Efekty specjalne w filmie Avatar

Avatar to przełomowy film fabularny zrealizowany w stereoskopowej technice 3D przez Jamesa Camerona i studio Twentieth Century Fox, który w premierowy weekend (18 grudnia) zarobił 232 miliony dolarów. Film zawiera niezwykle szczegółowe sceny oraz mnóstwo wirtualnych postaci, poruszających się w wygenerowanych komputerowo środowiskach.

Mająca swoją siedzibę w Wellington w Nowej Zelandii firma Weta Digital, główny dostawca efektów specjalnych w tym filmie, jest od dawna klientem firmy NVIDIA®, wykorzystującym w procesie produkcyjnym zarówno profesjonalne rozwiązania graficzne Quadro®, jak i rozwiązania dla obliczeń o wysokiej wydajności Tesla™.

Przed firmą Weta postawiono zadanie stworzenia sekwencji filmowych zawierających aż 800 w pełni wygenerowanych cyfrowo postaci poruszających się w wystylizowanych, sztucznych środowiskach. Moc obliczeniowa wymagana do obróbki ujęć z filmu Avatar była większa, niż jakikolwiek projekt realizowany do tej pory przez Weta, zwróciła się więc ona po pomoc do firmy NVIDIA, wynalazcy procesorów graficznych (GPU).

Sebastian Sylwan, szef działu badawczego w Weta, powiedział: „Złożoność Avatara sprawiła, że pomyśleliśmy o renderingu w inny sposób. Wykonujemy nasze końcowe renderingi za pomocą RenderMana, ale aby zoptymalizować tak ogromną ilość danych, przenieśliśmy większość obliczeń do fazy przedobliczeniowej. Głównym problemem, który musieliśmy rozwiązać, nie były kwestie renderingu, ale obliczeń o wysokiej wydajności. Zdaliśmy sobie sprawę, że wykorzystanie mocy obliczeń masowo równoległych wykonywanych przez GPU to dziedzina, na której NVIDIA zna się najlepiej”.

W marcu 2009 roku Paul Ryan, szef działu technologicznego w firmie Weta skontaktował się z Jacopo Pantaleonim, badaczem z działu NVIDIA Research, aby omówić wyzwania stojące przed obiema firmami. „Paul uświadomił mi, że, po raz pierwszy w historii komputerowych efektów specjalnych, wymagana liczba wielokątów liczona będzie nie w milionach, ale w miliardach”, powiedział Pantaleoni. „Luca Fascione, kierujący w Weta działem renderingu i rozwoju, zaproponował unikatowe podejście – chciał stworzyć skalowalne rozwiązanie, pozwalające na raytracing wszystkich wielu tysięcy elementów”. Pantaleoni i NVIDIA Research przyjęli jego pomysł i zaczęli projektować rozwiązania dla tego złożonego wyzwania.


ROZWIĄZANIE:

Dział rozwojowy Weta i NVIDIA Research rozpoczęli współpracę, zaś Pantaleoni na kilkanaście miesięcy przeniósł się do Nowej Zelandii i pilnował procesu tworzenia oprogramowania do raytracingu, które mogłoby podołać miliardom wielokątów wymaganych przez złożone sekwencje filmu Avatar.

NVIDIA i Weta opracowały wspólnie nowy silnik przedobliczeniowy, nazwany PantaRay, pozwalający włączyć obliczenia o wysokiej wydajności do potoku produkcyjnego firmy Weta. Wydajny system raytracingu zaprojektowany został specjalnie tak, aby przyspieszać obliczenia zasłonięć w potoku renderującym Wety, pozwalając na szybkie ponowne obliczanie oświetlenia obiektów.

Innowacyjne podejście pozwoliło Wecie na renderowanie bardziej złożonych scen w krótszym czasie, przy jednoczesnym zmniejszeniu zapotrzebowania na pamięć i liczbę procesorów. W rezultacie artyści mogli szybciej wprowadzać zmiany szybciej, co pozwoliło na osiągnięcie fotorealistycznych efektów o wyższej jakości. Dzięki współpracy firmy NVIDIA, Weta mogła generować sceny, których wyprodukowanie było wcześniej niemożliwe ze względu na czas i koszty.

Osiągnięte ze współpracy korzyści spowodowały, że Weta zdecydowała się wykorzystać technologię NVIDIA w jeszcze większym zakresie. NVIDIA przeportowała silnik PantaRay firmy Weta do wersji CUDA, działającej 25 razy szybciej dzięki wykorzystaniu serwera GPU Tesla S1070 zamiast tradycyjnych serwerów opartych na CPU.


WPŁYW:

Ujęcie ilustrujące efekty osiągnięte przez Weta dzięki silnikowi PantaRay zobaczyć można w zwiastunie filmu http://www.youtube.com/watch?v=cRdxXPV9GNQ
Ujęcie z helikoptera pokazujące setki stworzeń lecących nad wodą z wielką zalesioną górą w tle zostało obliczone dzięki PantaRay w zaledwie półtora dnia. „Takie ujęcie mogłoby zająć tydzień, jeśli zastosowalibyśmy poprzednie metody”, powiedział Fascione. „Dzięki temu, że praca z PantaRay była o tyle szybsza, mogliśmy opracować znacznie ładniejsze ujęcie – szczegóły można dostrzec dosłownie na każdym krzaku i liściu. Rozdzielenie kolorów pomiędzy planami jest jasne i wyraźne. Moc obliczeniowa PantaRay naprawdę ma znaczenie”.

Uruchomiony na GPU, proces raytracingu w silniku PantaRay był 25 razy szybszy niż wtedy, gdy działał na tradycyjnych procesorach, zaś ogólny proces obliczeń wstępnych trwał 10 razy krócej. „Jeśli zastanowić się, ile czasu zajęłoby opracowanie scen o takiej złożoności tradycyjnymi metodami, to najprawdopodobniej nowa metoda jest około 100 razy szybsza”, powiedział Sylwan.

Weta Digital zamierza wykorzystać silnik PantaRay działający na procesorach graficznych NVIDIA Tesla także podczas prac nad nadchodzącym filmem Tintin, produkowanym przez Stevena Spielberga i Petera Jacksona. Firma zamierza także opracować nowe sposoby przyspieszania procesu produkcyjnego za pomocą silnika PantaRay i procesorów graficznych.

„Współpraca z takimi grupami jak dział badawczy firmy Weta powoduje, że mamy do czynienia z najnowocześniejszą technologią produkcyjną”, powiedział Dominick Spina, menedżer cyfrowych technologii filmowych w firmie NVIDIA. „Praca z Weta nad filmem Avatar była niezwykłym wyzwaniem. Przy opracowywaniu PantaRay koncentrowaliśmy się na konkretach, nie było mowy o abstrakcjach”, dodał. „Będziemy nadal współpracować z wiodącymi firmami zajmującymi się efektami i animacją, dzieląc się naszą wiedzą przy rozwiązywaniu najbardziej złożonych problemów technologicznych, dzięki czemu artyści zyskują większą wolność tworzenia”.