Nexus Digital Studios, Motion Analysis Studios e le soluzioni grafiche NVIDIA Quadro FX

Per la serie di documentari di Discovery Channel Xtreme Martial Arts, la produzione ha realizzato effetti speciali, utility di scansione dei corpi e motion capture con la soluzione grafica NVIDIA Quadro FX 3000 allo scopo di creare esseri umani digitalizzati in 3D con un livello di dettaglio che include scheletri corretti dal punto di vista biomeccanico.

I mondi e gli effetti speciali in grafica computerizzata (CG) sono davvero generati dai computer? Non del tutto. I produttori di film e i progettisti di videogiochi si sono sempre affidati all'elemento umano, utilizzando l'opera di artisti per rendere davvero sbalorditivi ed entusiasmanti i loro prodotti. Gli odierni artisti digitali hanno bisogno di tecnologie avanzate di scansione laser e motion capture per realizzare persone, animali, oggetti e scenografie davvero realistiche all'interno dei loro mondi 3D digitali. Persino sul versante industriale, i tecnici stanno cercando modi efficienti e precisi di animare oggetti reali in ambienti digitali.

Due dei principali studi che offrono servizi di scansione e motion capture alle case di produzione cinematografica sono Nexus Digital Studios e Motion Analysis Studios (MAS). Entrambe le società si affidano esclusivamente a soluzioni di grafica professionale NVIDIA Quadro® FX per disporre della potenza necessaria a catturare dettagli fotorealistici per risultati di qualità cinematografica.

Le tecnologie basate su NVIDIA di Nexus e MAS CG sono cruciali per i programmi televisivi di fascia alta quali i documentari di Discovery Channel della serie Xtreme Martial Arts (XMA) . Questa tecnologia ha inoltre giocato un ruolo di primissimo piano nella realizzazione di film quali Matrix, Il signore degli anelli, Spiderman e X-Men. I progettisti di videogiochi hanno inoltre utilizzato la tecnologia per ottenere effetti stupefacenti per giochi quali ESPN NHL Hockey e Sega NCAA Basketball.


Profilo del progetto: Discovery Channel
Per i documentari della serie XMA di Discovery Channel, agli studi è stato chiesto di creare modelli 3D di maestri di arti marziali che affrontano diverse sequenze di combattimento. Impossibili da vedere e analizzare a occhio nudo, i segmenti in CG rallentano i movimenti più complessi e offrono indizi sui precisi movimenti dei corpi e le incredibili doti di forza e agilità che permettono di realizzarli.

I produttori di XMA, BASE Productions, Inc., hanno collaborato su altri progetti di fascia alta con elementi simili in precedenza - film, documentari per la TV, produzioni dedicate a sport professionistici - ma mai a un progetto che unisse tutti questi elementi in un modo così sofisticato. L'obiettivo era duplice: offrire immagini davvero sensazionali del corpo umano in movimento in modo mai visto prima, ma anche farlo in modo biomeccanicamente accurato, generando dati che potessero essere utilizzati dagli scienziati oltre che dagli animatori. Per raggiungere questi due obiettivi, gli studi si sono affidati all'esperienza del regista di XMA, John Brenkus, e alla potenza delle soluzioni grafiche NVIDIA Quadro FX.

In questa sequenza di XMA, i piedi di un esperto di arti marziali virtuale colpiscono il torace del suo avversario. Il colpo simulato "entra" nel torace proprio come farebbe il colpo reale.

Per creare un modello virtuale verosimile, ogni maestro di XMA è entrato nello scanner laser di Nexus Digital Studios per ottenere una scansione 3D del corpo. Sebbene i dati della scansione comprendessero centinaia di migliaia di poligoni, NVIDIA Quadro FX 3000 ha creato con facilità un'immagine 3D in tempo reale di ogni maestro di arti marziali. Quindi, scheletri animati e biomeccanicamente precisi sono stati scalati per adattarsi alle dimensioni dei corpi di ciascun maestro di arti marziali in base alle scansioni effettuate. Durante i combattimenti dei maestri, Motional Analysis Studios (MAS) ha usato cineprese digitali per catturare le finezze e la incredibile precisione dei movimenti acrobatici e delle loro tecniche letali. Il team di MAS ha utilizzato dispositivi biomeccanici particolarmente sensibili collocati sui maestri per catturare i movimenti dei muscoli e del corpo, e le traiettorie intricate delle loro armi: spade, pugnali, una lama fissata a una fune e persino un ventaglio da guerra coperto di spunzoni. MAS ha utilizzato i dati comportamentali raccolti e le soluzioni grafiche NVIDIA Quadro FX 3000 per dare vita alle scansioni 3D dei corpi imponendo movimenti naturali ai personaggi digitalizzati.

Il progetto ha superato le aspettative più entusiastiche dei produttori. Come ci ha detto il produttore esecutivo di BASE Mickey Stern: "questa combinazione di azione in diretta, visuali spettacolari e animazione biomeccanicamente precisa in XMA può davvero ridefinire il modo in cui guardiamo il movimento umano e lo portiamo sugli schermi. Il valore di intrattenimento è immediato ed evidente; il valore dal punto di vista scientifico e di apprendimento è addirittura illimitato. I maestri di arti marziali spingono i propri corpi a livelli sovrumani e solo le soluzioni grafiche NVIDIA Quadro avrebbero potuto permetterci di misurare e illustrare il loro sforzo sino al livello delle ossa e dei muscoli. La tecnologia NVIDIA è alla base di tutti i nostri effetti speciali e ci ha permesso di introdurre tecniche Hollywoodiane nelle produzioni televisive."

Gli spettatori di XMA sono in grado di giudicare velocità, accelerazione e tecnica del calcio rotante vibrato dal maestro grazie visto alla tecnologia di motion capture, evidenziata in questa immagine.

Il mondo digitalizzato
La stretta relazione di collaborazione esistente tra Nexus e MAS - due società che condividono una sola sede a Culver City, California - deriva dalla natura del business cui si rivolgono. I loro clienti spesso richiedono sia la cattura della forma di un oggetto e del suo aspetto a riposo che la digitalizzazione dei movimenti che consentono di dargli vita.

Nexus Digital Studios: Digitalizzazione ad alta risoluzione e fotorealistica di oggetti, animali e persone
"Un progetto tipico inizia con una scansione", ci spiega Domi Piturro, Studio Director di Nexus. "Un laser 3D spara un raggio rosso a bassissima potenza su un oggetto. La superficie viene sondata con il laser mentre altre fotocamere creano un'interpolazione del profilo 3D. Tutti dati di scansione raccolti vengono inviati a una workstation con soluzione grafica NVIDIA Quadro FX 3000 e l'immagine 3D viene generata in tempo reale. I laser sono incredibilmente accurati e possono catturare il livello di dettaglio richiesto per creare un modello digitale organico o verosimile. Dieci anni fa, lavorare con questo tipo di dati ad alta precisione sarebbe stato pressoché impossibile. Oggi, grazie alle innovazioni del software e dell'hardware - specialmente grazie alla capacità di NVIDIA Quadro FX 3000 di disegnare più di cento milioni di triangoli al secondo - è diventata una tecnologia diffusissima nell'intrattenimento, nei videogiochi e nelle applicazioni industriali. Se si desidera un oggetto verosimile o si intendono riprodurre le sembianze di una persona, la scansione è un passo fondamentale. Grazie a una pipeline grafica in virgola mobile a 128 bit effettivi, le schede NVIDIA Quadro FX offrono il massimo assoluto in termini di qualità visiva e realismo. Se ci si limita a un approccio in CG al 100% - usando un modello in CG - si finirà per avere un pupazzo di aspetto decisamente digitale invece di una persona verosimile."

Nexus Digital Studios effettua la scansione del corpo di un maestro di arti marziali di XMA. I tecnici di Nexus si affidano a soluzioni grafiche NVIDIA Quadro FX 3000 ad altissime prestazioni per gestire l'altissimo numero di poligoni necessario per digitalizzare i minimi dettagli del corpo del maestro.

Nexus effettua la scansione di una vasta gamma di oggetti per i suoi clienti: automobili per pubblicità, atleti per videogiochi, attori per sequenze cinematografiche in CG o per la creazione di scene di folla realistiche utilizzando solo personaggi in CG.

Motion Analysis Studios ha digitalizzato i movimenti di cani, gatti, elefanti e di intere squadre di atletica. Per una recente pubblicità che aveva a che fare con il football, la società ha allestito il teatro di motion-capture più grande del mondo.

Per la digitalizzazione del movimento, MAS demarca un oggetto o una persona con riflettori. Mentre l'oggetto o la persona attraversano la propria gamma di movimenti nell'area di motion-capture, le fotocamere di digitalizzazione catturano una sequenza di immagini dai marcatori riflettenti posti sull'oggetto. Grazie ai dati relativi al movimento, MAS può imporre movimenti naturali a scheletri in wire-mesh e quindi trasferire i personaggi digitalizzati all'interno di un pacchetto di animazione o di un ambiente virtuale. Per personaggi e animazione di qualità cinematografica, alle scansioni realizzate da Nexus viene letteralmente data vita dal team MAS e dalle soluzioni grafiche NVIDIA Quadro FX 3000.

"Possiamo catturare qualsiasi cosa su cui sia possibile sistemare dei marcatori", dichiara Scott Gagain di MAS. "E siamo in grado di arrivare ai minimi dettagli dei movimenti, quindi quando guidiamo i personaggi di cui Nexus ha realizzato la scansione, i movimenti della persona reale si adattano ai personaggi e possiamo dar loro vita con l'aiuto delle soluzioni grafiche NVIDIA Quadro. Ecco quello che facciamo - diamo vita alle cose - e la tecnologia NVIDIA è la chiave di volta per avere successo in questa impresa."

I maestri di arti marziali della serie XMA sono rivestiti di marcatori-riflettori, configurati in modo speciale per inviare dati corretti dal punto di vista biomeccanico relativi al movimento del corpo e dei muscoli a un computer basato su NVIDIA Quadro FX 3000.

Razionalizzazione della pipeline della produzione cinematografica Driver grafici NVIDIA, collaborazione fra studi e NVIDIA e prestazioni sbalorditive delle soluzioni Quadro FX
Nexus e MAS si affidano esclusivamente ai prodotti di grafica professionale NVIDIA Quadro FX per supportare le proprie soluzioni di scansione e motion capture. Alcuni tecnici Nexus si affidano a workstation dotate di NVIDIA Quadro FX 3000s ad altissime prestazioni per gestire il numero enorme di poligoni richiesto dalla scansione di oggetti di grandi dimensioni o complessità, o per digitalizzare volti e corpi di persone. Altre attività possono richiedere semplici PC desktop di base dotati di soluzioni NVIDIA Quadro FX 500 entry-level.

Sia Domi Piturro che Scott Gagain concordano che le soluzioni grafiche NVIDIA Quadro FX semplificano il compito di gestire più piattaforme. Piturro spiega: "è stato facile per noi impegnarci nel nostro lavoro invece di trascorrere un sacco di tempo a cercare di capire quale driver usare e come arrivare all'esecuzione ottimale su una particolare piattaforma. La NVIDIA Unified Driver Architecture (UDA) semplifica tutto - ho appena scaricato la versione più recente dei driver NVIDIA dal sito Web NVIDIA e so con assoluta certezza che funzioneranno su tutte le nostre piattaforme a prescindere dalla particolare scheda grafica NVIDIA installata. Dal punto di vista della produzione, questo significa che possiamo integrare una sola versione dei driver NVIDIA nei nostri sistemi per supportare tutte le combinazioni di piattaforma/soluzione grafica."

Un maestro di arti marziali della serie XMA colpisce con la propria arma il torso di un avversario. Il colpo subito dalle ossa di quest'ultimo viene illustrato mediante una tecnica che prevede l'uso di radiografie con mappatura toracica della persona che sta effettivamente combattendo. Questo permette di creare l'illusione che i tessuti e le ossa animati siano proprio quelli del maestro.

Nexus e MAS hanno un rapporto di stretta collaborazione con i team di sviluppo NVIDIA. Uno scambio aperto di informazioni e di commenti tra gli studi e NVIDIA ha prodotto vantaggi concreti per tutti. I team di Nexus e MAS ottengono informazioni approfondite sull'hardware e sul software NVIDIA Quadro mentre NVIDIA può esaminare a fondo le complesse applicazioni utilizzate dagli studi e perfezionare di conseguenza la tecnologia NVIDIA. "I tecnici NVIDIA vengono da noi, seguono le operazioni di motion capture e sperimentano in prima persona i possibili problemi. Questo rapporto di scambio continuo è un vero vantaggio per tutti", dice Domi Piturro.

Oltre questi importantissimi vantaggi, la ragione principale che spinge Nexus e MAS ad affidarsi alle soluzioni grafiche NVIDIA Quadro FX sono le funzionalità e le prestazioni. Entrambi gli studi, per esempio, apprezzano particolarmente la banda passante da 27,2 GB/ al secondo offerta da NVIDIA Quadro FX 3000 che consente loro di utilizzare texture di grandi dimensioni e l'antialias full-scene ad alta risoluzione. Per la scansione, NVIDIA Quadro FX 3000 è in grado di gestire dataset di grandissime dimensioni in tempo reale con un livello di precisione che garantisce risultati di alta qualità. Dato che molto del loro lavoro viene prodotto per trasmissioni televisive ad alta definizione, la memoria grafica da 256 MB della NVIDIA Quadro FX 3000 risulta ottimale.

Le soluzioni NVIDIA Quadro FX offrono ai filmmaker tutta la potenza loro necessaria per fondere alla perfezione azioni dal vivo e sequenze animate all'interno delle trasmissioni della serie XMA. La combinazione di scansioni e dati di motion capture in streaming eseguita dagli studi consente la mappatura di personaggi 3D mobili su pellicola digitalizzata da 35 mm.

MAS richiede anche il massimo delle prestazioni grafiche. Come spiega Jeff Swenty: "quando abbiamo offerto una dimostrazione di una delle creature di Buffy l'ammazzavampiri usando una NVIDIA Quadro FX 3000, abbiamo conquistato completamente il pubblico del SIGGRAPH dello scorso anno. Avevamo un modello da 200.000 poligoni di una creatura animata usando una mappa di texture da 4K per 4K e riuscivamo a farla muovere in tempo reale. Questo modello ha davvero sbalordito tutti quanti, soprattutto quando si accorgevano che potevamo far muovere la creatura, muovere le luci e spostare la cinepresa. In effetti, era strabiliante."

La grafica NVIDIA Quadro FX offre a Nexus e MAS la potenza necessaria a realizzare queste e altre meraviglie. Per esempio, i loro clienti spesso combinano un modello di scansione con caratteristiche in motion capture e inseriscono il personaggio digitalizzato in movimento in un film digitalizzato a 35 mm. "Disponiamo di dati motion-capture in streaming e di un mesh 3D effettivo o di un modello con superfici, se siamo già alle fasi finali. Quindi una cinepresa a 35 mm inizia a girare sullo sfondo in modo da abbinare alla perfezione il personaggio alla scena filmata. Ovviamente, ci serve una potenza grafica straordinaria per gestire tutti questi dati in streaming. Se usassimo qualsiasi altra piattaforma grafica, non ce la potremmo fare; NVIDIA Quadro FX è davvero unica", dichiara Jeff Swenty.


Assottigliare la barriera tra realtà e mondi digitali in 3D

Gli spettatori possono vedere la velocità, l'angolazione e la portata dei movimenti di un maestro di arti marziali grazie alla tecnologia di motion capture utilizzata da questa immagine tratta da XMA.

Nexus e MAS condividono l'obiettivo finale di offrire visualizzazioni di qualità cinematografica a tutti i propri clienti. Ecco come Domi Piturro riassume il suo obiettivo aziendale: "NVIDIA continua a eliminare i limiti alla creatività degli addetti ai lavori e noi siamo in grado di ottenere risultati sempre maggiori e migliori. Immagino già il giorno in cui i nostri bambini non staranno semplicemente davanti alla TV a guardare i cartoon del sabato mattina, ma potranno invece entrarci e partecipare all'azione. Quanto più interattiva diventa la grafica, tanto più le persone troveranno attraente partecipare invece di limitarsi a guardare. Anche gli adulti stanno entrando in questo spirito. Il settore si sta muovendo in questa direzione. Ecco perché stiamo collaborando con NVIDIA - sappiamo cosa vuole ottenere NVIDIA e la loro visione coincide con la nostra."

Per ulteriori informazioni sulle soluzioni NVIDIA Quadro, visitare il sito Web:http://www.nvidia.it/page/quadro.html.

Per ulteriori informazioni su Nexus Digital Studios, visitare la pagina: http://www.nexusdigitalstudios.com.

Per ulteriori informazioni su Motion Analysis Studios, visitare la pagina: http://www.mastudios.com.

Per vedere dei filmati di XMA, visitare il sito: http://media.dsc.discovery.com/convergence/xma/video/video.html.

XMA è prodotto da BASE Productions, Inc. per il Discovery Channel, il regista è John Brenkus.