Recibido: viernes, 29 diciembre 2006
Simulación aplicada al arte digital
Víctor González
Next Limit Technologies
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web: http://www.nextlimit.com
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Aunque siempre se ha observado una distinción clara entre el lenguaje artístico y el científico, el ser humano constantemente se ha nutrido y beneficiado de la tecnología disponible en cada momento para llevar a cabo su expresión artística. Desde las pinturas rupestres realizadas hace miles de años hasta las refinadas técnicas del arte pictórico clásico y moderno, el conocimiento de la tecnología siempre ha estado presente de forma consciente o inconsciente. Por ejemplo, Miguel Ángel no sólo es un genio artístico, sino un gran técnico en el conocimiento de diferentes procesos físicos: la química de las pinturas, las fuerzas de tensión del mármol, etc. Podríamos decir que los artistas han tenido que aprender a utilizar la tecnología disponible e, incluso, a desarrollar nuevas técnicas para aumentar la complejidad de sus creaciones.
Actualmente contamos con una herramienta
poderosa de creación virtual: el ordenador. Es evidente el gran apoyo que ha
prestado este moderno cincel a la expresión artística, abriendo todo un
nuevo espectro de posibilidades de expresión en formato “digital” (imagen,
sonido, secuencias animadas, entre otras) que permiten al artista disponer de
recursos virtualmente ilimitados, además de brindarle una posibilidad
sugerente: la edición. Alguien propuso una vez que se debería levantar una estatua a aquél que inventó el comando “Undo”
(deshacer).
El lenguaje científico y la terminología
técnica se han visto, más que nunca, estrechamente vinculados con el arte a
través del medio digital. Un artista digital debe conocer suficientemente la
tecnología implicada y obtener los conocimientos técnicos precisos para
conseguir los resultados deseados. Es sobre este terreno conceptual de
interrelación entre arte y tecnología donde nuestro equipo de investigación y
desarrollo ha estado trabajando en los últimos nueve años.
La empresa española Next Limit Technologies
[www.nextlimit.com],
fundada por Víctor González e Ignacio Vargas en 1998, ha venido desarrollando
productos informáticos (software) de simulación de procesos físicos
orientados a diversos campos y especialmente a su aplicación en la creación de
contenidos visuales, como por ejemplo el cine. En los últimos 25 años ha
existido una tendencia en aumento en la creación de contenidos virtuales
mediante el uso de ordenadores para su aplicación en medios audiovisuales,
principalmente cine y televisión. La necesidad de simular entornos virtuales
con alto grado de realismo sigue ejerciendo una presión creciente en la
industria de los efectos especiales. Desde la mítica película Tron
(1982) hasta la reciente saga de El Señor de los Anillos, la necesidad
de simulación sigue siendo un factor importante en la expresión artística.
Procesos físicos tales como explosiones, tsunamis, tornados, la erupción de
lava de un volcán y muchos otros procesos dinámicos complejos que suceden en el
“mundo real”, son cada vez más requeridos para ser creados por los ordenadores.
No es de sorprender que la necesidad principal
de incrementar la capacidad de simulación virtual venga impuesta en mayor
medida por motivos económicos, ya que la demanda creciente de contenidos
“nuevos”, sin duda afectada por el torrente de información visual a la que
estamos sometidos, se encuentra con grandes dificultades para ser ofertada
mediante las técnicas de efectos especiales clásicas. Es obvio imaginar la gran
diferencia en costes que puede tener el hecho de construir una maqueta de un
barco lo más realista posible, colocarlo en una piscina a escala, y destruirlo
mediante explosiones controladas con solamente una oportunidad para que salga
correcta la toma, contra la opción de realizar el proceso mediante un
ordenador. Imaginen si al director no le gusta la escena y manda repetirla.
Nuestro equipo de investigación, compuesto por
un conjunto de ingenieros, programadores y artistas digitales, comenzó hace ya
varios años a trabajar en métodos de simulación de fluidos mediante técnicas
nuevas de partículas. La idea surgió de dos fuentes principales: primero, la
búsqueda de métodos de cálculo de fluidos más modernos que los tradicionales
basados en elementos finitos (FEM). Segundo, la necesidad de herramientas de
simulación de fluidos en el sector de los efectos especiales para cine. En ese
momento no existía ninguna forma de simular fluidos y cualquier efecto debía
ser recreado mediante maquetas, piscinas acondicionadas, entornos reales, etc.
Por ejemplo, en Parque Jurásico, los efectos de salpicadura de los
dinosaurios al pisar los charcos se conseguían filmando un charco real y
posteriormente componiendo digitalmente la imagen real con la sintética del
dinosaurio.
Comenzamos pues trabajando en métodos de
simulación mediante partículas, aunque la mayoría de los ingenieros utilizaban
elementos finitos como método de cálculo. Los métodos de simulación basados en
elementos finitos cuentan con una serie de ventajas, principalmente, su gran
capacidad para capturar procesos estacionarios con una precisión muy elevada,
además de su rigor matemático fuertemente corroborado a lo largo de los años.
Sin embargo, su principal desventaja se centra en la aplicación a fenómenos de
alta transitoriedad y en donde las fronteras están sometidas a fuertes
deformaciones. Por ejemplo, para el caso de los fluidos, el impacto de olas
rompientes contra estructuras semisólidas (rocas, arena, coches, edificios,
personas) o el movimiento de un buque sometido a fuertes golpes de mar en una
tormenta. En estos casos no es práctico abordar el problema con un esquema de
elementos finitos. Otra desventaja importante de éstos es la necesidad de
generar un mallado computacional sobre el que se calculen las propiedades
físicas. La mayor o menor bondad de la malla y su dependencia en los resultados
suele ser una ?tortura? para los programadores u operadores del sistema, aunado
a la dificultad extrema en el caso de que todo el sistema se esté deformando,
como en los casos comentados anteriormente.
Se hacía pues necesario trabajar sobre métodos
de simulación de fluidos que permitieran una mayor facilidad de operación por
parte de un usuario no técnico y con una mayor robustez para adaptarse a
situaciones poco definidas a priori. Los métodos de partículas comenzaron a
surgir hacia finales de los años 70, principalmente en campos de astrofísica
donde es muy conveniente utilizar una representación intuitiva de los cuerpos
siderales. Uno de los primeros métodos presentados fue el SPH (Smoothed
Particle Hidrodynamics), concebido como aproximación de los métodos de
Monte Carlo para la resolución de problemas de gases y aplicado inicialmente al
modelado de fenómenos astrofísicos, aunque pronto se extendió a otros campos
como fluidos cuasi-incompresibles o mecánica de sólidos. El equipo de Next
Limit se basó en los conceptos del SPH original para desarrollar un modelo
mejorado, por lo que se expone a continuación una introducción al método.
Introducción al método de partículas SPH
El método SPH aproxima las ecuaciones
fundamentales de la mecánica de fluidos (también llamadas ecuaciones de
Navier-Stokes) mediante una función integral que promedia (“suaviza”) el
valor de la función a partir de los valores en el entorno del punto en
cuestión. En general, una función 
puede ser aproximada a 
mediante:

donde 
es la función de suavizado o kernel,
una función escalar de la distancia entre partículas y extendida a lo largo del
dominio 
.
El kernel 
debe cumplir una serie de propiedades
matemáticas:

donde 
es la distancia entre partículas y 
es la función delta de Dirac. La función
gaussiana es la que cumple con estas propiedades; sin embargo, debido a su
extensión infinita en el dominio, se reemplaza por una función compacta de tipo
spline o similar.

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Ejemplo de kernel
(gaussiano vs. spline).
|
A través del formalismo de SPH se llega
finalmente a la versión discreta de las ecuaciones de continuidad, momento y
energía de Navier-Stokes. Como muestra, la ecuación de continuidad permite calcular
la densidad en un punto del fluido mediante una suma discreta de las
propiedades de las partículas (masa) alrededor del punto, y queda representada
de la siguiente manera:

De igual modo, el momento en un punto se calcula
como contribución promediada de valores de presión ( 
), masa ( 
), viscosidad ( 
) y tensor de esfuerzos ( 
) de las partículas vecinas:

El cálculo de la presión se realiza mediante
una ecuación de estado. Esto permite una gran versatilidad al poder utilizar
cualquier ecuación de estado, desde el gas ideal o isentrópico a fórmulas
empíricas para simular líquidos de gran incompresibilidad.
El método SPH pertenece a la categoría de
métodos lagrangianos, en los cuales los puntos donde se calculan las
propiedades del fluido se desplazan y transportan las propiedades en su
movimiento, en oposición a los métodos eulerianos (donde se incluyen los
elementos finitos) en los cuales las propiedades físicas se calculan en puntos
estáticos que no tienen por qué representar elementos físicos reales. De ahí la
necesidad que tienen los métodos eulerianos de crear una malla computacional no
física, que tantos quebraderos de cabeza suele traer.

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Nuestros ingenieros han encontrado en
los métodos lagrangianos una representación mucho más natural del fluido, ya
que el cálculo se produce sobre las propias partículas que componen el fluido y
no requiere mallado computacional. Esta naturalidad es ideal para usuarios no
técnicos como es el caso de nuestros clientes de perfil mayoritariamente
artístico. Nuestra metodología permite “visualizar” el fluido en movimiento;
por el contrario, los elementos finitos deben añadir una capa de visualización
ficticia a partir de las variaciones del campo de velocidad calculadas en
puntos fijos.
Desde un punto de vista computacional, este
tipo de métodos permite una resolución explícita, lo que significa que
todos los cálculos son locales para cada partícula y se pueden resolver de
manera iterativa sin necesidad de resolver sistemas lineales de gran tamaño.
Esto es esencial para permitir un aumento de la complejidad del problema (más
partículas y más objetos en interacción) sin que suponga un contratiempo
numérico importante, puesto que sólo añaden carga lineal de cálculo al sistema.
Sin embargo, también conlleva algunos problemas inherentes, como la mayor
dificultad en obtener fluidos totalmente incompresibles o las discontinuidades
de densidad en las fronteras.
Para una revisión más detallada del método SPH
y otros métodos de partículas referimos al lector a las referencias indicadas
al final de este artículo, y en general a toda la literatura asociada a los
métodos de partículas.
RealFlow?
RealFlow es la aplicación comercial creada por Next
Limit Technologies para la simulación de fluidos y sólidos rígidos en la
industria de los efectos especiales, actualmente única en su género. RealFlow
utiliza una formulación propietaria para la simulación de fluidos mediante
partículas que soluciona algunos problemas inherentes de estos métodos, como se
ha mencionado anteriormente.
La creación de un producto de simulación como RealFlow
conlleva algunas particularidades y retos importantes al orientarse a un tipo
de cliente de perfil artístico interesado en resultados visuales y no
numéricos. Los diseñadores del software han tenido que esforzarse en
reducir los tecnicismos relativos a la simulación numérica. La interfase de
usuario se ha diseñado para ser lo más intuitiva posible y permitir la
operatividad e interactividad que se espera en productos de este sector, la
cual debe ser muy alta. Otro punto muy importante ha sido la integración del
producto en el workflow del cliente. Actualmente, la realización de
efectos especiales por ordenador se ha convertido en un arte bastante complejo
que opera en forma de “cadena de producción”. Para una misma escena el trabajo
se reparte en varios equipos especialistas de modelado, iluminación,
texturizado, animación y simulación o efectos. Es esencial una buena
coordinación a nivel técnico y compatibilidad máxima ya que los equipos
trabajan con software diferente. Por ello, RealFlow debe
comunicarse de forma eficiente en los procesos de entrada y salida con estos
otros productos. Todas estas características han hecho que RealFlow,
después de diez años en el mercado, mantenga el liderazgo en el sector sin que
exista un claro competidor alternativo.
RealFlow ha sido utilizado en cientos de
producciones cinematográficas y anuncios televisivos. Podemos destacar
producciones como 300, El Señor de los Anillos, Poseidón, Tomb
Raider, The Guardian, Chocolate Factory, El Código Da Vinci,
Ice Age 2, Dockers (anuncio TV), The Saints Are Coming
(video musical U2) y muchos otros. También ha sido utilizado por empresas de
otros sectores para crear simulaciones visuales, como es el caso de la NASA
para representar el movimiento del agua en los canales de Marte. En estos casos
los clientes han pretendido obtener un resultado cualitativo y no numérico que
en muchas ocasiones es suficiente para mostrar los procesos físicos.
En esta parte final del artículo se mostrará
un ejemplo concreto de aplicación de RealFlow en una película.
Conjuntamente, se invita al lector a visitar la página web del producto [www.realflow.com], donde
podrá encontrar más casos de aplicación en producciones cinematográficas
conocidas.
A la empresa estadounidense CIS Hollywood
se le encomendó la tarea de crear determinados efectos digitales para la
película Poseidón. En este film, un buque de pasajeros queda
completamente invertido sobre el mar al ser embestido por una ola gigante. En
el transcurso de la película suceden varias secuencias que incluyen movimientos
de grandes masas de agua. En algunos casos, estas secuencias fueron realizadas
con los actores reales en piscinas especialmente acondicionadas para estos
efectos; sin embargo, en otros casos los fluidos fueron completamente
virtuales.
Una de las escenas en cuestión requería la
simulación de una gran masa de agua que recorre un largo corredor y se aproxima
hacia el espectador. La columna de agua arrolla violentamente todo lo que se
encuentra a su paso y amenaza con alcanzar a los actores. Para ello,
primeramente se recreó parte del decorado en el ordenador mediante un sistema
de scanner 3D LIDAR que permitió obtener una nube de puntos
tridimensionales a partir del entorno real. Después se reconstruyó la
escena tridimensional completa a partir de los puntos obtenidos por el scanner.

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Nube de puntos
obtenida por el escáner LIDAR.
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Reconstrucción
poligonal del entorno 3D.
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Se realizaron diferentes simulaciones de
fluido utilizando RealFlow, variando diferentes parámetros como presión,
resolución, entre otros, para obtener los resultados más cercanos a los
requerimientos de la dirección. En la escena en cuestión se utilizaron de forma
simultánea diferentes simulaciones combinadas para crear un efecto más complejo.

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Pruebas de simulación
del fluido.
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Simulación del fluido
en el modelo 3D.
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Una vez que se obtuvo la dinámica de
simulación deseada, se procedió a trabajar en el proceso de generación de
imagen, también llamado rendering. La correcta representación e
iluminación del fluido es esencial para conseguir el mayor grado de realismo en
la escena. Una buena simulación sin un rendering adecuado resultaría
inservible. Cada simulación se iluminó de forma independiente, como es
tradicional en el proceso de composición por capas, de tal manera que se puedan
superponer de múltiples formas a elección del compositor. La iluminación tuvo
en cuenta las propiedades ópticas del agua, incluyendo reflexión y refracción.

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Capa de iluminación
del fluido.
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Capa de iluminación
del fluido.
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Finalmente, todas las capas de simulación e
iluminación se integraron en la escena, añadiendo efectos luminosos y el
movimiento de cámara.
Evolución
Nos encontramos aún en los comienzos de la
aplicación de la simulación al arte digital. Si bien actualmente se han
conseguido grandes avances debido en gran parte a la potencia de cálculo de los
ordenadores, aún nos encontramos en una fase muy temprana. Los grandes retos
residen en la simulación de procesos físicos de gran escala y gran complejidad
de una manera semiautomática y con poco esfuerzo por parte del usuario. El
creador debe preocuparse por dirigir su escena desde la perspectiva artística,
sin que la simulación y las cuestiones técnicas obstaculicen el proceso. Pero
esto aún dista de ser cierto. Actualmente la creación de estos conceptos
requiere gran dosis técnica, tiempo y personal dedicados exclusivamente a este
menester. El océano de la película La Tormenta Perfecta realizado por la
empresa Industrial Light & Magic requirió varios meses de trabajo a
medida, por no existir aún un sistema que pueda simular un océano de tal
complejidad.
En el futuro, podremos pensar en escenas del
calibre de un buque en una tormenta en alta mar, un vendaval, una playa con
rompeolas, un huracán destrozando los objetos que se encuentra a su paso, etc.
como elementos que el artista añade a la escena sin preocuparse por los
elementos técnicos involucrados. Estos procesos deberán simularse de una manera
automática y desatendida, excepto por el grado de control permitido al artista
(el huracán se moverá en tal o cual dirección, etc.).
Extrapolando este concepto hacia cotas más
futuristas, con el advenimiento de ordenadores más potentes y redes de cálculo
en paralelo, se podrán realizar simulaciones físicas complejas en tiempo real,
abriendo de par en par la puerta de la realidad virtual y la inmersión en
mundos digitales de realismo físico asombroso, tanto para aplicaciones de ocio
como industriales o científicas. La realidad virtual requerirá la simulación de
todos los procesos físicos evidentes como la gravedad, colisión y rotura de
objetos, lluvia, viento, etc. Sin simulación física los mundos virtuales
estarían “muertos”. Para todos aquéllos que hemos visto la película Matrix
y su mundo virtual indistinguible de la realidad, nuestro trabajo camina hacia
ese concepto, aunque esperamos que el futuro no sea tan oscuro como el que
muestra la película.
Referencias
J.J. Monaghan: Simulating Free Surface Flows with SPH. Annu. Rev.
Astron. Astrophys. 30 (1992), 543-574.
L.B. Lucy: J. Astron. 82 (1977), 1013.
P.W. Randles, L.D. Libersky: SPH: Some recent improvements and
applications. Comput. Methods in Appl. Mech. And Engrg. 139 (1996), 375-408.
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Sobre el autor
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Víctor González (Madrid, 1971) es Ingeniero Naval por la
Universidad Politécnica de Madrid y fundador-director de Next Limit
SL. Esta empresa nació con el objetivo de crear productos informáticos
basados en la simulación virtual de procesos físicos y de gran utilidad en
distintas ramas de la ciencia y la ingeniería, especialmente en la simulación
virtual aplicada a los medios audiovisuales, como el cine y la televisión. Su
primer producto fue RealFlow (simulación de la dinámica de fluidos en
3D), que ha sido utilizado con gran éxito en películas (como El Señor de
los Anillos, Tomb Raider, Chocolate Factory...), en anuncios televisivos,
en la NASA... A RealFlow siguieron otros
productos, como Maxwell Render (generación de imagen virtual rendering mediante simulación física de luz y materiales), que ha supuesto una
revolución en el mercado arquitectónico y de diseño por su capacidad de
obtener imágenes sintéticas indistinguibles de la realidad, y XFlow
(simulador de fluidos y estructuras para ingeniería), tecnología que permite
abordar problemas de ingeniería donde el fluido y la estructura interaccionan
de forma compleja.
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