Teknik animasi mensimulasikan gerakan objek licin | Berita MIT

Animator dapat membuat karakter goyang, elastis, dan licin yang lebih realistis untuk film dan video game berkat metode simulasi baru yang dikembangkan oleh para peneliti di MIT.

Pendekatan mereka memungkinkan animator untuk mensimulasikan bahan karet dan elastis dengan cara yang menjaga sifat fisik material dan menghindari jebakan seperti ketidakstabilan.

Teknik ini mensimulasikan objek elastis untuk animasi dan aplikasi lain, dengan peningkatan keandalan dibandingkan dengan metode lain. Sebagai perbandingan, banyak teknik simulasi yang ada dapat menghasilkan animasi elastis yang menjadi tidak menentu atau lamban atau bahkan dapat rusak sepenuhnya.

Untuk mencapai peningkatan ini, para peneliti MIT menemukan struktur matematika tersembunyi dalam persamaan yang menangkap bagaimana bahan elastis berubah bentuk pada komputer. Dengan memanfaatkan properti ini, yang dikenal sebagai cembung, mereka merancang metode yang secara konsisten menghasilkan simulasi yang akurat dan setia secara fisik.

“Cara animasi terlihat sering tergantung pada seberapa akurat kami mensimulasikan fisika masalah,” kata Leticia Mattos da Silva, seorang mahasiswa pascasarjana MIT dan penulis utama sebuah makalah tentang penelitian ini. “Metode kami bertujuan untuk tetap setia pada hukum fisik sambil memberikan lebih banyak kontrol dan stabilitas kepada seniman animasi.”

Di luar animasi 3D, para peneliti juga melihat potensi penggunaan di masa depan dalam desain objek elastis nyata, seperti sepatu fleksibel, pakaian, atau mainan. Metode ini dapat diperluas untuk membantu para insinyur mengeksplorasi bagaimana objek yang melar sebelum dibangun.

Dia bergabung di atas kertas oleh Silvia Sellán, asisten profesor ilmu komputer di Universitas Columbia; Natalia Pacheco-Tallaj, seorang mahasiswa pascasarjana MIT; dan penulis senior Justin Solomon, seorang profesor di Departemen Teknik Elektro dan Ilmu Komputer dan Pemimpin Kelompok Pemrosesan Data Geometrik di Ilmu Komputer dan Laboratorium Intelijen Buatan (CSAIL). Penelitian akan dipresentasikan pada Konferensi Siggraph.

Jujur pada fisika

Jika Anda menjatuhkan bola karet di lantai kayu, ia memantul kembali. Pemirsa berharap untuk melihat perilaku yang sama di dunia animasi, tetapi menciptakan kembali dinamika seperti itu dengan meyakinkan bisa jadi sulit. Banyak teknik yang ada mensimulasikan objek elastis menggunakan pemecah cepat yang memperdagangkan realisme fisik dengan kecepatan, yang dapat mengakibatkan kehilangan energi yang berlebihan atau bahkan kegagalan simulasi.

Pendekatan yang lebih akurat, termasuk kelas teknik yang disebut integrator variasional, menjaga sifat fisik objek, seperti energi atau momentum total, dan, dengan cara ini, meniru perilaku dunia nyata lebih dekat. Tetapi metode ini seringkali tidak dapat diandalkan karena bergantung pada persamaan kompleks yang sulit dipecahkan secara efisien.

Para peneliti MIT mengatasi masalah ini dengan menulis ulang persamaan integrator variasional untuk mengungkapkan struktur cembung yang tersembunyi. Mereka memecahkan deformasi bahan elastis menjadi komponen peregangan dan komponen rotasi, dan menemukan bahwa bagian peregangan membentuk masalah cembung yang cocok untuk algoritma optimasi yang stabil.

“Jika Anda hanya melihat formulasi asli, tampaknya sepenuhnya non-cembung. Tetapi karena kita dapat menulis ulang sehingga cembung dalam setidaknya beberapa variabelnya, kita dapat mewarisi beberapa keuntungan dari algoritma optimasi cembung,” katanya.

Algoritma optimasi cembung ini, ketika diterapkan dalam kondisi yang tepat, datang dengan jaminan konvergensi, yang berarti mereka lebih cenderung menemukan jawaban yang benar untuk masalah tersebut. Ini menghasilkan simulasi yang lebih stabil dari waktu ke waktu, menghindari masalah seperti bola karet yang memantul kehilangan terlalu banyak energi atau meledak di tengah-tengah.

Salah satu tantangan terbesar yang dihadapi para peneliti adalah menafsirkan kembali formulasi sehingga mereka dapat mengekstrak cembung tersembunyi itu. Beberapa karya lain mengeksplorasi cembung tersembunyi dalam masalah statis, tetapi tidak jelas apakah struktur tetap solid untuk masalah dinamis seperti mensimulasikan objek elastis yang bergerak, kata Mattos da Silva.

Stabilitas dan efisiensi

Dalam percobaan, pemecah mereka mampu mensimulasikan berbagai perilaku elastis, dari bentuk memantul hingga karakter licin, dengan pelestarian sifat fisik yang penting dan stabilitas dalam jangka waktu yang lama. Metode simulasi lain dengan cepat mengalami masalah: beberapa menjadi tidak stabil, menyebabkan perilaku yang tidak menentu, sementara yang lain menunjukkan redaman yang terlihat.

“Karena metode kami menunjukkan lebih banyak stabilitas, itu dapat memberi animator lebih keandalan dan kepercayaan diri saat mensimulasikan sesuatu yang elastis, apakah itu sesuatu dari dunia nyata atau bahkan sesuatu yang benar -benar imajiner,” katanya.

Meskipun pemecah tidak secepat beberapa alat simulasi yang memprioritaskan kecepatan daripada akurasi, ia menghindari banyak trade-off yang dibuat metode tersebut. Dibandingkan dengan pendekatan berbasis fisika lainnya, ia juga menghindari kebutuhan akan pemecah yang kompleks, nonlinier yang bisa sensitif dan rentan terhadap kegagalan.

Di masa depan, para peneliti ingin mengeksplorasi teknik untuk lebih mengurangi biaya komputasi. Selain itu, mereka ingin mengeksplorasi aplikasi teknik ini dalam fabrikasi dan rekayasa, di mana simulasi bahan elastis yang andal dapat mendukung desain benda-benda dunia nyata, seperti pakaian dan mainan.

“Kami dapat menghidupkan kembali kelas lama integrator dalam pekerjaan kami. Dugaan saya adalah ada contoh lain di mana para peneliti dapat meninjau kembali masalah untuk menemukan struktur cembung tersembunyi yang dapat menawarkan banyak keuntungan,” katanya.

Penelitian ini didanai, sebagian, oleh MathWorks Engineering Fellowship, Kantor Penelitian Angkatan Darat, National Science Foundation, CSAIL Future of Data Program, Laboratorium MIT-IBM Watson AI, Wistron Corporation, dan Pusat Penelitian Bersama Toyota-CSail.