Эволюция технологий создания человекоподобного робота

[1] Концепция

[2] «Терминатор» (1984): аниматроника и покадровая анимация

[3] «Терминатор 2: Судный день» (1991): первый CGI-персонаж и гибридный подход

[4]«Из машины» (2015): CGI-прозрачность и физически корректный рендер

[5] Заключение

[6] Источники

Данное визуальное исследование рассматривает, каким образом кинематограф решал задачу создания гуманоидного робота в кадре на протяжении трех десятилетий. Материалом для анализа послужили три проекта: «Терминатор» (1984, реж. Джеймс Кэмерон), «Терминатор 2: Судный день» (1991, реж. Джеймс Кэмерон) и «Из машины» (2015, реж. Алекс Гарленд). Все три фильма решают сходную визуальную задачу — убедительное существование механического тела в кадре рядом с живым актером — принципиально разными средствами. Исследование фиксирует, какие конкретно инструменты применялись для передачи металлической поверхности, анимации движения и совмещения робота с реальным съемочным материалом, и как смена технологий отразилась на визуальном результате.

В «Терминаторе» эндоскелет T-800 создавался двумя параллельными методами. Дизайн робота разработал Кэмерон, Уинстон принял его без изменений. Студия Стэна Уинстона (Stan Winston Studio) изготовила полноразмерную аниматронную куклу с кабельным и радиоуправлением для съемок торса и головы крупным планом, а также несколько кукол-реплик Шварценеггера для сцен с повреждениями тела актера. Для съемок эндоскелета в полный рост с активным движением была изготовлена стоп-моушн кукла высотой около 60 см — крупнее стандарта из-за уровня детализации полноразмерного оригинала. Куклу построил Дуг Безвик; на сборку и финишную детализацию ушло пять месяцев. Хромирование выполнялось у того же гальваника и из той же эпоксидной смолы, что и у полноразмерного оригинала Уинстона — чтобы металлический тон совпадал в кадре. Сборку и детализацию вел Тед Рэй, финишное покрытие — Марк Салливан. Анимировал куклу Питер Клейнов (Fantasy II Film Effects) под супервизией Джина Уоррена: в финальный монтаж вошли 8 стоп-моушн планов из изначально запланированных 12–14; каждый дубль занимал от 6 до 16 часов. Совмещение стоп-моушн с живым актером и фоновым материалом выполнялось через оптическую печать с покадровой задней проекцией.

В «Терминаторе 2» персонаж T-1000 создавался в ILM под супервизией Денниса Мерена. Для проекта был нанят персонал со всего мира, CG-отдел вырос втрое до 35 человек; в оборудование вложили около 3 миллионов долларов, включая парк Silicon Graphics-машин. Арт-директор Дуг Чиан определил четыре стадии трансформации T-1000: аморфный сгусток жидкого металла, бесформенный гуманоид, отчетливая металлическая фигура, цифровая копия Роберта Патрика. Для анимационного референса Патрик снимался в купальном костюме с нанесенной сеткой 2×2 дюйма синхронизированными камерами с двух ракурсов одновременно — метод был разработан ассистент VFX-супервайзером Марком Диппе; отснятый материал изучался командой около месяца и лег в основу модели и базовых циклов ходьбы более чем в половине планов. Лазерное сканирование Патрика в Cyberware Laboratory в Монтерее дало отправную точку для трехмерной модели, не требуя строить форму с нуля. Для металлической поверхности был разработан кастомный шейдер «polyalloy», рендеринг выполнялся в RenderMan. Для эффекта заживления ранений Дуг Смайт разработал программу рипплинга — двумерную обработку изображения, смещающую пиксели без трехмерного моделирования. Пленочный материал оцифровывался CCD-сканером на 4000 пикселей; финальный цифровой композитинг — впервые в практике ILM — врезался напрямую в живой экшн без оптических этапов. Практические версии T-800 для сцен физического взаимодействия, а также эффекты пулевых попаданий в T-1000 (вакуумметаллизированные латексные вставки) изготавливались в студии Стэна Уинстона. Стоп-моушн кукла из первого «Терминатора», построенная Дугом Безвиком, была восстановлена и переделана под го-моушн для миниатюрных сцен будущей войны: аниматор Питер Клейнов монтировал кукол на программируемый рельсовый привод для получения смазки движения.

В «Из машины» тело робота Авы создавалось студией Double Negative под супервизией Эндрю Уайтхерста — более 300 планов. Дополнительно Milk VFX выполнила мозг Авы и POV-планы, Utopia и Web FX — клинап и вставки мониторов. На съемочной площадке актриса Алисия Викандер носила серый сетчатый костюм с резиновыми о-рингами и латунными шпильками: о-ринги были включены в дизайн костюма именно для того, чтобы давать чистые края для ротоскопинга. После каждого сетапа снимались HDR-референсы освещения и чистые плейты основной камерой. Double Negative сохранял из съемочного материала лицо, верхнюю часть торса, руки и стопы Викандер; остальные части тела замещались CGI. Трекинг тела вел Алекс Масиера; дополнительную сложность создавали анаморфотные объективы Xtal Express с непредсказуемой дисторсией линзы. Меш Авы рендерился в PRMan; 2D-композитинг вел Пол Норрис. Моделинг выполняли Ричард Дюрант и Алексис Лемонис, риггинг — Марк Ардингтон и Фернанда Морено. Грин-скрин на проекте не использовался. По словам Уайтхерста, первый его проект без единого грин-скрина; вместо этого ротоскопинг выполнялся по живому съемочному материалу на натурных локациях.

Задача производства эндоскелета T-800 была разделена между двумя методами в зависимости от типа плана: полноразмерная аниматронная кукла для крупных планов и кукла покадровой анимации для съемок в полный рост.

Дизайн эндоскелета разработал Кэмерон, а Уинстон принял его без изменений, добавив лишь масштаб. Финальный робот получился крупнее и массивнее первоначального концепта из-за того, что Шварценеггер был утвержден на роль уже в процессе препродакшна, и пропорции робота подгонялись под него. Студия Стэна Уинстона изготовила полноразмерную аниматронную куклу с кабельным и радиоуправлением, обеспечивавшим движение торса и головы.

Помимо эндоскелета, Уинстон создал несколько кукол-реплик Шварценеггера для сцен с повреждениями: в частности, желеобразное глазное яблоко для сцены самооперации изготавливалось в экстренном режиме, когда съемка была перенесена в начало расписания.

Завершающий кадр с расплющенным эндоскелетом потребовал импровизации: когда выяснилось, что кукла недостаточно сминается, художник по спецэффектам Джон Розенгрант изготовил часть черепа из плотной алюминиевой фольги прямо на площадке. В итоге, именно этот вариант попал в финальный кадр.

Для съемок эндоскелета в полный рост с активным движением была построена стоп-моушн кукла высотой около 60 см. Ее изготовил Дуг Безвик. На сборку ушло пять месяцев, на два месяца дольше запланированного. Нестандартно крупный размер куклы был продиктован уровнем детализации полноразмерного оригинала: при уменьшении до стандартных 30 см деталь терялась.

Анимацию выполнял Питер Клейнов под супервизией Джина Уоррена. В финальный монтаж вошли 8 стоп-моушн планов из изначально запланированных 12–14. Каждый дубль занимал от 6 до 16 часов; Клейнов делал от двух до пяти дублей на план.

Совмещение с живым актером и фоновым материалом выполнялось через оптическую печать с покадровой задней проекцией: готовый съемочный плейт проецировался позади миниатюрной декорации покадрово, синхронно с экспозицией куклы. Движения камеры в стоп-моушн планах по возможности дублировали движения камеры в живых планах, чтобы монтажный стык был незаметен.

Ограничением метода был возникающий стробоскопический эффект при покадровой анимации. Именно поэтому в «Терминаторе 2» при создании аналогичных миниатюрных сцен будущей войны та же кукла Безвика была переведена на го-моушн: программируемый рельсовый привод создавал небольшое физическое смещение куклы в момент экспозиции, давая естественную плавность и сближая изображение с видом живого объекта.

Масштаб задачи потребовал разделения работы между четырьмя основными командами. ILM под супервизией Денниса Мерена отвечал за более чем 40 CGI-планов с T-1000. Студия Стэна Уинстона создавала аниматронные куклы и грим-накладки для T-800, а также практические эффекты для планов с T-1000. Fantasy II под руководством Джина Уоррена выполняла миниатюрные съемки сцен будущей войны. Дополнительную поддержку обеспечивали Pacific Data Images и Video Image.

Арт-директор Дуг Чиан перерисовал раскадровки для всех 43 CGI-планов под конкретные требования компьютерной графики и провел анимационные тесты на трех кадрах в секунду для проверки тайминга. Чиан определил четыре стадии трансформации T-1000: аморфный сгусток жидкого металла, бесформенный гуманоид без черт лица, отчетливая металлическая фигура и цифровая копия Роберта Патрика. Скульптор Марк Сигал из модельного цеха ILM изготовил 18-дюймовые глиняные макеты каждой стадии, которые служили осязаемым ориентиром при определении уровня детализации на каждом этапе.

Для анимационного референса Роберт Патрик снимался в купальном костюме с нанесенной сеткой из клеток размером 2×2 дюйма. Съемка велась двумя синхронизированными камерами с длиннофокусными объективами одновременно спереди и сбоку — метод, разработанный VFX-супервайзером Марком Диппе. Отснятый материал изучался командой около месяца и лег в основу модели и базовых циклов ходьбы более чем в половине финальных планов.

Лазерное сканирование Патрика в Cyberware Laboratory в Монтерее дало цифровую базу для трехмерной модели. Данные использовались как отправная форма, от которой строился CG-скелет. Дополнительно с каждого съемочного сета снимались точные замеры — от размера плитки пола до расстояния персонажа до стен — чтобы воссоздать сет в цифровом пространстве. На площадке выставлялись калибровочные мишени, которые при съемке позволяли позднее точно восстановить параметры камеры в компьютере.

Кэмерон изначально требовал стопроцентной зеркальной отражаемости хрома. Мерен намеренно снизил отражаемость поверхности до 98%. По его словам, в реальном мире ни одна поверхность не дает стопроцентного отражения, и абсолютная зеркальность выглядела бы неправдоподобно. Для металлической поверхности был разработан кастомный шейдер «polyalloy», дававший чуть холодный, слегка серебристый отблеск. Рендеринг выполнялся в RenderMan. ILM также создал инструмент «Body Sock», сглаживавший и смешивавший края трехмерных моделей для устранения артефактов пересечения геометрии, и программу «Make Sticky», проецировавшую 2D-изображения из живых плейтов на CG-модель с сохранением привязки при движении.

Для съемок планов с движением камеры использовался моушн-контроль: параметры движения фиксировались на площадке, а затем в точности воспроизводились при рендере виртуальной камеры. Пленочный материал оцифровывался CCD-сканером на 4000 пикселей по ширине кадра. Финальный композитинг выполнялся полностью в цифровой среде — впервые в практике ILM, без оптических этапов. Это устраняло как линию маски, так и различия в зернистости между CGI и живым материалом, поскольку оба элемента сканировались с одной и той же пленки.

Для сцен будущей войны студия Уинстона изготовила четыре новых полноразмерных эндоскелета по слепкам с оригинала первого фильма, но из более легких материалов. Оригинал весил около 45 кг, новые — примерно вдвое меньше за счет замены стали и эпоксидной смолы на гибридные литьевые уретановые смолы с армированием стекловолокном; все обработанные детали были алюминиевыми вместо стальных.

Пулевые попадания в T-1000 создавались через вакуумметаллизированные латексные вставки в форме раскрывающегося «хромового цветка». Механизм, разработанный Крисом Кауэном (Chris Cowan), состоял из пяти секций, закрепленных на пружинном приводе; по радиосигналу сервопривод освобождал стопорный штырь, и все пять секций мгновенно раскрывались. Вставки крепились к нагрудной пластине из стекловолокна под прорезанной рубашкой Патрика. Заживление ран выполнялось при помощи CGI: Дуг Смайт разработал двумерную программу рипплинга — смещения пикселей в кадре без трехмерного моделирования, — которая давала эффект стягивания ткани вокруг затягивающейся раны. Анимацию закрывающихся ранений выполнял Джонатан Френч.

Финальная сцена потребовала трех версий «Pretzel Man». Первая раскрывалась и разлеталась по пневматическому приводу в момент взрыва. Вторая — полностью управляемый аниматроник. В каждой лодыжке находился карданный шарнир, стержни внутри ног обеспечивали грубое раскачивание туловища кукловодами снизу за кадром; голова управлялась радиоконтрольным приводом для движений челюсти и глаз, а кабельный ротор позволял разворачивать ее вокруг оси. Третья версия — неуправляемая, с утяжелителями для естественного падения в «расплавленную сталь», роль которой играл метилцеллюлоз. Сцена разрушения замороженного T-1000 была выполнена полностью практически. Полая отливка из стекловолокна с насечками и взрывным шнуром внутри, с металлическим конфетти для эффекта разлетающихся осколков.

Оригинальная стоп-моушн кукла Дуга Безвика, созданная для финала первого «Терминатора», была восстановлена, очищена и переоборудована под го-моушн: ноги были адаптированы под крепление к программируемому рельсовому приводу, входившему снизу через прорезь в миниатюрном сете. Движение вперед обеспечивалось приводом, свободная нога и руки анимировались Питером Клейновым покадрово. Движение привода в момент экспозиции создавало физическую смазку, сближая изображение куклы с живым материалом. Именно это было необходимо для монтажной совместимости с полноразмерными аниматронными эндоскелетами Уинстона в тех же планах. Съемка велась в формате Vistavision на пленку Eastman 5248 для максимального качества при последующем дублировании.

Исходные концепты выполнил художник-комиксист Джок до начала работы с Double Negative. Уайтхерст установил жесткое правило для всей команды: запрет на изучение других роботов в качестве референса. Вместо этого команда изучала подвески болидов Формулы 1, шоссейные велосипеды высокого класса и анатомию человека. Каждая мышца и каждая кость Авы строились на основе человеческого анатомического референса с переводом в механическую форму.

В процессе разработки из геометрии были напечатаны 3D-модели. Они использовались на съемочной площадке в сцене лаборатории и подтвердили механическую состоятельность дизайна: все детали собирались без конфликтов. Трехмерное моделирование выполняли Ричард Дюрант и Алексис Лемонис, риггинг — Марк Ардингтон и Фернанда Морено.

Внутри прозрачных участков тела команда добавила «ленты» полупрозрачного пластика с эффектом рефракции. Они появились в результате наблюдения: при переходе от концепт-арта к построенной геометрии ощущение таинственности, создававшееся мазками художника, терялось. Ленты возвращали это ощущение за счет того, что частично перекрывали обзор сквозь корпус и вносили неоднозначность в восприятие внутренней структуры.

Все мышцы были встроены в риг с корректным срабатыванием при движении. Внутри корпуса располагались постоянно вращающиеся органы и гироскопы. Поверх мышц укладывалась золотая сетка, разработанная на основе пневматических роботических модулей; вокруг каждой мышцы навивалась металлическая спираль — она читалась как сокращение мышцы при движении. Затылок и шея Авы изначально не были металлическими, но в процессе съемок было принято решение сделать их металлическими, чтобы усилить визуальную неоднозначность образа.

Фильм снимался на камеру Sony F-65 с анаморфотными объективами Xtal Express. Основная часть сцен с Авой проходила внутри стеклянных интерьеров, построенных на студии Pinewood Studios художником-постановщиком Марком Дигби. Стены, потолки и перегородки из стекла и зеркал давали множественные отражения персонажа, каждое из которых требовало отдельного CGI-композитинга. В некоторых планах одновременно присутствовали три отражения Авы плюс сам персонаж в основном кадре.

Для каждого сетапа снимались чистые плейты основной камерой и HDR-референсы освещения с брекетингом (Image-Based Lighting). Одна или две вспомогательные камеры размещались на площадке для дополнительного трекинга; в постпродакшне их приходилось удалять из кадра.

Грин-скрин не использовался — по словам Уайтхерста, это был первый его проект без единого грин-скрина. Причиной стал темп съемки: 15–25 сетапов в день не оставляли времени на корректную постановку освещения под хромакей. Вместо этого все разделение выполнялось через ротоскопинг по живому съемочному материалу.

Алисия Викандер на съемочной площадке носила серый костюм из материала типа гидрокостюма с резиновыми о-рингами и латунными шпильками. О-ринги были включены в дизайн костюма на этапе концепции специально: они давали четкие края для ротоскопинга и опорные точки для трекинга тела. До начала съемок Викандер прошла фотобудочное сканирование для построения базовой CGI-модели, а после утверждения финального костюма — повторное сканирование в нем.

Double Negative сохранял из съемочного материала лицо, плечи, подмышки, руки и ступни Викандер; руки и ноги замещались полным CGI, так как через них видно насквозь; затылок и шея также заменялись CGI. Трекинг тела Авы вел Алекс Масиера. Большинство планов фильма содержали около 200 кадров, один план достигал 1600 кадров — трекинг с необходимой точностью на такой длине был, по словам Уайтхерста, наиболее трудоемкой задачей на всем проекте.

Основную сложность создавали анаморфотные объективы: их дисторсия была неравномерной, а изменение фокуса радикально меняло геометрию линзы. Риг Авы должен был быть «исключительно гибким» именно для того, чтобы компенсировать эти искажения: при выходе объекта из фокуса линза деформировала пространство в обоих направлениях от фокальной точки, и CGI-элементы приходилось смещать для нейтрализации этого эффекта. Захват движения был исключен с самого начала: диалоговый характер сцен требовал физического присутствия актрисы в кадре, чтобы партнеры по сцене могли реагировать на живую игру.

Рендер выполнялся в PRMan в рамках физически корректного пайплайна Double Negative. Шейдеры разрабатывались отдельно для алюминия, хрома, серебра и стали. Уайтхерст подчеркивал принципиальную зависимость материала от освещения: если материал корректен, а результат выглядит неправдоподобно, проблема в освещении, а не в шейдере. IBL-референсы, снятые на площадке, обеспечивали точное соответствие отражений на CGI-поверхностях реальному освещению каждого конкретного сетапа. На широких планах к мешу Авы применялось дополнительное смещение геометрии (displacement), так как детали механики не читались на дистанции.

Команда 2D под руководством Пола Норриса не только сводила CG-элементы с плейтом, но и выполняла корректировку трекинга и стабилизации, а также добавляла комплексную дисторсию анаморфотного объектива и оптические эффекты — блики и флеры, согласованные с реальными объективами на площадке. Рефракция сквозь прозрачные участки тела Авы рассчитывалась и добавлялась на этапе композитинга. Все этапы выполнялись в цифровой среде; оптических стадий не было.

Художник по накладкам Тристан Версла под руководством Сиан Григг создал накладки для плавного перехода между кожей Викандер и костюмом Авы. После завершения основных съемок было принято решение добавить роботизированный череп и шею — детали, не входившие в изначальный план. Double Negative использовал край накладки как линию раздела и встраивал CGI-компоненты вплотную к ней.

Для персонажа Кеко (актриса Соноя Мидзуно) Double Negative создал сцену отслаивания кожи со щеки через комбинацию симуляции ткани и кей-фрейм анимации с параллельным трекингом CGI-глазного яблока и черепной подструктуры к оригинальному плейту.

В «Терминаторе» хром на экране физически настоящий. Кукла Безвика обрабатывалась у того же гальваника и той же смесью, что полноразмерный оригинал Уинстона. Металл читается убедительно в статичных и медленных планах. Ограничение проявляется в движении: покадровая анимация не дает необходимой плавности, и каждый стоп-моушн план отличается от планов с живым актером характерным стробоскопическим эффектом. Монтажный стык между аниматронной куклой и стоп-моушн решением ввиду разных характеров движения. Оптическая печать добавляет разницу в зернистости и контрасте между слоями. Отсюда следует структурное ограничение всего метода: физическая кукла убедительна в материале, но не в динамике.

В «Терминаторе 2» проблема движения снята — T-1000 движется непрерывно, потому что это CGI. Мерен намеренно сделал поверхность не стопроцентно зеркальной, а снизил до 98%, и это решение видно в кадре. Хром T-1000 читается как реальный металл, а не как компьютерный объект с идеальными отражениями. Слабое место — интеграция отражений с конкретной средой. В планах, где T-1000 существует рядом со сложным окружением, отражения на поверхности корректны по структуре, но в отдельных кадрах слегка «отвязаны» от конкретного пространства сцены. Карты окружения строились по замерам и фотографиям сета, но без физической точности. Первый цифровой композитинг ILM устраняет линию маски и разницу в зернистости, которая видна в первом фильме. CGI-элемент и живой материал существуют в одном зерне, потому что оба сканировались с одной пленки. Трансформации T-1000 остаются визуально убедительными: четыре четко определенные Чианом стадии дают зрителю понятную логику перехода между формами.

В «Из машины» задача принципиально другая: нужно не создать непроницаемый металлический объект, а показать, что внутри тела, которое выглядит как человек, — механика. Метод IBL и физически корректный пайплайн PRMan дают отражениям и материалам точное соответствие реальному освещению каждого конкретного плейта, так как HDR-сканирование снималось на той же площадке после каждого сетапа. Граница между живым телом Викандер и CGI-заменой в большинстве планов неразличима. Ротоскопинг по живому материалу без грин-скрина сохраняет полную оптику анаморфотного объектива, включая дисторсию в расфокусе, которую хромакей уничтожил бы. Прозрачность тела дает эффект, недоступный ни в 1984-м, ни в 1991-м: зритель видит сквозь персонажа работающую механику в реальном времени, причем рефракция сквозь прозрачные участки рассчитывается корректно. Слабое место — планы с множественными отражениями в стеклянных стенах: там присутствуют одновременно три-четыре версии Авы, каждая требует отдельного трекинга и рендера, и в нескольких широких планах небольшое рассогласование между отражениями и основным персонажем заметно при внимательном просмотре.