星际：在黑洞和tesseract

我叫Andrey Kolokoltsev。就活动类型而言，我一直对着名的导演，制片人和工作室如何应对某些视觉图像的创作感兴趣。在我的第一本出版物中，我选择了一部电影，这对我来说是一个视听的启示和一种真正的情感吸引力（当在家里的IMAX屏幕上看电影时，我的印象中有2/3在电视上消失了）。您不必惊讶，因为标题已经读完了一切-这是克里斯托弗·诺兰（Christopher Nolan）的电影《星际穿越》。尽管对他的兴趣已消退了很长时间，但我还是想提请您注意麦克·西摩（Mike Seymour）的原始文章“星际穿越：黑艺术内部”的免费翻译。日期为2014年11月18日。本文讨论了影片中“ Gargantua”和其他场景的可视化是如何创建的-我认为即使在1.5年后，这对读者也会很有趣。


星际导演克里斯托弗·诺兰解释马修·麦康纳量子物理学的基础是幕后

特技效果和计算机图形学部门的工作人员经常面临着创建从未见过的事物可视化的需求。尽管事实上，没有人真正知道它的外观，但现代电影业也要求使它们看起来都真实。在克里斯托弗·诺兰（Christopher Nolan）的《星际》（Interstellar）电影中，特效总监保罗·富兰克林（Pau​​l Franklin）和Double Negative团队不但要从维度上创造事物的可视化效果，而且不仅要尽可能接近量子物理学和相对论力学，还要符合我们的共同理解量子引力。

幸运的是，拥有牛津大学光学和原子物理学学位的高级研究员Oliver James以及对爱因斯坦相对论定律的深刻理解成为Double Negative核心团队之一。像富兰克林一样，他与首席制片人和研究顾问基普·索恩（Kip Thorne）合作。索恩必须计算复杂的数学方程式，然后将其发送给詹姆斯，以翻译成高质量的渲染图。这部电影的要求不仅让James看到了解释光的弧形轨迹的计算结果，而且使在穿过黑洞的过程中改变其大小和形状的光线的横截面形象化。

James的代码只是整个解决方案的一部分。他与艺术团队的负责人，计算机图形效果主管Eugene von Tanzelman携手合作，他添加了一个吸积盘，还创建了一个星系和星云，当它们发出的光通过黑洞时就会扭曲。演示一个人如何进入一个带有小女孩房间的三维空间的三维空间通道的任务同样艰巨，而所有这些操作都使观看者了解屏幕上正在发生的事情。

在本文中，我们将讨论Double Negative创造的一些关键人员，以及他们之前的研究。请注意，将来的材料可能会损坏。

黑洞制作

Gargantua黑洞的图像也许是实现诺拉诺夫最大现实主义目标的最重要成就之一。在获得索恩的意见后，电影制片人竭尽全力展示了黑洞和虫洞中光线的行为。对于Double Negative，此任务需要编写一个全新的物理渲染器。


在黑道的圆形赤道轨道上从相机观看的图像，其最大旋转速度为0.999。相机的位置为r = 6.03 GM / c ^ 2，其中M是黑洞的质量，G和c分别是牛顿常数和光速。黑洞事件视界位于距离r = 1.045 GM / c ^ 2。

保罗·富兰克林说：“基普向我解释了黑洞周围空间的相对论曲率。时间扭曲的引力使自身的光线偏转，从而产生了一种现象，称为爱因斯坦透镜，即黑洞周围的引力透镜。那时我在考虑如何创建这样的图像，并且有任何可以依靠的具有类似图形效果的示例。”

富兰克林补充说：“我研究了科学界创造的最基本的模拟，而且我认为，好吧，这种东西的移动是如此复杂，以至于我们必须从头开始制作自己的版本。然后，Kip开始与我们的首席研究员Oliver James及其部门紧密合作。他们使用Kip的计算来获取黑洞周围的所有光路和光线跟踪路径。此外，奥利弗（Oliver）致力于解决紧迫的问题，以及如何使用我们的新DnGR渲染器（双重负广义相对论）使一切变为现实。”

对于新的渲染器，需要为其数字黑洞设置所有最重要的参数。 “我们可以设置速度，质量和直径，”富兰克林解释说。 “从本质上讲，这是您可以在黑洞中更改的仅有的三个参数-也就是说，我们只需对其进行测量即可。我们花费了大量时间来研究如何计算黑洞周围的光束路径。所有的工作都花了很大的时间-六个月来，他们写了软件。我们有黑洞的早期版本，正好在电影的预制期结束之前。”


0,999 ; 10 GM/c^2 r=2.60 GM/c^2, . - .

这些早期的图像以巨幅画的形式用于船外的背景-因此演员在拍摄期间有一些需要注意的地方。也就是说，没有使用单个绿色屏幕，后来Double Negative员工将使用过的早期图像替换为最终的图像，从而校正了一些星团。富兰克林指出：“大多数镜头是由于您在电影的租借版本中看到的宇航员的肩膀所致，”富兰克林指出，“这是真实的镜头。 “尽管有很多工作要创建，但我们有很多框架并未包含在具有视觉效果的框架的一般列表中。”

借助Double Negative和医学博士Hoyte Van Hoytem的合作，这些“直接”的相机拍摄成为可能。为了照亮获得的背景图像，使用了探照灯，每个场景的总光通量为40,000流明。”


相同的模拟只会更大。在这里，通过重力透镜的星空光线结构清晰可见。在黑洞的边缘，地平线以接近光速的速度向我们移动。

“我们需要根据场景的任务移动并重新配置探照灯，”富兰克林继续说，“通常，可能需要花费整整一周的时间来正确设置所有内容，但在某些情况下，所有内容都必须在15分钟内准备就绪。这些人非常努力，因为聚光灯是巨大的笨拙巨像-每个重约270公斤。我们在大型电动绞盘上安装了两个特制的笼子，能够分别沿展馆和在展馆内移动，我们可以用它来布置聚光灯。通过对讲机，我向聚光灯下的家伙们讲了如何校准它们，同时与管理叉车的人交谈，冲向人烟稠密的现场。”

造浪

在电影中，库珀（马修·麦康纳奇），阿米莉亚（安妮·海瑟薇），道尔（韦斯·本特利）和AI机器人凯斯探访了一个完全被水覆盖的星球，由于它们非常接近Gargantua，所以波浪在其上达到了异常的大小。观众已经在其他电影中看到了三十米的波浪，但是根据历史，这还远远不够-根据场景，波浪的高度应该超过一公里。为了让观众感受到这种高度，Double Negative必须重新考虑制作水的标准方法。富兰克林解释说：“当您拿起如此巨大的物体时，与波浪相关联的所有特征，例如破碎机和顶部的卷曲，随着它们相对于如此大量的水而变得不可见，它们便会消失，也就是说，波浪变得更加相似在水面移动的山上。这就是为什么我们花大量时间进行预可视化，并思考如何使用如此规模的海浪和被它们冲走的游侠太空飞船的原因。场景中最重要的时刻是波浪抓住游侠并将其抬高到水面之上的时刻。您会看到船如何沿着波浪向上运动，变小并突然完全迷失在船上。这是感觉正在发生的事情规模的关键时刻。”这是感觉正在发生的事情规模的关键时刻。”这是关键时刻，可以感受到正在发生的事情的规模。


安妮·海瑟薇（Anne Hathaway）作为水上星球上的阿米莉亚（Amelia），

Double Negative艺术家通过变形器的动画控制了波浪，有效地将其更改为每个关键帧。 “它给了我们基本的波形，”富兰克林说，“但是要使这张照片看起来真实，我们需要添加表面泡沫，交互式飞溅，水漩涡和飞溅。为此，我们使用了名为Squirt Ocean的内部开发工具。当然，在那之后，胡迪尼还有很多工作要做。”

帧是在高分辨率IMAX中创建的。此要求在某种程度上限制了为所有可能的Double Negative迭代分配的时间。 “我看着波浪动画的那一部分，说：“太好了，让我们添加其他内容，”富兰克林笑着说，然后我不得不等待大约一个半月，然后所有这些又回到我身边-如此漫长的过程是由于IMAX分辨率所致。如您所知，我们不能白白浪费时间，因为通常将整个过程分为许多次迭代，而那时我们最多只有三个。”

CASE机器人及其救助Amelia及其TARS机器人实际上是由冰岛艺术家Bill Irwin控制的80公斤金属娃娃。克里斯托弗·诺兰（Christopher Nolan）希望电影尽可能多地包含真实元素，而不是像绘制这么多元素一样，而是将Double Negative移除以移除机器人背后的艺术家。

当KEYS重新配置以通过水，然后滚动到Amelia，抓住并拿走它时，在框架中组合了两个决定：实用和数字。富兰克林说：“在这张照片中，有一个小型的水钻台，安装在四轮摩托上。也就是说，我们可以“穿越”水面，并获得精彩的互动飞溅。同样在ATV上，我们有一个带有机械臂的特殊升降机，我们可以在该升降机上运输安妮·海瑟薇的双人。也就是说，整个结构去了，然后“砍掉”了水，我们只需要从图像中删除水，然后将其替换为数字版本的机器人即可。”

Double Negative试图限制使用数字机器人做异常事情的时间。这样的时刻在水里奔流，使机器人降落在船上，沿着冰川奔跑，有些时刻没有重力。“我们很久以前就注意到，只有将数字时刻与真实时刻结合起来，才能使数字时刻发挥作用，”富兰克林说，“例如，在该段末尾机器人进入船的框架中我们已经看到了机器人的真实版本，而不是数字版本。也就是说，场景以真实的帧结束，这有助于感觉到场景是真实的。”

内镜

在电影中，一个“他们”原来是“我们”，只有足够先进才能帮助库珀与几年前在地球上的女儿取得联系。由于在量子定律和相对论定律的宇宙中不可能进行时间​​旅行，因此历史解决了这个问题，因此库珀离开了我们的三维空间，进入了高阶超空间。如果我们的宇宙显示为2D磁盘或膜，则超空间将是三维围绕该膜的盒子。理解这一点的方法是，每个尺寸需要少显示一个尺寸。因此，三维空间被绘制为2D磁盘，并且该磁盘周围的三维环境（物理学家称其为Brane）比膜高一维。


吉普·索恩（Kip Thorne）拍摄的一张图片，解释了什么是麸皮和

薄膜，在影片中，迈克尔·凯恩（Michael Kane）的角色布兰德教授正在试图解决引力异常。在胶片的板上，可以清楚地看到解决4维和5维问题的尝试。这部电影说，如果布兰德能理解这些异常现象，它们就可以用来改变地球上的引力，并抬起巨大的结构，将人类拯救到太空中。

虽然从三维空间过渡到三维空间并不能解决时空旅行的问题，但在影片中，这使库珀能够将重力波及时返回。他可以随时看到，但是只能在这些时间长度上引起波动-库珀的女儿墨菲（Murphy）试图理解的引力波动。

Double Negative团队的工作是从视觉上展示未来“我们”提供给Cooper的四维网格，以便他能够引起引力波。如果以象征意义或做梦，这将很容易实现，但Double Negative小组决定以更具表现力的形式可视化四维tesseract，创建了一个当然可以作为假设的概念，但它甚至可以用于训练。正是在这一刻，索恩再次出现。


基普·索恩（Kip Thorne）公式可在四个和五个维度上解释重力。请注意，这里“我们的”麸皮夹在两个替代现实或其他麸皮之间。

要了解Double Negative解决方案，有必要了解高阶维度的性质。如果物体在静止，例如，一个球-在二维空间中-这是一个圆形；对于一维-一条线。如果您在三维空间中看这个圆，那么我们将看到一个球（球）。但是，如果我们进入四维空间，他会发生什么？作为我们日常思考基础的理论之一是将第四空间呈现为时间。事实证明，在无限短时间内，同一球，但不是静止的，而是跳跃的，与同一球一样可见。但在整个旅程中，他以带半球形边缘的管状形式创建了一个人物。也就是说，在四维空间中，球是管道，球体是此四维图形的三维投影。

例如，如果三维空间中的多维数据集随时间改变其形状，则它将在四维空间中被描述为一个盒子，最终它会长成一个大盒子，在整个存在过程中显示三维盒子的所有状态。可以对其进行动画处理并更改其形状，如以下视频所示：



根据电影的逻辑，如果您进入这种tesseract，则可以在其存在的任何时刻看到三维空间，例如以回溯到过去和未来的线条形式。此外，如果考虑到存在无限数量的平行现实的假设，您将看到进入无限多个方向的所有可能的平行现实的所有线。这正是工作室使用的四维空间的概念解决方案。库珀看到的时间“线”看起来像弦，触摸它们，他会引起重力振动，从而与女儿交流。这确实是艺术科学可视化的辉煌作品！

但是如何拍摄呢？

诺兰（Nolan）在创作视频时，演员应与环境互动的装置也扩展到了tesseract。库珀陷入黑洞后，发现自己处于一个四维空间，在其中他可以看到任何物体及其时间的“线索”。富兰克林说：“克里斯说，尽管这是一个非常抽象的概念，但他真的很想构建我们可以在现实中拍摄的东西，他希望看到马修与”线程”进行物理交互。在真实空间中的时间，而不是在绿屏前晃来晃去。”

这促使富兰克林考虑如何实现可视化。他说：“我花了大量时间思考如何在现实空间中实现所有这些。如何在一个房间中显示所有物体的所有这些临时”螺纹”，并在物理意义上使其清晰明了。确实，危险之处在于空间中会充满“线程”，以至于您必须弄清楚如何突出其中的必要时刻。另外，极为重要的是，库珀不仅要看到时间的“线索”，还要看到他们对互动的反应，同时他还可以与女儿房间里的物体进行互动。”



“开放式网格结构”的最终外观正是受tesseract概念的启发。 “ Tesseract是三维超立方体的三维投影。它具有漂亮的格子状结构，因此我们大致了解了该怎么做。长期以来，我一直在研究狭缝扫描照片的扫描，以及这种技术如何让您始终显示空间中的同一点。摄影本身将时间变成了最终图像的一维。这种拍摄技术与tesseract的格子结构的结合，使我们能够创建时间的这些三维“线”，就像从物体上流出一样。房间是照片，是建立在时间“线”的格子结构中的时刻，在其中，库珀可以通过来回移动来寻找合适的地方。”

“我们完成了此物理模型的一个部分，周围有四个重复的部分，” Franklin说，“然后，在计算机上，我们将这些部分乘以无穷大，以至于无论您在哪里看，它们都会进入永恒。此外，在拍摄过程中，我们使用了大量真实的投影。我们使用投影仪将活跃的时间“线”放在真实部分下。这给了我们颤抖和发热的感觉-所有信息沿着这些“线程”从一个部分流到另一部分，反之亦然。但是，当然，电影最终版本的每张图像都包含大量内置于场景中的数字效果。”



但是有些观点迫使Double Negative完全切换到数字视觉效果-例如，这一刻就是库珀在tesseract隧道中的移动。 “我们没有足够的肋骨部分来捕捉这一动作，所以我们在投影屏幕上拍摄了马修，在他周围显示了该场景的可视化图像的预清洁版本，因此他可以与之互动，”富兰克林说，“演员们疯狂地喜欢这一切，因为与在绿色屏幕上制作广告或电影相反，他们有一些值得一看的地方。后来，我们用高质量的最终版本替换了该版本，只是在离开最终版本的一小段时间内，因为它最终变得模糊不清并且不可见。”

富兰克林还指出，完成这些场景需要大量的数字效果，十字消除和大量的旋转摄影（roto，rotopaint）。在实施完全使用计算机图形制作的效果时，还存在某些困难。例如，在tesseract关闭并开始塌陷的部分。 “我们采用了tesseract的计算机几何，并将其通过超立方体的旋转传递。他们致力于如何实现超立方体旋转的变换并将其直接应用于我们创建的tesseract的几何形状。对我来说，这是一个特殊的时刻。当我看到结果时，我意识到它是完美的，正是我想要的。”

根据富兰克林的说法，另一个困难的部分是当库珀与尘埃相互作用并在暴风雨期间在地板上绘制二进制代码的那一刻。“我们必须配合马修在地上的动作，使它们与真正使这些形式出现在他前面房间地板上的东西互动。”

谢谢你 希望您有兴趣，我们下次会与您见面，讲述克里斯托弗·诺兰（Christopher Nolan）试图避免的事情-锁定。

Source: https://habr.com/ru/post/zh-CN391845/