсь работать с одеждой и волосами персонажей. У нас выходит мультик, где очень много персонажей с большим количеством волос, причем не короткой шерсти, а именно длинных волос, и их много – в десятки, сотни раз больше, чем мы моделировали до этого. Для этого нужно гораздо больше вычислительных возможностей, нужны более оптимальные алгоритмы. Все в соответствии с физическими законами.

Уважаемые посетители форума РС, пожалуйста, используйте свой аккаунт в Facebook для участия в дискуссии. Комментарии премодерируются, их появление на сайте может занять некоторое время.

Материалы по теме

XS
SM
MD
LG