هایپریون؛ ابرقهرمان دیزنـــــی
برای ساخت انیمیشن «قهرمان بزرگ شماره 6» از چند ابزار استفاده شده است که مهم‌ترین آن‌ها نرم‌افزار رندرکننده جدید دیزنی به‌نام هایپریون (Hyperion) است. استفاده از هایپریون شاید بزرگ‌ترین ریسکی باشد که دیزنی تاکنون در حوزه تحقیق و توسعه فناوری ساخت یک انیمیشن انجام داده است. در آغاز تولید این انیمیشن، هایپریون هنوز کامل نبود و فیلم با نسخه بتای آن تولید شد. این انیمیشن که از آن به‌عنوان پیش‌رفته‌ترین انیمیشن دیزنی از نظر فناوری تا به امروز یاد می‌شود، نخستین فیلم بلندی است که در ساخت آن از هایپریون استفاده شده است. این سیستم رندرینگ جدید بر «نورپردازی سراسری» (Global-illumination) مبتنی است و به متحرک‌سازان اجازه می‌دهد بسیار راحت‌تر از گذشته با نور کار کنند. تابش نور، بازتاب‌ها و شکست‌ها، ساخت سایه‌های واقع‌نما و امکان نمایش سطوح مختلفی از کنتراست‌ها برای اشیا و شخصیت‌ها توسط هایپریون امکان‌پذیر شده است. این رندرکننده فرآیند ساخت انیمیشنی با صحنه‌های بسیار پیچیده را برای متحرک‌سازان به امری بسیار ساده‌تر تبدیل کرد. در مقاله پیش رو، به‌طور مختصر به این رندرکننده جدید نگاهی خواهیم انداخت.

انیمیشن «قهرمان بزرگ شماره 6» به کارگردانی دان هال و کریس ویلیامز، یک دستاورد فنی بسیار مهم برای دیزنی محسوب می‌شود. در این انیمیشن از ابزارهای متنوعی استفاده شده است که در بخش‌های مختلف به سازندگان کمک کرده است. اما هایپریون رندرکننده این شرکت مهم‌ترین این ابزارها محسوب می‌شود. این انیمیشن کمک بزرگی در آزمودن این رندرکننده و توسعه آن داشته و در شرایطی از آن در ساخت این انیمیشن استفاده شده است که هنوز در مرحله آزمایشی بود و مشخص نبود آیا قادر است از پس این پروژه برآید یا خیر. اندی هندریکسون، مدیر فناوری استودیوی والت دیزنی بیان می‌کند که حتی زمان آغاز پروژه مطمئن نبودیم آیا این نرم‌افزار از پس پروژه برمی‌آید یا خیر. هرچند این گروه روی استفاده از هایپریون و آزمودن آن متمرکز بودند؛ با این حال، یک راه‌کار جایگزین هم داشتند و آن نرم‌افزار رندرمن پیکسار بود و در صورتی که هایپریون به‌خوبی عمل نمی‌کرد، از آن استفاده می‌شد.

تعریف Baymax با نور
کریس ویلیامز می‌گوید: «یکی از ویژگی‌های جان لستر که من به آن علاقه دارم این است که سعی نمی‌کند دوباره چیزهایی را بسازد که پیش از این امتحان خود را پس داده و بین مردم محبوب شده‌اند. اگر بخواهید از یک روبات یا یک سگ (نظیر انیمیشن بولت) در فیلم خود استفاده کنید، او خواهد گفت همه روبات‌های معروف یا همه نژادهای معروف سگ را به خط کنید و چیزی پیشنهاد دهید که من تا به حال ندیده باشم.» به همین دلیل، سازندگان این فیلم به دنبال یافتن یک ظاهر منحصر به‌فرد برای روبات قهرمان فیلم بودند. دان هال از مراکز تحقیقاتی نظیر کارنگی ملون، ام‌آی‌تی و هاروارد بازدید کرد و در کارنگی ملون با محققی آشنا شد که روی Soft robotics کار می‌کرد. از آن‌جا که روبات فیلم یک روبات پرستار است، آشنایی وی با این محقق سبب شد ساختار بی‌مکس (Baymax) پیشنهاد شود. 

همین ظاهر خاص بادکنکی بی‌مکس ساخت آن را از نظر بصری با چالش‌هایی همراه می‌کرد؛ زیرا علاوه بر دشواری‌های شبیه‌سازی فیزیک چنین روباتی، شبیه‌سازی رفتار نور در چنین شخصیتی چالش‌برانگیز است. کریس ویلیامز در این باره می‌گوید: «لازم بود تا نور از میان این روبات عبور کند تا جنسیت لاستیکی آن مشخص شود. هایپریون اجازه چنین کاری را می‌داد و بیننده می‌تواند ایده‌ای از جنس ماده به کار رفته در ساخت آن به دست آورد.» نورپردازی مناسب و دقیق کمک بسیار زیادی به‌ویژه در به تصویر کشیدن این روبات دارد. دان هال در این زمینه می‌گوید: «یکی از نگرانی‌های من این بود که بیننده متوجه نشود این یک روبات است، البته بیننده از طریق داستان فیلم متوجه روبات بودن آن می‌شود. وقتی فقط بی‌مکس را بدون آگاهی از داستان فیلم در نظر بگیریم، شاید نتوان از روی ویژگی‌های ظاهری آن به روبات بودنش پی برد. به‌طور مثال وقتی پسرم نقاشی‌های اولیه این روبات را دید به من گفت “این شبح کیه؟”» از آن‌جا که داخل این روبات نوعی اسکلت‌بندی فیبر کربنی و محرک‌ها و اجزایی نظیر این وجود دارد، نور باید طوری رفتار می‌کرد که بیننده متوجه وجود چنین تجهیزاتی در بدن بی‌مکس شده و به‌طور غیرمستقیم حتی بدون توجه به داستان فیلم بفهمد بی‌مکس یک روبات است. دان هال معتقد است این نور است که ظاهر بصری بی‌مکس را تعریف می‌کند.

از سوی دیگر، فضای انیمیشن «قهرمان بزرگ شماره 6» پر از جزییاتی است که شاید با یک بار دیدن آن نتوان به همه این جزییات پی برد. ساخت شهری که در این انیمیشن به تصویر کشیده شده است، در نوع خود یک چالش بزرگ هنری و فنی بود. در ساخت این شهر به‌کارگیری روش‌های پیشین به کار رفته در رندر تصاویر پاسخ‌گو نبود و لازم بود به شیوه‌های جدیدی اندیشیده شود. اندی هندریکسون، مدیر ارشد فناوری اطلاعات استودیوی دیزنی، در این باره می‌گوید: «ژئومتری به کار رفته در این فیلم بیش از سه فیلم پیشین بود.» در این شهر که در فیلم با نام سانفرانسوکیو (ترکیبی از نام سانفرانسیسکو و توکیو) از آن یاد می‌شود، 260 هزار درخت، 250 هزار تیر چراغ برق، 100 هزار وسیله نقلیه در پانزده نوع، 83 هزار ساختمان، هزاران نفر جمعیت و میزان زیادی از جزییات به تصویر کشیده شده است. نورپردازی چنین محیطی نیازمند روش‌های جدید رندر و نورپردازی بود. از نظر نورپردازی نه تنها باید نورهایی که محیط را به‌طور طبیعی روشن می‌کردند پشتیبانی می‌شد، بلکه مواردی در فیلم است که خود آن‌ها به‌عنوان منبع نوری محسوب می‌شوند. به‌عنوان مثال، از لباس یکی از شخصیت‌ها آتش به بیرون پخش می‌شود و این آتش محیط و حتی دودی را که پس از آن خارج می‌شود، روشن می‌کند. چندصد هزار نور در شهر وجود دارد و به عقیده دریس‌کیل: «این یک چالش بود.» هایپریون نه تنها برای رندر کردن فضاهای شهری در «قهرمان بزرگ شماره 6» استفاده شد که در آن سطوح بازتاب‌کننده زیاد و منابع نوری فراوان وجود دارد، بلکه برای رندر پیچیده شخصیت‌های این فیلم هم به کار رفت. هندریکسون می‌گوید: «ما به همه روش‌های موجود نگاه کردیم و به این نتیجه رسیدیم که هیچ یک آن طور که ما می‌خواهیم عمل نمی‌کنند و در نهایت تصمیم گرفتیم شیوه خود را پیاده کنیم.» هندریکسون می‌گوید پیچیدگی این انیمیشن چنان زیاد است که انسان نمی‌تواند از پس این پیچیدگی برآید: «ما نیازمند یک سیستم خودکار بودیم.» 

رندرکننده 
برنت برلی و گروهی از استودیوی انیمیشن والت دیزنی در سال 2013 مقاله‌ای ارائه دادند که این گمانه را ایجاد کرد، این استودیو در حال کار روی یک رندرکننده اختصاصی برای خود است. ایده اصلی مقاله در سال 2011 توسط برلی مطرح شده بود و راهی جدید را برای ردیابی و پردازش پرتوهای نور در یک صحنه کامپیوتری بسیار پیچیده پیشنهاد می‌داد. هنک دریس‌کیل، ناظر فنی این انیمیشن، می‌گوید انتشار آن مقاله خیلی سر و صدایی ایجاد نکرد: «همه می‌گفتند اجرای چنین ایده‌ای عملی نیست.» روش به کار رفته در هایپریون دو تفاوت اساسی با روش‌های معمول دارد؛ نخست این‌که در این روش شعاع‌های نوری دسته‌بندی می‌شود و مهم‌تر این‌که تا پیش از این دسته‌بندی، هیچ عمل سایه‌زنی انجام نمی‌شود. با چنین تکنیکی می‌توان به‌طور مؤثر از حافظه و توان پردازشی استفاده کرد. در رندرکننده‌های دیگر که از حافظه‌کش استفاده نمی‌کنند، به‌منظور جبران محدودیت‌های سخت‌افزاری در رندر صحنه‌های پیچیده، سطح تعامل نور را با محیط و سایه‌ها کاهش می‌دهند. هایپریون در نقطه مقابل چنین روشی عمل می‌کند و امکان تعامل گسترده نور و سایه‌زنی‌های پیچیده را در یک ژئومتری بسیار وسیع در اختیار قرار می‌دهد. 
مبنای رندر تصاویر در این فیلم، شیوه‌ای جدید از تکنیک نورپردازی سراسری است. به‌زعم دریس‌کیل روشی که امکان محاسبه ده میلیارد و پانصد میلیون شعاع نوری را در هر فریم فراهم کرد. ایده کلی استفاده شده در این رندرکننده فوق‌العاده قدرتمند است. پرتوهای نور بر اساس این‌ بسته‌بندی می‌شوند که به کدام بخش از صحنه فرستاده می‌شوند: «ما فکر می‌کردیم این ایده ارزش امتحان کردن دارد.»

روش معمول در سایر رندرکننده‌های مبتنی بر نورپردازی سراسری و ری تریسینگ این است که بعد از بارگذاری صحنه، شعاع‌های نوری به سمت اشیای داخل صحنه فرستاده می‌شود. هر پرتو بعد از برخورد با شیء براساس جنس آن شی به نوبه خود به پرتوهای دیگری تقسیم و در جهات مختلف منتشر می‌شود و این پرتوها هم بسته به این‌که به چه شیئی برخورد می‌کنند، پرتوهای دیگری ایجاد می‌کنند و این فرآیند به‌طور مداوم تکرار می‌شود. به ‌این ترتیب، حجم زیادی از پرتوها به‌طور مستقیم و غیرمستقیم در صحنه ایجاد می‌شوند که کار محاسبات مربوط به نورپردازی صحنه را بسیار دشوار می‌کند و در نتیجه برای محاسبه همه برخوردها، حجم زیادی از حافظه توسط این رندرکننده‌ها مصرف می‌شود.
 برای حل این مشکل، در رندرکننده هایپریون از ایده «بسته‌بندی پرتوها» کمک گرفته شده است. لازم به یادآوری است که یک فرآیند رندر را می‌توان به دو گام اساسی تقسیم کرد. نخست فرستادن پرتوهایی به سمت صحنه و بعد، محاسبه رفتار این پرتوها پس از برخورد با عناصر موجود در صحنه است. با بسته‌بندی کردن پرتوهایی که قرار است در جهات تقریباً مشابهی در صحنه فرستاده شوند، می‌توان به‌طور ساده‌تری رفتار آن‌ها را محاسبه کرد. در هایپریون کار با ارسال پرتوهای نور از دوربین آغاز می‌شود. چند صد میلیون پرتو در بسته‌هایی متشکل از 33 میلیون پرتو بسته‌بندی می‌شوند و هر بسته نوری به سوی یک بخش خاص تصویر می‌روند. رندرکننده برخوردهای حاصل از این بسته نوری را ثبت می‌کند و سپس به سایه‌زنی می‌پردازد. بنابراین، همه نورهایی که به‌طور مثال به یک صندلی می‌رسند، به‌طور هم‌زمان پردازش می‌شوند. در نتیجه، فرآیند سایه‌زنی در هر مرحله پرتوهای جدیدی ایجاد می‌شود و به‌جز در حالتی که شی مورد نظر منبع نور باشد، در بقیه موارد نورها بار دیگر بازگشت داده می‌شود.

هندریکسون این فرآیند را چنین توضیح می‌دهد: «هایپریون رفتار پرتوهای نور در دنیای واقعی را در کامپیوتر مدل‌سازی می‌کند. وقتی پرتوهای نور در یک اتاق پخش می‌شوند، پس از برخورد با اشیای مختلف به جهاتی پراکنده می‌شوند. اگر به یک جسم برخورد کند، به صدها پرتو با انرژی‌های کم‌تر می‌شکند. این روند برخورد و بازتاب به‌طور مداوم تکرار می‌شود. هایپریون قادر است این فرآیندها را به‌خوبی سازماندهی و آن‌ها را طوری دسته‌بندی کند که برای یک کامپیوتر به‌سادگی قابل درک باشد. از این طریق به‌طور بهینه از مخزن‌ها و حافظه استفاده می‌شود. وقتی این کار را انجام دادیم، متوجه شدیم که می‌توانیم بیش از پیش از توان محاسباتی کامپیوتر استفاده کنیم.» 

کار روی رندرکننده
هال در سال 2011 کار روی این فیلم را آغاز کرد و در نوامبر آن سال برنت برلی ایده خود را درباره یک نوع جدید از ری‌تریسر (Raytracer) با هندریکسون در میان گذاشت. هیجده ماه بعد کار تولید فیلم آغاز شد. هندریکسون اشاره می‌کند که برنت گفته بهتر است در ساخت این فیلم از این روش استفاده کنیم.
تا آن زمان استودیوی دیزنی کار رندر فیلم‌های خود را با استفاده از نرم‌افزار رندرمن شرکت پیکسار انجام می‌داده است. هندریکسون از برنت و گروهش خواست تا آزمایش‌هایی را با مقادیر مختلفی از ژئومتری انجام دهند. به گفته هندریکسون آزمون‌های اولیه رضایت‌بخش و گام بعدی حرکت به سوی استفاده از این روش جدید رندر بود. در اوایل سال 2013 اعلام کرد که به یک دوراهی رسیده‌اند. جایی که باید تصمیم بگیرند آیا از هایپریون استفاده کنند یا خیر. آزمون‌ها روی این نرم‌افزار بسیار رضایت‌بخش بود و به نظر می‌رسید می‌تواند روش جدیدی برای کار باشد.

کار توسعه هایپریون که توسط گروه فناوری استودیوی انیمیشن والت دیزنی با همکاری هنرمندان انجام شده است، بیش از دو سال زمان برده است که گروهی حدوداً ده نفره روی هایپریون کار کردند. ساخت چنین فیلم‌هایی حدود چهار سال طول می‌کشد. نوشتن برنامه هایپریون حدود دو سال و به کار گرفتن از آن هم یک سال زمان برد. سال نخست نوشتن هایپریون صرف آزمودن این مطلب شد که آیا این روش‌های جدید رندرینگ واقعاً کار می‌کند و چگونه می‌توان آن را به آن‌چه دلخواه است نزدیک و بهینه‌سازی کرد. گروه برنامه را می‌نوشت و به‌طور هم‌زمان از آن استفاده می‌کرد. دان هال می‌گوید: «همین که کار روی فیلم را شروع کردیم، از این موضوع اطلاع داشتم که آن‌ها در حال توسعه هایپریون هستند و این به‌طور بالقوه نخستین فیلمی خواهد بود که از این فناوری استفاده می‌کند. ملاحظاتی وجود داشت؛ زیرا این فناوری هنوز آزمایش نشده بود و آماده نبود. آیا می‌توانست این فیلم فوق‌العاده پیچیده با این جزییات بسیار زیاد، دنیای مفصل و زنده و نورپردازی‌های سینمایی را پوشش دهد؟ این فناوری دقیقاً مناسب چنین پروژه‌ای است. با این حال، زمانی که کار ساخت فیلم شروع شد، نمی‌دانستیم این فناوری به‌خوبی عمل می‌کند یا نه. این فناوری در نهایت امکان انجام کارهایی را به ما داد که به روش دیگری امکان‌پذیر نبود. سایر بسته‌های نرم‌افزاری رندر و نورپردازی نمی‌توانستند آن را انجام دهند و هایپریون در واقع یک ابرقهرمان بود.» 

رندرفارم
برای تولید این انیمیشن، نیاز فوق‌العاده زیادی به توان پردازشی بود. دیزنی مالک یک رندرفارم بسیار ویژه است که در واقع یک سیستم ابری است که در چهار تأسیسات فیزیکی گسترده شده است. سه رندرفارم دیزنی در لس‌آنجلس به همراه یک رندرفارم در سانفرانسیسکو به هم متصل شدند تا این ابرکامپیوتر متشکل از حدود 4600 کامپیوتر ایجاد شود. این ابرکامپیوتر به 55 هزار هسته مجهز بود. در مقام مقایسه، برای تولید انیمیشن «یخ‌زده» (Frozen) از 26 هزار هسته استفاده شده بود. این ابررایانه ابری که حدود هفتاد و پنجمین ابررایانه قدرتمند دنیا محسوب می‌شود، 400 ترابایت حافظه دارد، مصرف توان آن حدود یک و نیم مگاوات است و ارتباط آن طریق اتصالات اترنت 10 گیگابیتی برقرار می‌شود و قادر است 1.1 میلیون رندر ساعت در روز انجام دهد. CODA که یک سیستم مدیریت خودکار است، جریان اطلاعات پردازش شده از چهار رندرفارم را هدایت می‌کرد. سیستم تقسیم کار CODA که اختصاصی دیزنی است باعث می‌شود که کل این چهار منطقه به‌صورت یک سیستم مجازی یک‌پارچه دیده شود. سیستم CODA حدود سه سال پیش ساخته شده بود و نظیر ایده Bundled، این رندرفارم هم ایده‌ای بوده که به نظر خیلی‌ها پیاده‌سازی آن در عمل غیرممکن بود. با در اختیار داشتن این ابرکامپیوتر برای پردازش تصاویر، هنرمندان می‌توانستند نتایج کار خود را صبح روز آینده ببینند. حدود 400 هزار وظیفه پردازشی در یک شب پردازش و هر روز هفته این کار انجام می‌شد. کار پردازش چهار تا پنج ماه طول کشید.

ادای دین هنر به علم
انیمیشن «قهرمان بزرگ شماره 6» نوعی ادای دین هنر به علم است. در این انیمیشن علم ذاتاً یک تهدید به شمار نمی‌رود و شخصیت‌های آن دانشمندانی هستند که با کمک علم خود به ابرقهرمانانی تبدیل می‌شوند. فضاهای بسیار پیچیده این فیلم فرصتی برای دیزنی فراهم کرد تا بیش از پیش بر خود و دانش و هنر اعضای خود متکی باشد و هنر و دانش را در قالب داستانی جذاب و پرکشش به مخاطب عرضه کند. «قهرمان بزرگ شماره 6» پیش‌رفته‌ترین انیمیشن دیزنی محسوب می‌شود و ریسک بزرگی که این شرکت در استفاده از رندرکننده جدید خود پذیرفت، می‌تواند بسیار آموزنده باشد. 
ویلیامز می‌گوید: «متحرک‌سازی یکی از گونه‌های هنری است که بیش‌ترین میزان همکاری بین اعضا را نیاز دارد. هیچ کس نمی‌تواند کل فرآیند را توضیح دهد. بنابراین، هریک از ما بر توانایی‌های یکدیگر تکیه می‌کنیم.» دریس‌کیل بیان می‌کند که فیلم بعدی دیزنی فیلمی با شخصیت‌هایی پوشیده از مو و خز است. این گروه باید همان طور که برای انیمیشن «قهرمان بزرگ شماره 6» موفق به ری‌تریسنگ سطوح سخت شدند، فکری هم برای رندر خز و مواد زیستی کنند.

برچسب: