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MoXi: Real-Time Ink Simulation (page 3/6) (continue)
Face to face with Nelson S.-H. Chu
CGV:為何虛擬水墨需要用模擬運算?
Nelson:如果你有玩過水墨畫,會發現當水用得較多時,在宣紙上會出現有流動感的墨象,我相信這些墨象是由水之流動所造成,但水在宣紙的纖維間流得很慢,不易被肉眼看出。於是我便用攝錄機拍下整個滲化過程,之後看回快鏡重播時,我們便不難看到水之流動,而這也肯定了仿真水墨是需要用上一個完整的Fluid Simulation (流體摸擬運算),而不應像前人般,只用Diffusion (擴散) 來摸擬。
Nelson:不過要做到實時Computational Fluid Dynamics(CFD)是有一定難度的,其實之前有人也做過,例如Mark J. Harris (University of North Carolina at Chapel Hill/NVIDIA Corporation),2003年他發表了他把Jos Stam 的CFD方法帶到GPU上的工作。當然方法也不只一種,CFD在歷史上的出現,其實可追溯至二次大戰前,而在大戰後有了大型電腦出現,CFD便得到篷勃發展,計算方法也變成五花八門。而最近的20年,又出現了一種名為”Lattice Boltzmann” 的新方法。我得知這種新方法,是因為看到由State University of New York at Stony Brook的CG 研究人員在2002年所寫的文章。Lattice Boltzmann方法十分適合parallel processing (並行處理),在現代的GPU上跑是非常cost-effective (具成本效益)的。所以我也選用Lattice Boltzmann來模擬水墨。
Nelson: 定了用Lattice Boltzmann後,也不是一拍即合的。為了乎合水墨的情況,我把Lattice Boltzmann 的方程式改了一下。因為自己始終不是專修物理的,所以我也很想請教一下物理專家。在05年7月,我在一國際流體力學研會中,講了一下我們的Lattice Boltzmann模型,一方面是為了想得到專家的feedback(回應),另一方面也希望可向他們介紹一下GPU的應用。在會中很高興見到Lattice Boltzmann方法的權威 Dr. Luo Li-Shi (National Institute of Aerospace, USA)。他讚我的應用十分好,說它把物理科學與藝術結合了。不過其實我最想聽到的還是他技術上的意見,可惜他工作繁忙,未暇賜教。
CGV:是否會加入潑墨的效果?
Nelson:其實一般如張大千式的潑墨,是不一定有潑的動作,他們一般都會選擇一些吸水性較低的紙,讓水墨於紙面上隨意地流動,“潑”是指“隨意”、“快速落墨”的意思。現在《寫意軒》的版本暫時仍沒做到紙面流動,不過將來有時間我會試做。之於如真的要有潑的動作,現有版本已經做到類似噴槍的效果,離潑不遠,反而問題是輸入裝置的配合。我發現Wacom出產的Intuos 2 、3手繪版其實是有由筆尖到繪板之間大約半吋高的距離感應。這是沒公開的功能,有機會我想和Wacom談談這功能的發展。
CGV: 可以講解一下為何虛擬水墨要利用上GPU嗎?
Nelson:其實就算不做水墨滲化的話,GPU還是能幫上很大忙的。我們模擬毛筆的動作時已用了很多的CPU運算資源,但繪圖系統還需要計算和畫出筆觸,如果全部運算都由CPU處理的話,就會很慢。幸好當時的GPU (我們那時是用Geforce 2 Pro) 己發展到有了pixel-buffer,這令我們可以把計算和畫出筆觸的處理分給GPU負責,要不然我們當初恐怕連25fps都沒有。
Nelson:至於要做到水墨在宣紙上滲化的效果,則更加需要靠GPU了。近年3D遊戲普及,對GPU要求大大提昇,以致其發展特別迅速,現在的GPU己可作為一個parallel 的co-processor,可應用到流體力學或其他的科學運算。而我也因此順理成章地用了GPU來模擬水墨的流動,開發上我是用了OpenGL及nVIDIA 的Cg Language來設計。
CGV:在水墨方面仍有那些地方可以改進?
Nelson:真水墨還有一些複雜的花紋我們暫時末能做到,畢竟真實與模擬仍有段距離。其實有些邊位的不規則滲化情況,就連一些專門研究物理的人亦都末能完全理解呢。我個人認為,我們未必要做到和真水墨一模一樣,有了水墨的神髓就己很好了,如果有時間改進,我想我會花較多精神於發展新效果,一些現實難以做到的新效果。