Компьютерные аниматоры и дизайнеры видеоигр вскоре смогут получить лучший способ воссоздать пурпурно-зеленый блеск крыльев гракла или розовую вспышку на горле колибри благодаря новому методу визуализации переливающихся перьев.

Исследователи из лаборатории Стива Маршнера, профессора компьютерных наук в Cornell Ann S. Bowers College of Computing and Information Science, в партнерстве с технологической компанией NVIDIA смоделировали, как свет отражается от различных типов радужных перьев птиц. Используя образцы из Cornell Lab of Ornithology в качестве эталона, они создали цифровые изображения , которые меняют цвет под разными углами и, в отличие от более ранних моделей, включают крошечные вариации, которые придают настоящим перьям их блестящий вид.

«Естественные переливающиеся вещи всегда будут обладать этими несовершенными качествами», — сказал Маршнер.

Юньчэнь Юй, докторант в области компьютерных наук, представил исследование «Моделирование внешнего вида радужных перьев с помощью разнообразных наноструктур» 6 декабря на конференции SIGGRAPH Asia 2024, где оно получило награду за лучшую работу.

Ю давно увлекается биологической иризацией — сверкающим блеском некоторых рыб, лягушек и перьев. В то время как большинство цветов происходит от пигментов, иризация возникает в результате взаимодействия света с наноструктурами внутри клеток, которые можно увидеть только под микроскопом, которые избирательно отражают определенные длины волн.

Для своей первой попытки моделирования биологической переливчатости Юй и ее коллеги выбрали птиц, поскольку с перьями легко работать.

«У птичьих перьев есть преимущество в том, что структуры находятся прямо на поверхности, поэтому они не зарыты, скажем, под рыбьей кожей… или множеством других структур, которые нужно имитировать», — сказал Маршнер. Наноструктуры в перьях расположены в бородках — крошечных нитях, которые слишком малы, чтобы их можно было увидеть невооруженным глазом, которые выступают из бородок, горизонтальных нитей, которые крепятся к центральному стержню пера.

Была только одна проблема: Юй ужасно боялся птиц.

Когда она впервые посетила Лабораторию орнитологии, ей пришлось отправить туда своего соавтора, Брюса Уолтера, научного сотрудника Корнеллского университета, чтобы тот поработал с сохранившимися шкурами, сфотографировал их и вырезал головы.

Используя диаграммы из литературы по орнитологии, Юй смоделировала форму бородок с наноструктурами внутри и использовала обрезанные фотографии для проверки своих результатов. Исследование включало семь видов, которые охватывали различные типы радужности у птиц и чьи наноструктуры были определены ранее — кряква, сизый голубь, бронзовокрылая птица, павлин, сорока, скворец и колибри.

Затем Юй смоделировала, как каждая наноструктура рассеивает световые волны. Ее модель также включала некоторую случайность, чтобы смоделировать крошечные вариации, которые происходят в природе, что придавало визуализациям реалистичные блики.

«Барбулы похожи на снежинки», — сказал Юй. «Невозможно найти две одинаковые».

Последним шагом было создание изображений самих перьев. Ранее соавтор Андреа Вайдлих из NVIDIA создала модуль в программе графического рендеринга для создания перьев от стержня до бородки, а Юй интегрировал модель радужности.

В результате этого процесса быстро и точно получаются отдельные перья и части птиц, которые блестят и меняют цвет на свету.

Исследователи утверждают, что следующим шагом станет включение модели в более удобный для художников интерфейс, чтобы дизайнеры могли применять ее в видеоиграх и анимации.

«Хотя для создания этих моделей требуется много вычислений, их использование в конечном итоге оказывается довольно эффективным», — сказал Маршнер. «Вы определенно можете представить себе реализацию в реальном времени, где вы могли бы использовать их в виртуальной среде или видеоигре».

В конечном итоге эту работу можно было бы расширить и для визуализации целых птиц и других радужных животных, хотя для визуализации эффектов пигментов на коже таких животных, как осьминоги и рыбы, потребуется дополнительное моделирование.

Ю указала на еще один положительный результат этой работы: она больше не боится птиц. К третьему походу в Лабораторию орнитологии она наконец смогла обращаться с образцами. «Я думаю, что моя фобия птиц с детства излечилась после этого проекта», — сказала она.