Как выпускник МФТИ изобретает снег, магию и говорящую воду для мультиков Disney

«Афиша Daily» выяснила, как молодой ученый Алексей Стомахин сделал карьеру в студии Disney, зачем мультипликаторам знать сложную физику и решать дифференциальные уравнения.

Алексей Стомахин. Выпускник бакалавриата МФТИ, сотрудник студии Walt Disney Animation Studios

Как попасть со скамьи МФТИ в кресло студии Disney

Меня тянуло к математике еще со школы. Я учился в 57-й в Малом Знаменском переулке. Сначала математика шла хорошо, потом что-то не очень. В итоге решил пойти в МФТИ на физику. Когда учеба стала уходить в более прикладные вещи — программирование, инженерию, — меня снова потянуло в математику. Доучившись до бакалавра в 2009 году, я стал искать программы, где возможно совмещать математику и физику. Параллельно я занимался компьютерной графикой — рендерингом картинок, 3D-моделированием, но скорее как хобби.

Презентация инструмента для создания снега, использованного в мультфильме «Холодное сердце»:

В итоге я подал в разные институты в США, где есть интердисциплинарные программы. Получилось так, что я поступил в UCLA (Калифорнийский университет в Лос-Анджелесе) на факультет математики. Здесь много профессоров занимаются применением математики к реальным вещам. Сначала я пошел к профессорше, которая занималась статистикой. Поработал с полицейским департаментом в Лос-Анджелесе. Мы даже помогали раскрывать преступления: у них была куча статистики по преступлениям, нам нужно было ее анализировать и предсказывать, где случится следующее. В общем, позанимавшись этим, я понял, что мне хочется что-то более значимое, то, что будет видно, что можно представить визуально.

В тот же год я посмотрел мультик «Рапунцель», и он меня сильно впечатлил. Я увидел, сколько там математики. Тогда я пришел к университетскому профессору, который частично консультировал Disney — занимался вычислительной физикой, и начал работать с ним. Я стал моделировать физические системы, решать дифференциальные уравнения численными методами. Потом попал на практику в Disney. В первое лето успешно прошел мой первый интерншип, и меня позвали второй раз. Кстати, недавно именно то, чем я занимался четыре-пять лет назад, попало в мультик «Зверополис». Шкурки и мускулы персонажей делали с помощью той штуки, которую я программировал, когда был интерном.

Однажды я случайно узнал от моего научного руководителя, что на студии нужно сделать снег для «Холодного сердца» и требуются люди. Меня пригласили заняться им. В итоге снег получился довольно успешным, и, собственно, этот проект стал основой для моей диссертации PhD. После чего меня позвали в штат, где я и работаю до сих пор.

Зачем мультфильмам Disney столько сложной математики

Двадцать лет лет назад куча аниматоров все рисовала от руки — каждый кадр карандашом. Появлялись, конечно, всякие хитрые методы, потом проникали компьютеры, планшеты. Но сейчас требования к качеству сильно возросли: хочется 3D, хочется больше погружения с точки зрения зрителя, хочется, чтобы человек верил в то, что все происходит вокруг него. Нужен определенный уровень реализма. Персонажей, конечно, до сих пор анимируют по отдельности, создают им мимику, двигают практически вручную из кадра в кадр — и это очень тяжелая работа. Но среда, в которой они обитают, их одежда, волосы и прочее — это руками не подвигаешь. У персонажа может быть тысячи и сотни тысяч волосинок. А если взять, например, воду, то там еще больше деталей. Ни один человек просто не сможет все это прорисовать. Такие вещи приходится обсчитывать компьютерам. Есть законы физики, которые описывают движение разных вещей: воды, снега, волос, одежды — всего чего угодно. Есть художники, которые задают начальные условия: допустим, есть вода и скалы, и они сталкиваются. Эти данные отправляются в программу, которая на их основе решает соответствующее дифференциальное уравнение и все обсчитывает. Это довольно типичная задача численных методов математики.

Как происходит разработка проекта

Перед запуском мультика в продакшен у режиссеров уже есть свое видение. Они приходят к нам и говорят — нужно сделать, допустим, снег. Причем со снегом все просто, не нужно объяснять, как он выглядит (если, конечно, это не люди из Южной Калифорнии). Мы начинаем смотреть вокруг, не было ли каких-то разработок в этой области. Когда мы делали снег, выяснилось, что про него практически нет данных. Тогда мы сделали ресерч, выписали список вещей, которые хотим получить: снег должен слипаться, рассыпаться и т. д. Для более волшебных эффектов все сложнее. Мы начинаем выписывать характеристики того, что мы хотим нарисовать, а затем пытаемся подобрать уравнения, придумываем численные методы.

Хани Лемон и ее оружие, созданное тем же инструментом, что и снег в «Холодном сердце»

Тот инструмент для снега теперь мы используем начиная с «Холодного сердца» в каждом мультике: и в «Зверополисе», и в «Моане». Если изменить характеристики уравнения, то вместо снега мы можем получить лаву и много чего другого. Допустим, в «Городе героев» у Хани Лемон были бомбы, раскидывающие такую липкую штуку. Липкая штука тоже была сделана с помощью того же инструмента. Мы активно публикуем свои результаты и статьи по теме. То есть любой может их прочитать и спрограммировать что-то подобное. Но сама программа — это собственность компании, поэтому она не распространяется.

Каково работать в студии Disney и как найти взаимопонимание с художниками

Кадр из мультфильма «Моана»

Изнутри выглядит довольно интересно, мне нравится. Я не знаю, насколько уместно сравнить офис с Диснейлендом, но здесь здорово. Как заходишь в студию, сразу видишь всех этих персонажей на стенах, и со всех сторон атмосфера правильная. На работу ходить нравится. В принципе, я программист, но я не отправляю свои программы каким-то людям, которых я никогда не увижу. Все наши потребители — художники, которые сидят с нами под одной крышей. Процесс взаимодействия с ними происходит каждый день, это здорово. Мне очень нравится общение с ними. Это люди совершенно с другим складом ума и подходом к искусству. Они свои нужды описывают в довольно абстрактных терминах, и для меня это выглядит как размахивание руками. Но это все надо как-то взять, преобразовать в нечто формальное, математическое и заставить работать.

Кадр из мультфильма «Город героев»

Например, в «Городе героев» есть армия из целого миллиона маленьких роботов. Когда мы пришли на встречу с режиссерами в первый раз, у них было много зарисовок и комментариев о том, как эти роботы должны взаимодействовать. С одной стороны, они должны вести себя как колония муравьев, как большой организм, а с другой — они не хотели органического движения. Они показывали картинки печатных плат и хотели, чтобы роботы строились определенным образом. То есть у нас был набор из десяти разных абстрактных характеристик. И вот ты берешь и пытаешься это осознать и представить, какая физика может лежать в их основе.

Были задачи попроще, например, с водой в «Моане». Саму воду сделать просто, уже кучу лет назад были написаны все уравнения. Но в «Моане» океан живой. И хотелось, чтобы эта вода не просто плескалась «по физике», а чтобы какая-то штука вылезала из воды и разговаривала. С одной стороны, штука должна выглядеть как физическая, с другой — она должна быть нужной формы и двигаться как надо. Это очень тонкий баланс.

Технологии или история — что первично

У нас в студии на первом месте задумка режиссера. Есть задача рассказать историю, а то, как технологии помогут этому или нет, — уже зависит от нас. При этом у нас есть определенные наработки. Мы знаем, что мы можем сделать, а что нет, чтобы супервайзеры могли оценить возможности.

Но с точки зрения индустрии ситуация чуть иная. Когда разрабатывается какая-то технология и по ней публикуются результаты, эти новые спецэффекты постепенно мигрируют в коммерческие продукты, в Maya и Houdini, на рынке появляются новые пакеты с набором спецэффектов. А потом эти технологии получают более широкое распространение.

В Disney мы комбинируем коммерческие продукты и свои разработки. Например, существуют хорошие готовые решения для создания одежды и волос. И иногда их вполне достаточно, и вовсе не обязательно разрабатывать что-то свое. Тем более что это довольно накладно. Свои инструменты мы используем, только если они превосходят доступные на рынке.

Где проходит граница между реализмом и сказочностью

С точки зрения индустрии реализм в анимации — это всегда хорошо. Особенно если мы берем фильмы, где актеров снимают на зеленом фоне, а сзади нужно подставить что-то натуральное. Обычно в таких фильмах требования к реализму гораздо выше. Но в студии Disney фокус смещен в другую сферу. Для нас нет задачи создать реальный мир. У нас есть свои традиции, свои способы анимировать персонажей. Например, есть диснеевская принцесса, которая и не выглядит как настоящий человек. И если такого анимированного персонажа поместить в реальный мир, то возникает диссонанс. Хочется не реализма, а так называемого беливабилити — чтобы зритель верил происходящему.

Все спецэффекты должны быть стилизованы под анимацию персонажей. Например, Рапунцель бегает не как человек, у нее движения немножко более резкие. Поэтому когда на нее надели платье, смоделированное по всем физическим законам, во время бега юбка перелетала через голову. Соответственно, нужно было создать вокруг нее силовые поля, которые эту юбку удерживали. Или, допустим, взять эпизод в «Моане», где дельфины прыгают перед лодкой. Лодка плыла нормально и была более-менее физическая. А вот дельфины по задумке двигались со скоростью 100 миль в час, и когда они врезались в воду, получался всплеск как от пушечного ядра. Поэтому стояла задача добавить воде вязкости. То есть они практически ныряли в подобие глицерина. Или же там есть момент, когда перед Моаной расходится океан. Обычная вода такого сделать не может, и приходилось экспериментировать с гравитационным полем.

Но все равно многое приходится доделывать, скажем так, от руки. Все компьютеру доверить нельзя. Будет здорово, если появится какая-то автоматическая программа, которая сможет анимировать персонажа или, например, старить его. Сейчас развивается содействие аниматорам с помощью каких-то новых технологий, в том числе и с помощью машинного обучения. Но это уже не по моей специальности.