Plume: Industrial Light & Magic präsentiert sein Pyrotechnik-Tool mit beeindruckenden Videos
Es muss nicht immer Echtzeit sein: Die Spezialeffektkoryphäe Industrial Light & Magic setzt zur Berechnung von filmreifen Feuereffekten 128 Nvidia-Grafikkarten vom Typ Quadro FX 5800 ein.
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Quelle: PC Games Hardware/Roland Austinat
Plume: Industrial Light & Magic präsentiert sein Pyrotechnik-Tool (16)
Spektakuläre Explosionen im neuesten Hollywood-Actionhit? Die Chancen stehen gut, dass sie im Computer entstanden sind. Und noch besser, dass Industrial Light & Magic dabei seine Finger im Spiel gehabt hat. Die 1975 von George Lucas gegründete Spezialeffektfirma, die als Teil von LucasFilm seit 2012 zur Walt Disney Company gehört, hat ihren Sitz in der ehemaligen Presidio-Armeebasis in San Francisco. Von dem Blick auf die Golden Gate Bridge und den Hügeln der Marin Headlands haben die Grafikspezialisten nur in der Mittagspause in der Kantine etwas: In ihren Büros sind oft die Jalousien heruntergefahren, damit die Sonne Kaliforniens nicht störend auf die Monitore blinzelt.
Feuer aus der GPU
Auf der GPU Technology Conference 2014 stellte uns Olivier Maury im Schweinsgalopp das intern bei ILM entwickelte Pyrotechnik-Tool Plume vor. "Plume kombiniert sowohl die Strömungssimulation als auch das Volumenrendern in einem einzigen Schritt - wir müssen die GPUs, auf denen das Tool läuft, nicht durch langsame Schreib-/Lesevorgänge abbremsen", sagt Maury. Er arbeitet seit 16 Jahren bei ILM und ist heute als Principal R&D Engineer aktiv. Mit Plume berechnen die ILM-Zauberer seit The Last Airbender (2009) alle Explosionen und Feuereffekte, darunter die des Krawallstreifens Transformers 3, aus dem uns Maury eine kurze Szene vorspielt. Darin gibt es "nur" etwa 30 Plume-Elemente, doch im ganzen Film kamen rund 30.000 Effekte zum Einsatz, die in rund sieben Monaten berechnet wurden.
CPU? Nein danke!
Ziel bei der Entwicklung von Plume war es, alle Berechnungen komplett auf der GPU durchzuführen. Diese liefert entweder eine niedrig aufgelöste Vorschau oder das Endprodukt - eine Vorschaufunktion gibt es nicht. In geringer Auflösung berechnet Plume im folgenden Video eine 90 Frames umfassende Explosion aus 65 Millionen Rasterzellen in zwölf Minuten. In doppelt so hoher 2k-Auflösung braucht der Renderer für die gleichen 90 Frames eine Stunde und elf Minuten. Die Simulation ist in beiden Fällen gleich schnell. "Mit 183 Millionen Zellen wäre eine Nvidia Quadro K6000 drei Stunden und sieben Minuten beschäftigt", sagt Olivier Maury.
Seid umschlungen, Millionen!
Die Programmierer von Plume schreiben das Tool seit 2008 komplett mit CUDA und gehen bei der physikalisch korrekten Strömungssimulation ähnlich wie die Entwickler von Nvidias FlameWorks vor: Sie nutzen die MacCormack-Methode zur Berechnung der in ein Raster eingebetteten Geschwindigkeits- und Temperaturfelder - sehen Sie hierzu auch unseren Artikel zu Nvidias Feuersimulations-Tool. "Pro Zeitschritt berechnet unsere Simulation ein bis zwei Millionen Partikel", sagt Olivier Maury. "Quellausdrücke in Python, die in einer virtuellen Maschine in CUDA laufen, erlauben es unseren Grafikern, Elemente wie Turbulenzen, das erneute Erhitzen der Strömung und lokale Feldmanipulationen hinzuzufügen."
Feuer frei!
Der Volumenrenderer verarbeitet anschließend die Ergebnisse der numerischen Strömungssimulation. Das zeigt Olivier Maury im nächsten Video zuerst anhand einer Szene aus Transformers 3: Von der Darstellung der Temperatur- und Geschwindigkeitspartikel geht es zu den separaten Feuer- und Staubelemente der Szene. Im darauf folgenden Ausschnitt aus The Avengers wird Iron Man von einem Monster namens Leviathan verfolgt, das aus einem Gebäude hervorbricht. Auch hier zeigt Maury erst die Geschwindigkeits- und Dichteverteilung und dann die eigentlichen Elemente des Effekts. In einer abschließenden Szene aus Battleship ist gut zu erkennen, wie sich die Mündungsfeuer zweier Kanonen in den Geschwindigkeits- und Temperaturverteilungen ausbreiten und aus welchen Elementen eine Explosion an Deck eines Schiffs beziehungsweise eines Alien-Raumers zusammensetzt.
Wasser marsch!
Plume lässt sich nach Herzenslust parametrisieren. Soll sich eine Explosion anders ausbilden? Mehr Staub oder Rauch enthalten? Soll ein Feuer an der gleichen Stelle vor sich hin züngeln? Um den Effektdesignern das Leben zu erleichtern, enthält Plume eine große Effektbibliothek, in der jeder Effekt ein kleines Vorschaubild besitzt. Ein Klick darauf startet eine Animation, anhand derer ein Designer beurteilen kann, ob diese Explosionsart die Richtige für seine aktuelle Aufgabe ist. Außerdem beherrscht Plume noch mehr als nur die Simulation von Feuer und Explosionen. Im nächsten Video sehen Sie zwei Szenen aus Battleship und Star Trek: Into Darkness, in denen Wasser und Gischt turbulenzverwirbelt an einem außerirdischen Raumschiff sowie der guten, alten Enterprise herunterströmen.
Eine Farm mit 128 Karten
ILMs Renderfarm besteht derzeit aus 32 Systemen vom Typ Nvidia Quadro Plex 2200 S4. In jedem stecken vier Quadro-FX-5800-Grafikkarten mit je 4 GByte RAM. "Die kommen langsam in die Jahre - wir denken darüber nach, sie auf den neuesten Stand zu bringen", grinst Olivier Maury. Eine Render-Lösung mit 12 GByte RAM könnte 180 Millionen Voxel verarbeiten, während bei den derzeitigen 4-GByte-Karten 65 Millionen Voxel das Limit sind. Für die Steuerung der Renderfarm ist das mit einem technischen Oscar prämierte und wie Plume bei ILM entwickelte Tool ObaQ zuständig. "Eine GPU-Renderfarm ist keine triviale Angelegenheit", sagt Maury. "So muss man bei Stabilitätsproblemen die komplette Farm neustarten, was sehr zeitaufwändig ist - insbesondere, wenn sie gerade mit den 30.000 simulierten Effekten von Transformers 3 beschäftigt ist." Jeder dieser Effekte benötigte jedoch weniger als eine Stunde Berechnungszeit.
Plume: Nicht nur für Experten
Plume ist nicht nur ein Tool für eingefleischte Profis. "Wir haben festgestellt, dass unsere Grafiker sowohl weniger Erfahrung als auch weniger technisches Detailwissen benötigen, um mit Plume zu arbeiten", sagt Olivier Maury. "Ihre Produktivität stieg dennoch um den Faktor zehn." Nicht ohne Stolz zeigt Maury zum Abschluss seines Vortrags ein Video, in dem besonders spektakuläre Szenen aus zahlreichen Filmen zusammengefasst sind. Unter anderem sehen wir Ausschnitte aus Star Trek: Into Darkness, Battleship, The Avengers, Transformers 3, Rango und The Last Airbender, dem ersten Film, in dem Plume zum Einsatz kam.
