Tony DeRose, la matematica al servizio della Pixar

Acqua, capelli, esplosioni, cadute, movimento… in animazione, così come nei videogiochi, sono tutti elementi controllati da forze e soggetti a leggi della fisica e matematica.

Ma come la matematica può essere interconnessa con un processo quale l’animazione?

Durante una conferenza al Museo della Matematica di New York, Tony DeRose, scienziato e ricercatore alla Pixar Research Group, spiega ai presenti come le due discipline, apparentemente così staccate tra loro, sono, invece, strettamente legate.

MoMath
L’argomento di discussione è la Matematica nei film. Questo argomento è il suo lavoro: tradurre principi di aritmetica, geometria e algebra in programmi capaci di realizzare oggetti tridimensionali o motori di gestione della fisica. Il processo, spiega, non avviene solo alla Pixar, ma in qualsiasi Studio che produca film d’animazione o videogiochi, motivo per cui qualsiasi animatore dovrebbe essere ferrato sui principi base di fisica e matematica.

MeridaCapelli, vestiti, fluidi, nuvole, fumo, fuoco… tutti questi elementi hanno una loro particolare fisica alla Pixar. “Simulare l’acqua è facile” spiega DeRose “La parte difficile è come renderla orientabile” ed è proprio per questo che vengono studiati motori di fisica specifici. Per Brave – Ribelle – i rossi e voluminosi capelli della protagonista Merida hanno richiesto la creazione ex novo di un motore fisico adatto all’esigenza. Gli animatori dello Studio dovevano capire come rendere i capelli della ragazza belli, vivi ed espressivi ed è qui che sono entrati in gioco DeRose e i suoi colleghi scienziati e ingenieri che hanno studiato un modello che rendesse l’animazione possibile.

“Nel mondo reale i capelli mantengono il loro volume continuando a rimbalzare e a collidere tra loro” dice DeRosa. I capelli di Merida sono stati realizzati con 100.000 elementi individuali “Secondo le leggi della fisica, se tu hai n oggetti, si avranno n² possibili collissioni” ovvero circa 10 miliardi. Era necessario creare un modello che potesse essere renderizzato velocemente, ma senza che perdesse troppa qualità così da essere utilizzabile. La Pixar ha quindi creato un nuovo algoritmo che mantenesse la qualità grafica di un PNG, ma con la compressione e il peso di un JPEG solo per l’animazione dei capelli.

Book Math in the MovieSpesso gli animatori di trovano a lavorare con modelli di scala e dettaglio di molto superiore a quelli utilizzati dai fisici per i loro calcoli. Gran parte del loro lavoro consiste nel trovare un algoritmo per diminuire la scala senza sacrificare il dettaglio. “Il regista può dire ‘oh, è solo un piccolo oggetto nello sfondo, non lo vedremo mai’… ma il regista mente” spiega DeRose. Se il regista dovesse poi cambiare idea, l’oggetto o il personaggio dovrebbero essere rifatti dall’inizio e sarebbe impossibile per la Pixar riuscire a rilasciare un film all’anno, anche con quattro squadre al lavoro in contemporanea.

Il più importante contributo di DeRose all’animazione digitale è stata la comprensione e realizzazione di un nuovo modo più veloce e pulito di realizzare curve ad alta fedeltà di definizione. “Si tratta di trasformare forme complicate in qualcosa di più semplice che un computer possa capire e definire“. Per anni questo è significato, sia in animazione che nella realizzazione di videogame, ricreare oggetti tridimensionali attraverso oggetti bidimensionali come facce o poligoni. Il problema di questo metodo, però, era, nel momento in cui si fosse visto l’oggetto troppo da vicino, il riconoscimento di questi poligoni con conseguente perdita di dettaglio e meraviglia.
Il trucco consisteva nel tradurre i poligoni in superfici curve che mantenevano un certo livello di dettaglio anche viste da vicino. Ma è comunque necessario definire le curve in modo veloce in modo che corrispondano ad un numero limitato di punti e piani e rimanga leggero da computare. È compito dei matematici e fisici studiare metodi e algoritmi perchè tutto questo avvenga in modo veloce e funzionale.
Shape Math
Il primo film a beneficiare di queste nuove tecniche fu il corto vincitore dell’Oscar “Il gioco di Geri” nel 1997. DeRose e il suo team continuano a lavorare per migliorare sempre più i loro algoritmi, ma adesso anche programmi Open-Source – quindi di libero utilizzo per il pubblico – come Blender, possono fare quello che fanno i motori della Pixar. “Avevamo un vantaggio di dieci anni sui nostri competitors” dice lo scienziato “Ma ora troviamo più utile lasciare che tutti possano contribuire”.

Il vantaggio della Pixar, ora, non è più quello di saper usare meglio questi motori basati su algoritmi matematici, ma di creare storie migliori. “Da qualche parte, la fuori, dei ragazzi lavorano nel loro garage usando e migliorando strumenti come Blender. Loro saranno la nuova Pixar

Fonti: The Verge

Giorgia R.

Giorgia Rizzoli si è laureata all'Accademia di Belle Arti di Brera a Milano in Nuove Tecnologie per l'Arte. Appassionata di Web e Motion Design, si occupa del sito di CommunicAnimation dove collabora anche come Web Master e Motion Designer

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