Une étude aborde les défis de l’animation numérique des cheveux enroulés

Nous sommes habitués à voir de nombreux aspects de notre monde quotidien représentés en infographie, mais certains phénomènes restent difficiles à comprendre, même pour les animateurs les plus expérimentés. Les cheveux, en particulier les cheveux très bouclés qui sont les plus courants chez les personnages noirs, restent un défi numérique notoirement difficile.

Une partie de ce problème réside dans le manque d’algorithmes. De nombreux articles techniques ont été rédigés au cours des dernières décennies proposant des algorithmes pour les cheveux, mais ils se sont concentrés sur les caractéristiques les plus étroitement associées aux caractères blancs : les cheveux raides ou ondulés. Le nombre d’articles rédigés pour les cheveux très bouclés (c’est-à-dire les cheveux noirs) est pratiquement nul.

Un nouvel article sera présenté lors de la conférence SIGGRAPH Asia en décembre. Il s'agit de la première à examiner les propriétés géométriques des cheveux fortement enroulés et à proposer des méthodes pour reproduire leurs propriétés visuelles uniques (figure 1).

C'est la première fois qu'un article sur ce sujet est publié à la conférence, qui, avec sa conférence sœur, SIGGRAPH North America, existe sous diverses formes depuis 51 ans. Considérée comme la conférence la plus importante dans le domaine de l'animation par ordinateur, elle réunit des leaders du monde universitaire et de l'industrie.

Pour l'étude, dirigée par Theodore Kim, professeur d'informatique à Yale, l'équipe de recherche a identifié une variété de phénomènes visuels uniques qui émergent dans les cheveux très enroulés. « Lorsque vous arrêtez de considérer les cheveux comme une parabole et plutôt comme une hélice à haute fréquence, beaucoup de choses intéressantes se produisent », a rapporté Kim.

En collaboration avec le professeur AM Darke, expert en cheveux noirs, de l'Université de Californie à Santa Cruz, l'équipe a rapidement réalisé qu'il se passait beaucoup plus de choses avec les cheveux proches du cuir chevelu. Les follicules de cette région forment souvent une couche épaisse et spongieuse, mais à mesure qu’ils s’éloignent du cuir chevelu, ils s’auto-organisent en boucles hélicoïdales. L'article a donné un nom à ce phénomène, « verrouillage de phase », et propose une méthode de Fourier pour le calculer (figure 2).

« Ils ne forment pas une boucle parfaite, ils sortent directement du cuir chevelu », a déclaré Kim. « Chaque cheveu est déjà une hélice, mais ils n'ont pas encore de relation les uns avec les autres. Mais si vous leur donnez suffisamment d'espace à mesure qu'ils poussent, ils se verrouillent en phase dans ces boucles cohérentes. C'est incroyable. »

Ensuite, il y a les « lacets ». C'est à ce moment-là que la direction de la bobine change de direction à mi-chemin. Ce sont les courbes en forme de fibres que l'on retrouve partout dans les cheveux très enroulés et qui pourraient également être familières avec les Slinkies emmêlés ou les cordons téléphoniques enroulés (figure 3).

« Nous avons demandé à certains des meilleurs techniciens du secteur : « Avez-vous trouvé comment obtenir cette forme ? », a-t-il répondu. « La réponse a été non. En fait, l'un des plus grands experts en cheveux noirs numériques a déclaré : « Non, je voulais cette forme depuis longtemps, et je pensais que ce serait facile, mais cela s'est avéré très difficile, et j'ai dû le faire. pour m'en passer.' »

Un troisième phénomène qu'ils identifient est le « saut de règles », dans lequel un cheveu individuel se détache temporairement de sa boucle fusionnée (figure 4). Selon eux, capturer précisément cette caractéristique est crucial pour obtenir le large éventail de looks caractéristiques des cheveux très bouclés (figure 5).

Dans chacun de ces cas, les chercheurs ont développé une méthode informatique pour représenter efficacement ces phénomènes. L'étudiante diplômée de Kim, Haomiao Wu, s'est appuyée sur sa formation en physique pour développer un algorithme permettant de créer la forme d'un « lacet ». La botanique est un de ses points de départ, notamment les plantes à tiges spiralées.

« Personne n'avait étudié la manière dont on calcule les points dans l'espace qui composent réellement la forme réelle », a-t-il déclaré. « À notre connaissance, son algorithme est le premier à calculer directement cette forme. »

Ce ne sont là que quelques-uns des nombreux détails qui ont été négligés dans le domaine de l’animation par ordinateur lorsqu’il s’agit d’animer des cheveux très enroulés. Parce que les algorithmes capillaires se concentrent traditionnellement sur les cheveux lisses, a-t-il déclaré, « il manque des tonnes de choses » lorsqu'il s'agit de cheveux afro-texturés.

« Aucun de ces phénomènes n'apparaît sur les cheveux raides », a déclaré Kim. « En conséquence, personne n'a jamais pensé à concevoir un algorithme pour eux. Les coupes de cheveux très courantes comme les décolorations naturelles n'avaient jamais été étudiées auparavant » (figure 6).

Kim a noté que le fait d'avoir le professeur Darke, qui est également un artiste professionnel, comme collaborateur du projet a aidé l'équipe à faire des observations qui auraient été impossibles autrement.

« C'est ainsi que les algorithmes d'infographie ont été générés depuis le tout début », a déclaré Kim. « Un artiste et un scientifique rassemblent leurs connaissances et créent quelque chose de vraiment intéressant qu'aucun d'eux n'aurait pu faire individuellement. »

Idéalement, a déclaré Kim, chaque type de cheveux finira par recevoir la même attention dans le domaine que les cheveux raides et ondulés.

« Dans le passé, on pensait que si nous obtenions des cheveux lisses, tous les autres types de cheveux seraient également résolus, mais ce n'est pas du tout vrai », a-t-il déclaré. « J'aimerais vraiment voir des articles sur chaque type de cheveux. Il n'est pas nécessaire qu'ils s'intègrent tous dans un grand modèle universel. Quand les gens essaient de le faire, ils finissent par être le modèle de cheveux raides avec une moitié de cheveux. des extensions de cheveux bouclés au cœur. »

Même si certains acteurs du domaine ne voient toujours pas la nécessité de diversifier les algorithmes capillaires, certains signes montrent que des progrès sont en cours. Outre l'article de Kim et de ses collaborateurs, une équipe de Microsoft présentera également au SIGGRAPH Asia un sujet similaire.

« Les gens commencent à comprendre que lorsque vous traitez différents types de cheveux comme des questions scientifiques de premier ordre, cela ouvre la porte à de nombreuses nouvelles recherches intéressantes. »