Nghiên cứu 3D của GS Việt được giới thiệu trên tạp chí số 1 thế giới ngành Đồ họa

Toán học – nền tảng công nghệ đằng sau phim hoạt hình 3D

Công trình mang tên “A stiffly accurate integrator for elastodynamic problems” (Tạm dịch: Một phương pháp chính xác cương cho các bài toán động lực học đàn hồi). Nghiên cứu này đã ứng dụng Toán học để tạo nên bước tiến mới trong kỹ thuật làm phim hoạt hình 3D.

Trao đổi với PV Dân trí, TS. Vũ Thái Luân (hiện là Giáo sư thỉnh giảng tại ĐH Southern Methodist, Dallas, Texas, Mỹ) cho biết khi còn làm giáo sư thỉnh giảng ở ĐH California, Merced, anh có dự buổi trình bày một công trình ấn tượng liên quan tới mô phỏng chuyển động trong các hệ động lực học đàn hồi, có ứng dụng trong làm phim công nghiệp của GS. Michels tới từ ĐH Stanford (Mỹ).

Bắt nguồn từ đó, 8X Việt nảy ra ý tưởng để phát triển một kỹ thuật Toán học mới cho phép tăng nhanh tốc độ tính toán gấp khoảng 8-22 lần (tùy ứng dụng) mà vẫn giữ được độ chính xác cần thiết.

Một năm sau đó, GS. Luân cộng tác với GS. Michels (đồng tác giả chính) từ ĐH Stanford và KAUST, và GS. Tokman từ ĐH California Merced cho ra đời công trình “A stiffly accurate integrator for elastodynamic problems” vào tháng 7/2017.

Công trình này đã được công bố ở tạp chí xếp hạng số 1 ngành Đồ họa máy tính, ACM Transactions on Graphics (TOG), hơn nữa được chọn là 1 trong số ít các công trình tiêu biểu để báo cáo tại hội nghị lớn nhất thế giới về Đồ họa máy tính và các kỹ thuật tương tác SIGGRAPH 2017. ĐH California (Hoa Kỳ) cũng đã đưa tin về công trình của GS.Luân.

Theo vị giáo sư người Việt, trong thế giới phim hoạt hình, các xưởng phim nổi tiếng như Walt Disney, Dreamworks, hay Cartoon Network ... vẫn luôn chinh phục và làm say đắm biết bao nhiêu thế hệ khán giả, từ người lớn cho tới các em nhỏ, bằng những tuyệt phẩm như “Nàng Bạch Tuyết và bảy chú lùn” (Snow White and the Seven Dwarfs), “Aladdin và Cây đèn thần” (Aladdin and the Magic Lamp), “Thế giới Khủng long” (Jurassic World)... Tuy nhiên ít ai chú ý tới công nghệ đằng sau phim hoạt hình.

Khi xem phim hoạt hình thế hệ trước (2D), ta có thể hiểu sơ bộ là các nhà làm phim sử dụng kỹ thuật vẽ tay truyền thống. Đến với phim hoạt hình 3D thời nay, bạn sẽ không khỏi trầm trồ khen ngợi nghệ thuật bắt chước cuộc sống giống như thật một cách kinh ngạc.

Vậy làm thế nào để các nhà làm phim có thể tạo ra các phim với hiệu ứng chuyển động 3D vô cùng chân thực như vậy? Câu trả lời đằng sau những thành quả công nghệ này, theo GS. Vũ Thái Luân nằm một phần lớn ở Toán học.

GS. Luân giải thích: Với các thế hệ làm phim hoạt hình 2D thời trước, khi họ muốn tạo ra nhân vật di chuyển hay thực hiện một hành động nào đó, các họa sĩ thường sẽ phải tạo ra rất nhiều các bức vẽ (nối tiếp nhau) để diễn tả. Việc này sẽ càng khó và tốn thời gian hơn nữa khi nhân vật hay sự vật được yêu cầu thực hiện những hành động phức tạp.

Hãy tưởng tượng ví dụ như khi họ cần cảnh phim một cô gái với mái tóc dài gồm hàng trăm nghìn sợi tóc, hất mái tóc tung bay trong gió, hay cần vô số hạt cát chuyển động khi có bão cát, hay vô số hạt nước văng ra theo các hướng khác nhau khi lướt sóng…

Do đó, cho dù có hoàn thành khâu vẽ đi nữa, khi ghép lại thành một cảnh thì chuyển động sẽ không được chân thực tự nhiên như đời thực (hiển nhiên là do việc “nối” các bức vẽ rời rạc lại).

Điều này dẫn tới sự phát triển của phim hoạt hình 3D, mà ý tưởng then chốt là thay vì vẽ họ sẽ làm mô phỏng chuyển động và sau đó áp dụng các kỹ thuật đồ họa máy tính.

“Lúc này Toán học có vai trò quan trọng vì cần thiết lập các phương trình toán học mô tả sự chuyển động của các sự vật/nhân vật (chẳng hạn như sử dụng các định luật vật lý của Newton về chuyển động). Kết nối lại sẽ thu được một hệ các phương trình gọi là hệ động lực học gồm hàng nghìn, trăm nghìn hay hàng triệu điểm dữ liệu.

Trong đồ họa máy tính, một ví dụ tiêu biểu để thử thách các kỹ thuật mô phỏng là chuyển động của tóc (như ví dụ ở trên). Thử tưởng tượng, để mô phỏng sự di chuyển của tóc, mỗi sợi tóc được gắn bởi một phương trình trong hệ. Khi tóc trên đầu rung có thể ảnh hưởng đến chuyển động của các sợi bên cạnh nó (va chạm vào nhau), tất cả các điều đó được kết nối và thể hiện bằng phương trình toán học”, GS. Luân giải thích.

Tiềm năng ứng dụng vào nhiều lĩnh vực của công trình

Tuy nhiên, các hệ động lực học này rất phức tạp và khó giải quyết. Chúng ta không thể giải được chính xác và cũng không thể sử dụng máy tính nếu như không phát triển các thuật toán để giải gần đúng. Và với dữ liệu lớn, chuyển động thay đổi phức tạp, ngay cả các máy tính tốt nhất có thể mất nhiều thời gian để tìm ra lời giải dù sử dụng các thuật toán tốt nhất hiện có.

Chính vì thế việc phát triển các phương pháp mới có thể giải nhanh và vẫn đảm bảo độ chính xác (chuyển động nhìn chân thực như cuộc sống thực) là rất cần thiết cho nhiều ứng dụng vì giúp tiết kiệm thời gian và chi phí. Công trình của GS. Luân và các cộng sự đã phần nào giải quyết bài toán này.

GS. Luân cho hay, phương pháp mô phỏng mới này có thể được ứng dụng trong sản xuất phim công nghiệp (ví dụ phim quảng cáo) và các phim hoạt hình 3D. Ưu điểm của phương pháp mới là thay vì máy tính phải xử lý qua nhiều ngày thì nay có thể hoàn tất trong vòng 1 hoặc vài giờ.

Hơn nữa phương pháp này khá tổng quát và có thể ứng dụng cho nhiều lĩnh vực khác. Chẳng hạn anh và cộng sự đang phát triển phương pháp này cho các hệ động lực học phân tử với ứng dụng trong công nghệ sinh học.

“Công trình sẽ có ứng dụng cho làm phim công nghiệp, quảng cáo, hoạt hình 3D... Ngoài ra có thể mở rộng sang các ngành khác như mô phỏng động lực phân tử, các bài toán về dao động với tần số cao.

Xa hơn thế, tôi và cộng sự ở Canada hiện đang phát triển các phương pháp cho phép tăng tốc độ tính toán cho các bài toán về khí quyển với ứng dụng trong dự báo thời tiết”, Giáo sư người Việt chia sẻ.

Lệ Thu