【探索22-5】尖端藝術中的尖端科學

模擬雪球掉在地上之後 (source: Disney)

模擬火焰需要理解背後的流體力學和分子光譜,製作爆炸特效需要研究炸彈的特性和物體的破壞力學。為了做出最真實、最能感動人的動畫特效,必須要對背後的物理機制做非常深入的研究。電影特效的研發已經是一個尖端的科學領域。從理解物理現象的微觀機制到如何有效計算和生成影像,動畫特效產業可以說是「科學中的藝術,藝術中的科學」。

講者|國家實驗研究院高速網路與計算中心研究員 郭嘉真
彙整撰文|陳奕廷

●如何丟一個雪球?

動畫特效能模擬洪水、爆炸、世界末日和恐怖攻擊,讓坐在電影院裡的我們尖叫連連。在熱門院線電影中,很難找到一部沒有使用任何電腦動畫特效的電影。一部電影是否讓人感動,除了劇情、鏡頭和音效之外,動畫特效是關鍵之一。在好萊塢和迪士尼等年度大片中,許多電影都是挑戰沒有人製作過的動畫特效,其中運用的往往都是最先進的科技,或是自己開發特效演算法。這些電影的科學成分不亞於其藝術成分。

以《冰雪奇緣》為例,這部電影投入了大量的成本和科技來製作動畫,讓它連續多年高居全球票房排行榜。「丟一個雪球」在溫寒帶地區是在正常不過的一件事,但是要在動畫內丟一個雪球卻不是這麼容易。為了製作各種接近真實的冰雪場景,迪士尼和加州大學洛杉磯分校的科學家合作,開發模擬雪的演算法。從雪球內冰晶的位置和速度、碰到其他物體如何受力和型變以及冰晶之間如何碰撞,模擬一系列的物理機制(圖一),產生讓你我感動的冰雪奇緣。這項研究成果被發表在頂尖電腦圖形計算會議SIGGRAPH。為了製作一部動畫研發了最尖端的科學,也讓這部動畫成為最尖端的藝術。

圖一、模擬雪球的演算法 (Source: UCLA)。

●算圖農場

算圖農場(Render Farm)是國家高速網路和計算中心(國網中心)底下的設施。顧名思義,算圖農場能進行大量高速圖形運算。使用上述雪球的演算法,用個人電腦運算一個雪球也許沒有問題。但運算一座雪山或是雪崩場景,個人電腦可能超頻過熱也算不完。這時候就需要一座算圖農場,農場內有足夠的圖形處理器和記憶體來進行電影等級的運算。國網中心的算圖農場至今已經服務了超過200部作品,每一部作品都給予量身打造的服務。這對國內的動畫產業是一大助力,動畫工作室可以和國網中心合作使用計算資源,而不再需要自行採購、操作和維護圖形運算機台。除了減低動畫運算的成本之外,也讓動畫師專注於創造品質更好的作品。科技部將資源投入這個產業,使得動畫和電影製作變得更容易。當更多的本土動畫將台灣的文化、故事和各種傳說搬上大螢幕,將能在國內或國際上讓更多人知道台灣美好的文化和歷史。

 

●藝術、文化和教育

除了動畫之外,國網中心也在其他藝術方面發展。在現場展演中,傳統的技術之上加上互動式的科技元素,藝術表演能產生過往無法表達的效果。在一個舞蹈的例子中,舞者和自己內心戰鬥的抽象概念,能透過即時運算和浮空投影具體的演繹出來,讓更多觀眾有共鳴。這個過程需要編舞家和軟體工程師的合作,是科技和藝術結合的好例子。

國網中心也與文化部和經濟部合作,推展文化地景的科技應用。台灣在各地有許多古蹟和特色建築等文化資產。透過光學雷達掃描建築的型態和細節,再利用3D建模在電腦中建構出各種建築模型,保存在台灣數位模型庫中。這其中包含台灣第一家百貨公司、中正紀念堂、北投車站和信義威秀等。這些模型不僅用於保存文化和虛擬博物館,也能應用於動畫、遊戲和廣告產業。

圖形計算需要大量的硬體資源,並不是所有院校都有能力負擔。國網中心開放算圖農場給大專院校使用,有利於學生學習動畫製作和圖形計算。與其花費資本購買小量的算圖設備,大學可以把有限的資源投入申請國網中心的服務,讓學生能享用高品質的算圖資源。國網中心也舉辦動畫競賽「HPC功夫(高效能運算功夫)」,促進善用高速計算,幫助國家發掘跨科技與藝術領域人才。從第一屆開始到現在,報名組別數目成長高達三倍。這個比賽對參賽選手的算圖技術和跨領域能力培養很有幫助。

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本文整理自:108/11/2由郭嘉真老師在臺大思亮館國際會議廳所主講之「科技熊抱藝術-雲端算圖農場勇氣獻映」演講內容。

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