چگونه انیمیشن‌های پیکسار تکنولوژی‌های صنعت را دگرگون کردند؟ [قسمت اول]

بدون شک بسیاری از مخاطبان و دوستداران انیمیشن‌، آثار محبوب استودیو پیکسار مانند داستان اسباب‌بازی، کارخانه هیولاها، ماشین‌ها، در جست‌وجوی نمو و ... را تماشا کرده‌ و خاطرات شیرین بسیاری از آن‌ها در ذهن دارند. شاید گاهی در کنار تماشای انیمیشن به این فکر افتاده باشید که فریم به فریم این تصاویر و صحنه‌ها چگونه ساخته و پرداخته می‌شود.

بدون شک این تکنولوژی‌های کامپیوتری طی سال‌ها پیشرفت‌های زیادی داشته که همین امر نیز مستقیما روی صنعت انیمیشن‌سازی و کیفیت این آثار تاثیر داشته است. موهای روی بازوی سالی را از «Monsters, Inc»به یاد می‌آورید؟ متخصصان کامپیوتری پیکسار به جای اینکه تک تک موها را به صورت متحرک بسازند، برنامه‌ای به نام Fizt درست کردند که حرکت موهای سالی را بر اساس آنچه در هر صحنه اتفاق می‌افتد، به صورت خودکار تنظیم می‌کرد.

استودیو پیکسار بعدا از همین سیستم برای شبیه‌سازی موی واقعی روی شخصیت‌های حیوان مانند موش رمی و داگ (Dug the dog) استفاده کرد. هر فیلم انیمیشن پیکسار حداقل یک نوآوری چشمگیر را به ارمغان آورد که هر کدام آینده انیمیشن و فیلمسازی را به طور کلی تغییر داد. بیایید باهم ببینیم که هر اثر پیکسار چگونه دنیای انیمیشن را به آینده آورده است. گرافیک کامپیوتری در دهه ۸۰ میلادی به اندازه الان پیشرفته و سطح بالا نبود و برای ساخت آثار تمام انیمیشنی مانند «داستان اسباب‌بازی»، صنعت به نرم افزاری نیاز داشت که بتواند انیمیشن‌های پیچیده را به بهترین شکل برای مخاطبان ارائه دهد.

پردازش یا همان رندرینگ زمانی است که کامپیوتر تمام اطلاعات یک انیمیشن - الگوریتم‌های مختلف رنگ، حرکت، الگو، نور، سایه و جلوه‌ها را دریافت می‌کند و اساسا آن را به فیلم تبدیل می‌کند. در اواخر دهه ۸۰ ، برخی از محققان برتر پیکسار گرد هم آمدند تا RenderMan را طراحی کنند، برنامه‌ای که تمام دارایی‌های سه بعدی ایجاد شده برای هر فریم از یک فیلم را ترکیب می‌کند و آن‌ها را به یک تصویر نهایی با کیفیت فیلم و واقع‌گرایانه تبدیل می‌کند.

«داستان اسباب‌بازی» اولین فیلمی نبود که از RenderMan استفاده کرد، اما اولین فیلم بلند یک انیمیشن سه بعدی بود و تنها راهی که پیکسار می‌توانست کل فیلم را پردازش کند، استفاده رندرمن بود که نشان می‌دهد چگونه این نرم‌افزار، جهان انیمیشن‌سازی را دچار دگرگونی کرد. از آن زمان، RenderMan آخرین گام در تولید هر انیمیشن پیکسار و بسیاری از انیمیشن‌های غیرآن بوده است. در واقع، آن به یک استاندارد صنعتی برای پردازش و اولین محصول نرم افزاری بود که جایزه اسکار را دریافت کرد.

در سال ۱۹۹۸، عنوان A Bug's Life (زندگی یک حشره) چالش متفاوتی را ارائه کرد: خلق شخصیت هایی با بافتی صاف و حرکت های روان و واقعی. برای سال‌ها، مدل‌های سه بعدی، هم در فیلم‌های انیمیشنی CG و هم در بازی‌های ویدیویی، با چند ضلعی نقشه‌برداری می‌شدند. این باعث شد که برخی از شخصیت‌ها مانند اندی در «داستان اسباب‌بازی‌ها» دستش آن‌طور که باید دست انسان صاف و بی‌نقص نیست. بنابراین در «زندگی یک حشره»، هنرمندان پیکسار از تکنیک مدل‌سازی استفاده کردند که باعث شد انیمیشن کوتاه Geri's Game (بازی جری) برنده جایزه اسکار شود.

این تکنیک «تقسیم فرعی» نامیده می‌شد که یکی از بنیانگذاران پیکسار به ابداع آن کمک کرد. این تکنیک زمانی است که یک هنرمند مدل‌سازی لبه سخت شکلی را آنقدر تقسیم می‌کند که به صورت یک سطح صاف ظاهر شود. A Bug's Life اولین انیمیشن بلندی بود که از بخش فرعی استفاده کرد که به ویژه روی حشرات با سیستم بندی سخت بدن مانند مورچه‌ها برای ایجاد بافت‌های براق کار کرد. به لطف این تقسیم بندی فرعی است که امکان ایجاد این نوع از حشرات چاق و مرکب را فراهم کرد. این فناوری در نهایت تقریبا برای هر شیء در فیلم‌های پیکسار مورد استفاده قرار می‌گیرد و مانند RenderMan، تقسیم‌بندی فرعی به یک تکنیک استاندارد در صنعت تبدیل شد و بعدا به خلق شخصیت‌های CG در فیلم‌های لایو اکشن، مانند گالوم در فیلم‌های دوم و سوم Lord of the Rings کمک کرد.

اگر به شخصیت‌هایی مانند اندی در انیمیشن اصلی Toy Story نگاهی بیندازید متوجه می‌شوید که بدن او کمی شبیه به سطوح پلاستیکی روی اسباب‌بازی‌هایش بوده و فاقد هرگونه جزییات است. برای «داستان اسباب‌بازی ۲»، پیکسار می‌خواست به پوست بدن اندی، مادرش و انسان‌های جدید در داستان، ظاهر طبیعی‌تری بدهد، بنابراین استودیو یک افزودنی بزرگ برای RenderMan ایجاد کرد: یک سایه‌زن. این مجموعه ابزار اضافه شده به هنرمندان سایه‌انداز پیکسار کمک کرد تا لایه‌هایی از جزئیات را روی رندرهای اولیه شخصیت‌ها ترسیم کنند. آن‌ها می‌توانند مانند آرایشگران واقعی، ویژگی‌های پوستی منحصربه‌فردی مانند منافذ، رگ‌ها، عرق، قرمزی، جوش‌های سر سفید، خال‌ها، سبیل‌ها را به انسان بدهند که باعث می‌شود کمتر پلاستیکی و زنده‌تر به نظر برسند.

پیکسار مجبور شد برای .Monsters, Inc هیولاهای خزدار بسازد، از جمله سالیوان ۸ فوتی که نزدیک به ۳ میلیون تار مو روی بدنش داشت. متحرک‌سازی تک تک تارهای مو غیرممکن بود، به خصوص که سالی در بیش از ۶۰۰ صحنه ظاهر شد. بنابراین پیکسار یک بخش مجزا برای شبیه‌سازی راه اندازی کرد، راهی برای خودکار کردن حرکت عناصری مانند مو، خز و لباس. این تیم همچنین یک موتور شبیه‌ساز به نام Fizt ساخت که برای مثال نحوه حرکت مو با حرکات یک شخصیت یا نحوه واکنش جمعی موها به نیروهایی مانند جاذبه، باد یا برف را محاسبه می‌کند. پیکسار از آن زمان تاکنون از Fizt در همه فیلم‌های خود استفاده کرده است تا حرکتی واقع‌گرایانه به همه چیز از بدن انسان گرفته تا مکنده‌های اختاپوس بدهد.

پیکسار برای انیمیشن «در جستجوی نمو» به جهان زیر آب رفت، بنابراین استودیو مجبور شد ظاهر نوری را که از میان اجسام در اقیانوس می‌گذرد، مانند چندین هزار عروس دریایی به بهترین شکل دربیاورد. همانطور که ناظر CG لیزا فورسل گفت، تیم نمی‌خواست این عروس‌های دریایی به حالت شفاف، مانند یک پنجره، یا نیمه شفاف، مانند پرده دوش به نظر برسد. غشای آن‌ها باید شبیه شیشه حمام می‌بود، جایی که می‌توان از طریق آن ببینید، اما همه آن مخدوش و تار است. بنابراین پیکسار یک سیستم سایه‌انداز کاملا جدید به نام «Transblurrency» به میان آورد که پس‌زمینه اجسام را بر اساس عمق و فاصله آنها از بیننده محو می‌کرد و موقعیت دوربین و مسیرهای نوری را در معادله محاسبه می‌کرد. این در مورد نحوه شکست نور از طریق غشای عروس دریایی صادق است و همان جلوه پنجره حمام را که آن‌ها می‌خواستند به تصویر می‌کشد.

The Incredibles (شگفت‌انگیزان) اولین فیلم پیکسار با شخصیت‌های تمام انسانی بود و وقتی نوبت به ساختن آن شخصیت‌ها می‌رسید، هیچ‌کدام از آنها به معنای واقعی کلمه سخت‌تر از این یکی نبودند. باب که بیشتر به عنوان آقای شگفت‌انگیز شناخته می شود، عضلانی‌ترین شخصیتی است که پیکسار تا به حال خلق کرده است. بنابراین استودیو یک رویکرد کاملا جدید برای نشان دادن لایه‌های اسکلت، ماهیچه و چربی او ارائه کرد. این تیم نوعی تجهیزات عضلانی به نام Goo طراحی کرد که به پوست شخصیت اجازه می‌داد به عضلات متحرک آن‌ها پاسخ دهد. نکته بهتر و جالب‌تر این است که انیماتورها می‌توانستند این پاسخ را در زمان حرکت شخصیت خود ببینند.

این منجر به پیشرفت‌هایی در قسمت‌هایی از بدن شد که همیشه در انیمیشن مشکل‌ساز بودند، مانند شانه‌ها. تا این مرحله، پیکسار با شخصیت‌هایی که شانه‌های ابتدایی‌تری داشتند، کمی به مشکل می‌خورد. اگر به شخصیت باز (داستان اسباب‌بازی) دقت کنید، می‌بینید که شانه‌اش از یک توپ و سوکت تشکیل شده است، یا وودی که فقط یک پیوند در جایی که بازویش از بدنش جدا شده دارد.

با استفاده از Goo، انیماتورها می‌توانند بر حرکات ریز و پرجزییات شانه آقای شگفت‌انگیز تسلط یابند، مانند اینکه چطور ماهیچه ذوزنقه او بر عضله سینه‌ای او تأثیر می‌گذارد. هنگامی که تیم مدل‌سازی باب را کامل کردند، می‌توانستند از اسکلت او به عنوان یک الگو استفاده کنند، الگوی عضلانی را به تناسب سایر شخصیت‌ها تغییر شکل دهند و به آن‌ها حرکتی به همان اندازه پیچیده بدهد.

در زندگی واقعی، یک ماشین اگر هیچ انعکاسی روی سطح خود نداشته باشد، عجیب به نظر می‌رسد. اما تفسیر این حالت در انیمیشن می تواند پیچیده باشد، به خصوص برای فیلمی مانند ماشین‌ها (Cars). ماشین‌های براق روی ماشین‌های براق دیگر انعکاس می‌اندازد، که باعث می‌شود در صحنه‌هایی مانند این بازتاب‌های زیادی در آن ایجاد شود. تنها راهی که پیکسار توانست تمام این سطوح فلزی بازتابنده را بهترین شکل نشان دهد، رهگیری پرتو یا همان ray tracing بود، تکنیکی برای ترسیم تمام پرتوهای نور در یک صحنه در حالی که از دیوارها، اشیاء و شخصیت‌ها عبور می‌کند.

پیکسار برای اولین بار از رهگیری پرتو در دو نما از A Bug's Life برای ایجاد انعکاس روی یک بطری شیشه‌ای استفاده کرد، اما تنها با انیمیشن Cars بود که به بخش اصلی فرآیند رندرینگ تبدیل شد، جایی که از آن برای ایجاد سایه‌های تیز و جزئیات استفاده شد، بازتاب هایی که فیلمسازان به آن نیاز داشتند. این تکنولوژی در صنعت انیمیشن‌سازی یک تحول اساسی به وجود آورد.

ری تریسینگ همچنین به عناصر CGI در فیلم‌های لایو اکشن راه پیدا کرد و زمینه را برای نورپردازی پیچیده‌تر در فیلم‌های آینده پیکسار، مانند «دانشگاه هیولاها» فراهم کرد. همانطور که می‌دانید ری تریسینگ در بازی‌های ویدویی چند سال اخیر بسیار مورد استفاده قرار گرفته و یکی از قابلیت‌های مهم آن‌ به شمار می‌رود. در انیمیشن «راتاتویی»، همه غذاها باید کاملا خوشمزه به نظر می‌رسیدند. بنابراین تیم‌های سایه‌زنی، هنر و نورپردازی، عکاسی از غذا را مورد مطالعه قرار دادند تا بفهمند دقیقا چه چیزی باعث می‌شود غذا در لنز دوربین خوب به نظر برسد.

آن‌ها به این نتیجه رسیدند که بسیاری از جذابیت‌های بصری ظرف غذا به ظاهر طبیعی آن‌ها مربوط می‌شود که در نتیجه عبور نور از غذا ناشی می‌شود. بسیاری از غذاها در واقع نیمه شفاف هستند، به این معنی که مقداری نور از سطح مواد عبور می‌کند، به اطراف پراکنده می‌شود و سپس به عقب منعکس می شود. پیکسار قبلا راهی برای تکرار این اثر داشت، تکنیکی برای رندر کردن مواد نیمه شفاف که اس‌اس‌ال‌تی (Subsurface scattering) نامیده می‌شود. این تکنیک بخشی از رندرینگ سه‌بعدی و مکانیزمی برای انتقال نور است. در گرافیک کامپیوتری، این اصطلاح به متریال‌هایی اشاره می‌کند که در آنان، نور به درون سطح متریال نیز وارد می‌شود و به گونه‌ای از سطح آن، می‌گذرد.

این ابزار پراکندگی نور را از سطح غذا به سمت بیرون مدلسازی می‌کرد. اما سازندگان فیلم همچنان به دنبال ظاهری شفاف‌تر بودند و می‌خواستند نوری را که مستقیما از میان غذا عبور می‌کند نیز نشان دهند. بنابراین آنها نوع جدیدی از نور به نام Gummi را توسعه دادند که تا حدی شبیه به نمو در «در جستجوی نمو» است.

با استفاده از تکنیک پراکندگی زیرسطحی (Subsurface scattering)، می توانید لبه‌های بیرونی و لایه‌های بالایی را درخشا‌ن‌تر کنید. و در نهایت، با Gummi، نور به هر لایه پنیر نفوذ می کند تا درخشندگی لطیف و پراکنده‌ای به آن بدهد. آن‌ها از این روش در تمام قفسه‌های پنیر و سبزیجات و همچنین در مایعاتی مانند شراب استفاده کردند. پراکندگی زیرسطحی و Gummi با هم یک جلوه مات دو قسمتی ایجاد کردند که مطمئن شوند هیچ ماده غذایی به حالت موم‌مانند، سخت یا پلاستیکی روی صفحه به نظر نیاید.

در دوربین قدیمی پیکسار، هر شیب یا حرکت دو بعدی بدون تغییر در چشم‌انداز انجام می‌شد. اما سازندگان انیمیشن WALL-E می‌خواستند وقتی دوربین مجازی این کار را انجام می‌دهد، دیدگاه بیننده تغییر کند، بنابراین احساس می‌شود که دوربین واقعا در فضا حرکت می‌کند. بنابراین آن‌ها سیستم دوربین خود را بازسازی کردند و از روش قالب آنامورفیک الگوبرداری کردند و با یک فیلمبردار لایو اکشن مشورت کردند، اولین قدم که برای هر فیلم پیکسار انجام می‌شود. اولین بار این روش طوری طراحی شده بود که انگار از روی شانه یک اپراتور دوربین گرفته شده است و قسمت‌های دوم و سوم قرار باید به طوری به نظر می‌رسید که انگار با استدی‌کم فیلمبرداری شده است.

از آنجایی که یک دوربین در زندگی واقعی هرگز به طور کامل حرکت نمی کند، اندرو استنتون (یکی از کارگردان‌های پیکسار) گفت که تیم او احتمالا ۹۰٪ از زمان خود را صرف گذاشتن کمی عیب و نقص در دوربین مجازی کردند که طبیعی‌تر به نظر برسد. نماهایی وجود دارند که تمرکز با تاخیر انجام می‌شود، نماهایی با کمی ضربه در حرکت دوربین ردیابی می شوند، و صحنه‌هایی هستند که احساس می‌شود فیلمبردار چیزی را می‌بیند و چند فریم بعد آن را می‌گیرد. در انیمیشن Up، سایبان بالون‌های کارل در خط داستانی نقش اساسی دارد.

آن شامل هزاران بادکنک رنگارنگ بود که هر کدام توسط یک ریسمان به دودکش خانه کارل متصل بودند و در هر لحظه هزاران برخورد در جریان بود. هنگامی که یک بالون به دیگری برخورد می‌کرد، بالون دوم به بالون سوم و همینطور ادامه داشت. در آن زمان، شبیه‌ساز فیزیکی پیکسار تنها می‌توانست حدود ۵۰۰ بالون را اداره کند، بنابراین بخش جلوه‌های ویژه برنامه جدیدی درباره محرک شبیه‌ساز نوشت.

با استفاده از قوانین حرکت نیوتن، کامپیوتر نیروهای وارد بر بادکنک‌ها را در هر صحنه محاسبه کرد و سپس تصمیم گرفت که هر بالون چگونه حرکت کند. همچنین مطمئن شد که همه بادکنک‌ها شناور باشند، رشته‌های آن‌ها به هم متصل و باد به شیوه‌ای واقع‌گرایانه برای هر فریم انیمیشن از میان آن‌ها بورزد. در نهایت، شبیه ساز پیکسار به اندازه کافی قدرتمند بود که بتواند ۱۰۲۹۷ بالن را مدیریت کند. «داستان اسباب‌بازی ۳» گروه بزرگ‌تری از شخصیت‌ها را گرد هم آورد - سه برابر بیشتر از فیلم اصلی. پوشاندن لباس همه آن‌ها کار آسانی نبود، به خصوص هنگام معرفی شخصیت‌هایی مانند بانی، که سه لباس مختلف در فیلم می‌پوشد، یا کن، که در هر صحنه لباس عوض می‌کند.

برای پوشاندن لباس به همه آن‌ها، پیکسار به روشی سریع‌تر برای تولید لباس نیاز داشت. به طور سنتی، این استودیو از یک سیستم خیاطی دوبعدی استفاده می‌کرد که هنرمندانی با مهارت‌های خیاطی خاص لازم داشت تا تکه‌های پارچه را برش داده و آن‌ها را در کامپیوتر به هم بچسبانند. Toy Story 3 از یک سیستم پارچه‌ای سه بعدی جدید استفاده کرد که به هر هنرمند مدلینگ و نه فقط یک خیاط دیجیتالی خبره، اجازه می‌داد لباس‌هایی را مانند یک خیاط در دنیای واقعی طراحی و سپس آن را به لباس‌های قابل شبیه‌سازی تبدیل کند. از آنجایی که طراحان بیشتری می‌توانستند لباس بسازند، هنرمندان پیکسار می‌توانستند به بیش از ۳۰۰ شخصیت انیمیشنی برای «داستان اسباب‌بازی ۳» در مقایسه با ۷۶ شخصیت در فیلم اول آن لباس بپوشانند.

سازندگان انیمیشن Cars 2 آن را به‌عنوان یک فیلم جاسوسی به سبک «جیسون بورن» تصور کردند که در آن اتومبیل‌ها از لندن تا توکیو به مسابقه می‌پردازند. آن‌ها می‌خواستند این تنظیمات را با سطحی از جزئیات بازسازی کنند که ۱۰ برابر بیشتر از چیزی بود که پیکسار در آثار دیگر خود قرار داده بود. برای یکی از بزرگ‌ترین سکانس‌های انیمیشن، این به معنای ایجاد پیشرفت‌های خاصی در نحوه نمایش امواج توسط پیکسار بود. فناوری «در جستجوی نمو» برای آب‌های آرام‌تر مناسب‌تر بود، اما در انیمیشن «ماشین‌ها ۲»، سازندگان فیلم می‌خواستند امواج خشن و بلندی را نشان دهند که به دو طرف قایق برخورد می‌کنند.

آنها یک مولد اقیانوس به نام Tessendorf را ابداع کردند که از الگوریتم‌هایی برای شبیه‌سازی امواج تیزتر استفاده می‌کرد که خطر سطح متلاطم اقیانوس را به تصویر می‌کشید. با این کار، پیکسار می‌توانست فیزیک جهان طبیعی را بهتر منتقل کند و شبیه‌سازی آب خود را به سطح بالاتری برساند. شبیه سازی دقیق و واقع گرایانه به مشخصه اصلی پیکسار تبدیل شد و با موهای مجعد در انیمیشن «شجاع» ادامه یافت.

در قسمت بعدی مقاله به ادامه این تکنولوژی‌های فوق‌العاده در انیمیشن‌های پیکسار خواهیم پرداخت.