Thế giới của đồ họa vật lý trong kỹ xảo điện ảnh – P2

3
199

Xin chào các bạn, chúng ta lại gặp nhau trong chuyên đề giới thiệu về hiệu ứng mô phỏng vật lý trong Kỹ xảo điện ảnh. Trong phần một của bài chia sẻ, kyxaodienanh.com đã chia sẻ với các bạn câu chuyện về những bí mật hậu trường, thế giới của SFX và VFX, những điều tuyệt vời nhất và những khiếm khuyết của cả hai công nghệ, sự bổ sung lẫn nhau. Trong phần chia sẻ tiếp theo này chúng ta sẽ tìm hiểu sâu hơn về VFX trong loạt bài Thế giới của đồ họa vật lý. Chủ đề lần này sẽ làcác mô phỏng vật lý tan vỡ và cháy nổ.

Đồ họa vật lý trong kỹ xảo điện ảnh – hiệu ứng cháy nổ

Kỹ xảo hiệu ứng cháy nổ – Fluid Dynamic

Trước khi ta nói về khói lửa, thì chúng ta sẽ tìm hiểu một chút về cội nguồn của nó trong khoa học máy tính, chính là Particle (hạt). Particle là một thuật ngữ chỉ một đối tượng ảo, được tạo ra nhằm giả lập một vật thể nhỏ, được xác định vị trí trong không gian, nó có thể được gán nhiều đặc tính vật lý hoặc hóa học như khối lượng hoặc thể tích. Trong đời thường, những vật thể nhỏ, có khối lượng và tác động lên môi trường xung quanh không đáng kể như cát, bụi, hoặc những vật thể không có cấu trúc và hình dạng nhất định đều được xem là một hạt. Ý tưởng về Particle được sử dụng nhiều trong các mô hình mô phỏng thiên nhiên, để giải quyết các hiện tượng phức tạp trong thế giới như hiện tượng quần tụ trong vũ trụ, bản chất kết cấu, hình dáng, tốc độ xoay của các thiên hà, hay nhỏ hơn là bão tố…

Phát kiến lần đầu tiên khi hai nhà khoa học Francis Sears và Mark Zemansky tạo ra để nghiên cứu, trong cuốn University Physics. Khi hai ông đang nghiên cứu về sự rơi và cách tương tác với môi trường xung quanh của một quả bóng chày. Bắt đầu họ cho quả bóng chày rơi tự do xuống sàn, sau đó họ dần dần loại bỏ các đặc tính cơ bản của nó như hình cầu tròn, khả năng xoay, ma sát… cuối cùng là nghiên cứu phương pháplàm giảm các vấn đề về quỹ đạo bay của đạn. Khi mô phỏng trên máy tính, nghiên cứu không còn đơn giản ở một hạt nữa, mà là hàng nghìn hạt khác nhau, ngẫu nhiên va chạm vào nhau. Sự tương tác ngẫu nhiên giữa các hạt tạo ra nhiều vấn đề mà với các phương pháp thí nghiệm bình thường, ta không thể làm được như sự tương tác của các hạt cơ bản, neutron, electron và proton, cho đến cát, bụi, và hơn nữa là các tiểu hành tinh, các ngôi sao, tinh vân… Nhờ những nghiên cứu khoa học này, ta mới có đỉnh cao của công nghệ mô phỏng vật lý như hiện nay.

Nếu các bạn đã từng làm quen với After Effect, có lẽ các bạn cũng biết đến cái tên Trapcode Particular của Red Giant, một gã khổng lồ trong giới hiệu ứng kỹ xảo 2D. Đây cũng được xem là một phần mềm mô phỏng vật lý, nhưng với các thuật toán đơn giản, không nhằm vào mục đích chuyên sâu, mà chỉ dùng để thay thế cho một số hiệu ứng đơn giản.

Để tạo ra các hiện tượng tự nhiên phức tạp hơn, người ta dùng các phần mềm 3D để mô phỏng. Các phần mềm này bao gồm những cái tên nổi tiếng như Maya, 3Ds Max, Softimage, Blender, Solidworks, Cinema4D… Hầu hết đều có khả năng thực hiện những mô phỏng vật lý và rất nhiều phần mềm đính kèm (Plugins) cũng có sức mạnh rất lớn. Với 3Ds Max thì có FumeFX, PhoenixFD, với Maya thì có Slipstream, Naiad, Fluid Effect… tất cả những phần mềm kể trên đều dùng để tạo hiệu ứng khói và lửa. Tuy nhiên nếu xét về chất lượng và hiệu năng thì FumeFX là một cái tên đứng đầu thế giới về mảng mô phỏng khói lửa. Được sử dụng trong các phim bom tấn như 2012, Avatar, Transformer, Avenger… FumeFX được các nhà làm phim rất tin dùng. Tuy nhiên, các phần mềm khác cũng có một sức mạnh rất đáng nể, mỗi phần mềm khác nhau có một điểm mạnh khác nhau.

Những hạt particle này được phần mềm tạo ra trong một không gian có một hoặc nhiều đặc tính của thế giới thực, ví dụ như lực hút trái đất (Gravity), khối lượng (mass), lực cản không khí (air resistance), nhiệt độ môi trường… mà người dùng có thể chọn những đặc tính này để các hạt được tính toán. Nếu chúng ta dùng particle để tạo ra một đám lửa, thì ta sẽ phải quan sát cách một ngọn lửa cháy trong thực tế, sau đó giả lập lại trên máy tính bằng những thông số vừa đề cập. Bản thân ngọn lửa và khói được tạo ra bằng hàng triệu phân tử nguyên liệu đang cháy, do đó, thời điểm khai sơ của hiệu ứng khói lửa, người ta thường lấy Particle để giả lập ngọn lửa. Điều khiển bằng các thông số, ta có thể thay đổi hiệu quả theo ý muốn, có thể nhiệt độ phải cao từ 300oC tới 800oC với ngọn lửa thường, hoặc 1000oC tới 1500oC với các vụ nổ bom, xăng, khả năng tạo khói của ngọn lửa này nhiều hay ít, nhiên liệu của vụ nổ có cháy hoàn toàn hay không, sức gió mạnh hay yếu… Các thông số này cần được thử nghiệm nhiều lần cho đến khi nào hình ảnh cuối cùng đạt tiêu chí như mong muốn.

Trong quá khứ, particle thường được dùng để mô phỏng khói và lửa, tuy nhiên sau một thời gian sử dụng, chúng bộc lộ điểm yếu là sự thiếu liên kết lẫn nhau trong mỗi hạt, đồng thời tốn một lượng thời gian khá lớn để giả lập. Dần dần kỹ thuật này đã tiến thêm một bước khi cải tiến thành Voxel (Volume Pixel) nghĩa là một không gian được chia thành nhiều khối vuông nhỏ, mỗi khối này là một đơn vị chuẩn, mang ý nghĩa là thể tích khối không khí phía trong nó. Từ đây bộ mặt của ngành mô phỏng vật lý khói lửa đã trở nên tích cực hơn. Bởi voxel có một đặc tính quan trọng đó là sự kết nối giữa các voxel gần nhau, gần giống như không khí bình thường, chúng luôn chịu một áp lực, khi tác động lực vào một vùng không gian chứa không khí, thì nó sẽ gây ảnh hưởng đến vùng bên cạnh vì lực nén đã tạo ra ‘gió’ (một vùng áp suất cao hơn xung quanh). Hãy hình dung mỗi voxel như một miếng cao su mềm, khi nén nó lại theo một chiều thì nó sẽ phình ra theo chiều còn lại, khi đó nó lại nén voxel bên cạnh, và sự ảnh hưởng này sẽ lan truyền liên tục cho đến khi lực nén tiêu hao dần về không.

Hiệu ứng đổ vỡ – Destruction Dynamic

Trong đoạn video trên, ta đã xem hãng Main Road trình bày khá hiệu quả về công việc mà họ phải làm. Từ một thành phố hoàn toàn trên máy tính, qua bàn tay xử lý của con người đã mô tả được cảnh hoang tàn đổ nát của chiến tranh. Trong các cảnh tàn phá khủng khiếp đó, công rất lớn một phần là từ hiệu ứng cháy nổ. Theo tiết lộ của hãng phim này, các chuyên gia đã dùng đến hàng triệu chi tiết nhỏ trong các phân cảnh lớn, và dùng nó trong các cận cảnh nhỏ hơn. Do đó có thể nói họ đã xây lại hầu như toàn bộ một góc thành phố Stalingrad.

Trong các cảnh cháy nổ, không thể không nhắc đến một loại kỹ xảo nữa, đó là đổ vỡ. Khi cảnh các xe tăng bắn vào các tòa nhà, có một lượng lớn các mảnh vỡ bắn ra ngoài, và đây là một mảnh đất khác của hiệu ứng vật lý trong phim điện ảnh.

Kỹ thuật này được nghiên cứu từ các nhà khoa họcnghiên cứu kết cấu đất đá trong lòng đất, mức độ chịu lực và điểm vỡ của các mảng kiến tạo, tốc độ lan tỏa của sóng địa chấn từ các trận động đất, từ các mạch nước ngầm… Sau này kỹ thuật này được mở rộng ra trong việc tính toán cấu trúc công trình, mức độ chịu lực của các tòa nhà, các vật liệu.

Trên video clip bạn vừa xem là mô phỏng lại một trận động đất giả lập trên máy tính, cho ta biết tốc độ lan truyền và sức mạnh khủng khiếp của một trận động đất. Các dữ liệu này hầu hết đều đã được đo đạc từ trước và đây là bộ dữ liệu chi tiết về kết cấu các tầng đất. Khi ứng dụng cho điện ảnh, một số chức năng khổng lồ kể trên đã được lược bỏ đi vì lượng dữ liệu của nó tạo ra là quá lớn so với khả năng của một hệ thống máy nhỏ hơn 300 CPU, và cũng vì nó không cần quá nhiều thông số để sử dụng. Cũng có khá nhiều phần mềm chuyên xử lý các loại hiệu ứng vật lý đổ vỡ này, các bộ solver đó có thể kể tên như RayFire, PulldownIt Pro, RealFlow và một số phần mềm lớn như Cinema 4D, 3Ds Max, Maya…

Khi phát triển cho các phần mềm đồ họa, hầu hết các thuật toán đã được viết lại để phù hợp với thế giới đồ họa, vì sự khác nhau cơ bản giữa 2 hệ thống phần mềm này là sự chính xác về mặt khoa học và sự chính xác về mặt hình học, trong đó chính xác khoa học bao gồm cả chính xác hình học. Trong khi các hệ thống xử lý cho mục đích khoa học đều cần rất nhiều thông số để tính toán mức độ thiệt hại và tốc độ lan truyền, thì các hệ thống giả lập vật lý cho đồ họa lại chỉ cần một vài thông số nhỏ để có thể tạo ra hình ảnh ấn tượng. Trong các phần mềm vật lý đồ họa này, các thông số vật lý thường được giản lược hóa thành các thông số về tính chất.

Ví dụ khi cho một vật thể đổ vỡ, ta thường nghĩ đến độ rắn của vật thế được đại diện bằng loại vật liệu, nhiệt độ tại thời điểm va chạm, độ đàn hồi, độ dẻo mà sâu xa là kết cấu phân tử, nhưng với Pulldown It thì không cần nhiều thông số đến như vậy, phần mềm này chỉ cần một thông số duy nhất là “độ kết dính” của các mảnh vật liệu.

Tuy đơn giản là vậy, nhưng khi được ứng dụng vào lĩnh vực kỹ xảo điện ảnh, nó mang lại một sức sống mới cho các nhà làm phim. Bởi chi phí của nó không quá cao so với việc làm thật, mà lại mang đến kết quả còn tuyệt hơn những gì chúng ta nghĩ. Không chỉ bởi nó mô phỏng lại khá chính xác những quy luật vật lý, mà nó còn có thể làm bất cứ thứ gì chúng ta nghĩ ra.

 Để hiểu rõ hơn bản chất của hiệu ứng này, tôi sẽ trình bày với các bạn về nguyên tắc cơ bản.

Những hình ảnh đổ vỡ mà chúng ta thấy trên các bộ phim bom tấn như 2012 bao giờ cũng đòi hỏi một lượng lớn các vật thể, bởi nó đang mô phỏng thế giới con người ở một khu vực rộng lớn, một thành phố, một lục địa bị phá nát. Khi đã chuẩn bị xong các thành phần để “đập phá” như cầu đường, công trình, tòa nhà… các chuyên viên sẽ cắt nó ra thành nhiều mảnh, với hình dạng các mảnh vỡ giống với kiểu vỡ của vật liệu mà nó đang đại diện. Ví dụ kiểu tan vỡ của một tấm kính sẽ khác với một bức tường, một tảng đá sẽ khác với tan vỡ của một mỏm đất…

Khi các kiểu mảnh vỡ đã được cắt ra, nó vẫn sẽ được để yên đó, nhưng được gán thêm một thông số đó là sự kết dính của các mảnh vỡ này. Với mỗi loại chất liệu, nó sẽ có trị số khác nhau. Ví dụ như một viên tuyết khi rơi xuống đất sẽ vỡ nát nhưng vẫn thỉnh thoảng có một số mảnh khá to còn lại, hoặc một ngôi nhà bê tông sẽ không dễ gì bị vỡ nát nếu đạn bắn vào không đủ mạnh. Sự phân bố lực kết dính này là nhân tố quyết định cho tính hợp lý và mức độ ấn tượng của mỗi đoạn kỹ xảo.

Sau khi đã phân bố lực kết dính một cách hợp lý, chúng ta sẽ cho mô hình này một quả tạ. Giả sử bạn làm một sa bàn về một góc thành phố, và rồi bạn lấy búa đập vào nó, đó chính là công việc mà chúng ta sẽ làm. Trong quy trình tạo hiệu ứng đổ vỡ, có một thuật ngữ gọi là “collider” chỉ ra một vật thể ảo sẽ tương tác với các công trình mà chúng ta đã tạo. Nó sẽ phá hủy các công trình này theo cách mà chúng ta muốn, hoặc chỉ đơn giản là thả cho nó rơi tự do, tự khắc nó sẽ vỡ.

Phần mềm sẽ tính toán với một lực tác động mà chúng ta đã cho, sẽ có đổ vỡ như thế nào, đồng thời sẽ tác động tới những vật thể khác xung quanh ra sao. Cuối cùng ta sẽ kết hợp hai hiệu ứng đổ vỡ và cháy nổ với nhau để tạo thành một cảnh quay hoàn chỉnh như chúng ta thấy trong phim 2012.

Tuy nhiên, có phải nó chỉ có những công dụng như thế hay không? Thật ra nó không chỉ đơn giản là mô phỏng lại thế giới thực, mà nó

còn mở ra một thế giới ảo mới mẻ đầy màu sắc.

Bạn có bao giờ nghĩ một ngày nào đó ta có khả năng đi xuyên tường và điều khiển vật thể bằng ý nghĩ không?

Xin chào các bạn, hẹn gặp lại ở phần 3, ta sẽ nói về thế giới nước.

Anh Hoang Vu

Điện ảnh nói chung và VFX nói riêng luôn là niềm đam mê cháy bỏng của tôi, đó là lý do vì sao tôi lập nên Website này, nơi tôi có thể chia sẻ cho các Bạn những gì tôi biết...Và đây cũng là nơi tôi học ở các bạn những gì tôi còn thiếu. Bởi kiến thức là vô tận

3 COMMENTS

  1. Thật là người ta phải cắt bằng tay từng vật thể ra thành những mảnh nhỏ rồi sau đó tạo hiệu ứng đổ vỡ sao. Như gỗ, đá hay bê tông còn cắt được chứ 1 cục đất hay tuyết thì sao cắt nổi? Và còn những vật liệu khác như sắt thép thường bị bẻ cong, co giãn chứ không nứt vỡ, hoặc như vải thì bị thủng, rách,.v.v… Người ta làm thế nào cho những loại vật liệu này mong tác giả nói rõ thêm ạ. Cảm ơn.

LEAVE A REPLY