Muñecos de nieve casi perfectos y a menor coste

La princesa Elsa, del reino Arendelle, tiene la habilidad de crear nieve con la palma de su mano. Steve, Johannes y otros cinco investigadores solo son capaces de simularla con tal verismo que el ojo no es capaz de distinguir si se trata de una fotografía o una imagen creada por ordenador. Elsa es mucho más famosa que Steve y compañía, pero tiene una desventaja sobre ellos: es solo un personaje de ficción de la película Frozen. Detrás de su magia y de los efectos de los largometrajes de dibujos animados, se esconden millones de horas de fríos cálculos de ordenador que procesan en paralelo granjas de cientos de computadores.

Ahora, un nuevo método permitirá reducir ese tiempo: la nieve de las películas seguirá pareciendo nieve real, pero con un menor coste de tiempo y dinero. Disney Research, la división de investigación de la compañía norteamericana, se ha aliado con la Universidad de Cornell (Estados Unidos) y el Instituto Tecnológico de Karlsruhe (Alemania) para encontrar un método más ligero que produce la misma calidad en las imágenes de materiales compuestos de granos, pero empleando menos operaciones matemáticas y un menor tiempo de computación. La investigación aparece publicada en la revista especializada en ingeniería de software e imagen por ordenador ACM TOG.

En función del material que haya que reproducir, la nueva técnica reduce el tiempo de procesado a solo una décima parte, en el peor de los casos, y varios centenares de veces, en el mejor de ellos. Entre los materiales más complejos de imitar sin que el espectador se dé cuenta están la arena de la playa, la sal o, precisamente, la nieve.

En el cine de animación es más difícil representar un muñeco de nieve que un castillo de arena

Ampliado, un pequeño trozo de hielo de un muñeco de nieve es un poliedro irregular, una especie de cristal deforme y traslúcido. La luz rebota cientos de veces en sus facetas y se dispersa en sus esquinas, como una bola contra los lados de una mesa de billar. Cada cristal entretiene y confunde el haz de luz por el capricho de su forma, su tono y su grado de opacidad. A más transparencia, más distancia y peripecias recorre y vive la luz antes de extinguirse. Para complicar el asunto, cada uno de estos cristales de hielo refleja esa luz en otros cristales, sobre los que además proyecta su sombra.

Muñecos de nieve casi perfectos y a menor coste

Los algoritmos ayudan a reproducir de manera fiable esa trayectoria de la luz como si ocurriera en la naturaleza. Es lo que los informáticos denominan renderizado, un complejo cálculo que viste el esqueleto en 3D con una imitación de superficies, tejidos o materiales reales bañados por la luz. El problema crece cuando hay que reproducir ese cálculo en millones o miles de millones de cristales de hielo (también valen como ejemplos la espuma de jabón o un inocente castillo de arena). La luz que escapa, la sombra que proyecta cada grano sobre el que lo rodea, con su color, forma y opacidad particulares, multiplica las operaciones que tiene que reproducir y representar un ordenador al infinito.

Piensen en cómo la luz espejea al atravesar un vaso de agua, en cómo amarillea y se ilumina la leche en una jarra cuando incide en ella un rayo que entra por una ventana. Reparen un momento en el rojo de la falange de un dedo si se la ilumina con una linterna o en el naranja intenso de la parte de la vela que trasluce la luz de su llama. Todas estas bucólicas escenas ponen en un brete a los creadores de las películas y los expertos en imagen en 3D: el agua, la leche, la piel o la cera son para ellos medios partícipes, porque interactúan con la luz de manera caprichosa.

El nuevo método alivia el trabajo con los medios partícipes, sin que haya hecho falta descubrir nada nuevo: “Hemos cogido lo mejor de cada técnica ya disponible”, explica desde Karlsruhe Johannes Meng, estudiante de doctorado y antiguo becario en Disney. “Una de ellas, el traceado convencional de la luz, atiende a la geometría de las formas y es muy precisa, pero muy costosa en tiempo de cálculo. Otra técnica, el traceado volumétrico, no se preocupa de la geometría, sino de la interacción entre las partículas (interpreta el material no como una suma de elementos individuales, sino como una especie de nube), y exige menos tiempo de procesado. Lo malo es que es menos precisa”, aclara.

El nuevo 'software' calcula cuándo deja de merecer la pena hacer más cálculos porque, aun con ellos, los espectadores no percibirán que la imagen mejora

Los autores han combinado ambos métodos y han escrito un software que permite al ordenador decidir a partir de qué momento esa luz rebotada de un cristal a otro deja de ser perceptible al ojo humano sin comprometer el realismo de la imagen. Dicho de otro modo: cuándo deja de merecer la pena complicarse la vida con tantos cálculos porque, aun con ellos, los ojos de los espectadores no percibirán que la imagen mejora.

La cima de su logro y la ilustración estrella de su artículo es un sencillo muñeco de nieve. Por su transparencia, el personaje es más difícil de representar que un castillo de arena, otro de los ejemplos mostrados en el nuevo estudio. Que el muñeco se encuentre a la intemperie —como es lógico— también complica las cosas. La luz del sol sobre él no es cosa sencilla de reproducir: “Es una luz con mucha energía, muy intensa, que aparentemente parece difusa, pero que es capaz de penetrar tras muchas capas de hielo [dentro del muñeco]. Además, el sol es un punto relativamente pequeño en la inmensidad del cielo y no es fácil calcular a cada momento dónde se encuentra”, precisa Meng.

"Nuestro método permitirá reducir tiempo necesario para crear un muñeco de nieve realista de unas 75.000 horas —en el ejemplo incluido en el estudio— a solo 300", afirma desde la Universidad de Cornell otro de los autores del estudio, Steve Marschner, profesor del Departamento de Informática. "Ayudará a mejorar futuras producciones", aunque no se atreve a adelantar en qué películas de la factoría Disney podrán apreciarse. "En Frozen habría sido útil esta técnica, por ejemplo". ¿Hablamos de un arte o de una ciencia? El pintor Georges Seurat se esmeraba en combinar miles de puntos de color para ofrecer, vistas en su conjunto, cuadros en los que el sol iluminaba las escenas con toda naturalidad. ¿Lo suyo era arte o ciencia? "Los literatos y los críticos ven poesía en lo que hago. Pues no, yo aplico mi método, y eso es todo", afirmó. Palabra de puntillista.