Наука в кино: как физика и химия создают кинематографическую магию
«Кино — это способ попасть в другой мир, где у вас есть возможность увидеть, почувствовать и испытать то,
что обычно недоступно»
Стивен Спилберг
Как быстро пролетают минуты за просмотром отменного фильма! В зале гаснет свет, и вот мы уже плывём по бушующим волнам океана или ловко уходим по серпантину от погони, переживаем вместе с героями и, в самом прямом смысле, находимся в центре захватывающего сюжета.
Режиссёры всегда стремились к тому, чтобы донести свой замысел до зрителя наиболее полно. Каждый режиссёр мечтает о том, чтобы его фильм полностью захватил внимание зрителей, перенёс их в свой мир, а главное – дал возможность прочувствовать на себе всё происходящее на экране.
Некоторые исследования показали, что при просмотре сцен, связанных с холодной водой в фильме «Титаник», у зрителей возникало ощущение холода. Зрители настолько были увлечены последней частью фильма, что даже забывали о том, что всего-навсего смотрят картину в кинотеатре и им не нужно занимать место в свободной шлюпке, чтобы спастись из затонувшего лайнера.
То есть люди буквально перенеслись в сюжет картины и ощутили на себе все переживания главных героев. Но как происходит это перемещение? У режиссёров много секретов и приемов, которые помогают превращать обычные кадры в настоящее приключение, и один из них — спецэффекты.
Спецэффекты — мощный инструмент, который помогает творцам реализовывать свои самые смелые сценарии. Они делают фильм наиболее захватывающим, овладевают вниманием зрителей и воздействуют на него. Создание спецэффектов — процесс кропотливый, он требует работы большой команды и серьёзных знаний науки.
Первооткрыватели спецэффектов
Спецэффекты — достаточно давнее явление. Возраст у них старше, чем у компьютерной графики, и уж тем более у искусственного интеллекта. Они родились вместе с кинематографом и развивались, шагая с ним в одну ногу: пока зрители отходили от восторга, вызванного первой кинокартиной братьев Люмьер, режиссёры уже задумывались над тем, как удивить их снова.
Первое подобие спецэффекта появилось в короткометражном фильме «Казнь Марии Шотландской» режиссёра Парк Юрского периода. Премьера ленты прошла в августе 1895 года. Фильм длился всего 21 секунду и состоял из одной сцены — казни королевы Марии. От увиденного зрители испытали шок и восторг одновременно: многие думали, что для съёмок пришлось отрубить голову реальному человеку. Но на деле Кларк использовал стоп-кадр и подменил живого человека на куклу.
Отцом спецэффектов принято считать французского иллюзиониста и режиссёра Жоржа Мельеса. Будущий отец спецэффектов с детства интересовался искусством фокуса, а мир кино стал для него новой возможностью создавать иллюзии в других масштабах.
1 сентября 1903 года Франция увидела первый в истории кинематографии научно-фантастический фильм «Путешествие на Луну» Жоржа Мельеса. В своей картине он использовал несколько разработанных им же спецэффектов: стоп кадр, наплыв кадров друг на друга, двойную экспозицию, замедление и ускорение съемки, покадровую съемку. Бывало и так, что спецэффекты рождались сами по себе: например стоп-кадр и его эффект был обнаружен случайно при поломке камеры. То, что мы сейчас считаем совершенно обычным делом, на тот момент вызвало фурор у зрителей и навсегда изменило кинематограф.
Еще одной важной картиной, повлиявшей на развитие спецэффектов в начале XX века, стал фильм «Метрополис» 1927 года, режиссёра Фрица Ланга. В этой антиутопии был впервые использован Эффект Шюффтана. Этот приём разработал оператор фильма Эжен Шюффтан. Он предложил соединять разные части сцены с помощью зеркала. Зеркало стояло под углом 45 градусов к камере и отражало модели или рисунки, находившиеся возле камеры (под углом 90 градусов к ней). Часть зеркального покрытия стирали так, чтобы там оставалось только прозрачное стекло. Через него были видны другие миниатюры или актеры на фоне декораций. Таким образом, камера снимала сразу объединённую сцену.
Почти всеми декорациями в фильме служили миниатюры, которые до этого в кино не использовались. Это один из первых примеров использования оптических иллюзий в кинематографе.
Вместе с развитием науки, совершенствовались и спецэффекты кинематографа. Людям хотелось побывать в космосе, увидеть Марианскую впадину, поплавать на корабле с веселыми пиратами и спасти принцессу от дракона, а режиссеры только были рады воплощать желания людей и свои мечты в жизнь. Они поняли, что знания таких дисциплин, как физика и химия помогут реализовать даже самый безумный сценарий. Именно поэтому кинематограф от отправной точки в виде «Путешествия на Луну» смог добраться до «Аватара» чуть меньше, чем за двести лет.
Причем вообще тут физика?
При просмотре хорошего кино мы настолько погружены в сюжет, что вряд ли задумываемся о том, как же так: машина резко остановилась в паре сантиметров от главного героя. И как в излюбленной многими трилогии, старик Гэндальф оказался выше хоббитов почти в два раза.
Всё это мы могли бы назвать волшебством, но к счастью, для таких спецэффектов существует другое определение — физика!
Оптика и свет
Кинематограф — это, наверное, тот самый случай, когда не стоит верить своим глазам, потому что всё не то, чем кажется.
Изгибать линии, переворачивать перспективу, играть с перспективой и симметрией, делать всё, чтобы привычное стало необычным – эти приёмы давно существуют в киноиндустрии и реализовать их помогает оптика.
Оптика — раздел физики, в котором изучают оптическое излучение (свет в широком его понимании), его распространение и поведение при взаимодействии с различными поверхностями. Этот раздел науки помогает режиссёрам создавать те самые иллюзии на экране, которые заставляют зрителя верить в происходящее: иллюзии движения или изменения формы объектов, их роста, объёма и глубины.
Оптика в кинематографе неразрывно связана и с перспективой съемки. Перспектива позволяет сделать картинку на экране объёмной и глубокой. Она придает жизнь плоскому изображению, удаляет или приближает его к зрителю. То есть техническим специалистам важно рассчитать, как необходимо выстроить кадр и настроить свет, чтобы передать зрителям ту картинку, которую они задумали.
Использовать знания оптики в съёмках стали с самого начала развития спецэффектов. Принудительная перспектива — один из ранних спецэффектов, который использует оптическую иллюзию, чтобы объект казался дальше, ближе, больше или меньше, чем он есть на самом деле. Техника манипулирует зрительным восприятием с помощью масштабированных объектов, соотношения между ними и точкой обзора зрителя.
Как раз с помощью оптики и перспективы в одной из сцен первой части трилогии «Властелин колец», где Фродо и Гэндальф сидят за столом, мы видим большую разницу в росте. Все дело в специальном столе и правильном расположении актёров перед камерой.
В фильме «Пираты Карибского моря» никто не взрывал настоящий корабль. Конечно, в съёмках на самом деле участвовали реальные судна, но взрывать их было бы слишком накладно. На такой случай были специально изготовлены их миниатюры разных размеров, которые взрывали при правильно выстроенном свете и перспективе съёмки. Согласитесь, в кадре совсем не понятно, что корабли не настоящие.
Существует ещё один спецэффект – замена фона. Менять фон кинопроизводители начали в начале прошлого века: сначала стеклянные панели с нужным изображением устанавливали позади актеров, как в фильме «Миссии Калифорнии» (1907).
С появлением проекторов, фон стали проецировать на прозрачный экран за актёрами – так он мог быть уже подвижным. Вид этого спецэффекта называется рир-проекция. Рир-проекция помогает переносить актеров в нужную локацию или сделать экшн-сцены более безопасными.
Сейчас такой спецэффект используется редко: в основном его применяют для того, чтобы передать атмосферу фильма и сделать отсылку к классике кинематографа. Например, в фильме «Криминальное чтиво» Тарантино использовал рир-проекцию за неподвижным автомобилем – за находящимися в машине актёрами располагался экран, на который проецировалась дорога.
Говоря об оптических иллюзиях, мы не можем пройти мимо фильма Кристофера Нолана «Начало». В нём Нолан буквально переосмысляет пространство, чтобы погрузить зрителя в мир осознанных сновидений героев. В фильме почти отсутствует компьютерная графика и применяются практические спецэффекты. Например, используется бесконечная лестница Пенроуза. Сцена была снята вживую, без использования компьютерной графики, но с использованием великой науки. В начале сцены нам показывают конструкцию сверху и «бесконечную» череду ступеней. Затем ракурс меняют, и иллюзия рассыпается.
Наука делает возможными съёмки в таких местах нашей планеты, куда практически невозможно добраться. Восхождение в фильме «Эверест» снимали, конечно, не на самой горе. Съёмки самой вершины проходили в студии, и для реальности происходящего очень важен был свет, а все восхождения на высочайшую точку земли происходят только в определенное время суток. Технической и съёмочной группам пришлось создать такое освещение в студии и так подобрать кадр, чтобы у зрителей не возникло сомнений в том, что на экране – та самая вершина.
Теоретическая механика
Но не только оптика помогает нам окунуться в неизведанные миры фильмов. Для того, чтобы происходящее в фильме выглядело наиболее реалистично, группа техников и мастеров по спецэффектам определяют траектории движений для каждого объекта на экране, чтобы свести это в единую реальную картину. Даже при работе с 3D-анимацией без динамики и механики не обойтись.
Динамика изучает законы движения тел и помогает понять, как при различных условиях будут двигаться объекты и как они будут при этом изменяться. При этом большое значение имеет сама форма тела и материал, из которого это тело состоит, ведь всё это повлияет на его движение.
Так, механика жёстких тел помогает определить, как объекты взаимодействуют друг с другом в пространстве. Это важно для создания реалистичных столкновений, упругих и неупругих взаимодействий. При создании сцен с боевыми действиями важно учитывать физику удара и реакции персонажей.
Для расчёта столкновений машин в кино учитывают законы динамики твёрдых тел и взаимодействие деталей и материалов.
Например, в фильме «Человек с золотым пистолетом» (1974) для сцены погони Джеймса Бонда с переворотом автомобиля специалист по аэронавтике и физике полётов Реймонд МакГенри разработал специальную программу HVOSM. Она позволила отрисовать сцену на компьютере, воссоздать все особенности рельефа и рассчитать угол взлёта и приземления автомобиля. Благодаря этому режиссёры и съёмочная группа фильма понимали, как будет развиваться действие в сцене.
Перед съёмками крушения лайнера в фильме «Титаник» съёмочная группа во главе с режиссёром Джеймсом Кэмероном провели не один эксперимент на миниатюре лайнера, чтобы понять, как он должен был затонуть при данных условиях. Сначала расчёты были загружены в специальную программу, которая смоделировала катастрофу, а после её моделировали уже вживую с помощью миниатюры и взрывчатки.
Конечно, этого можно было и не делать, ведь свидетелей крушения почти не осталось,
и, как было на самом деле, сказать никто не может. Но Кэмерону хотелось максимально приблизиться к реальности, поэтому он обратился к наукам и потратил немало времени за расчётами.
Взрывы тоже не обходятся без сложных физических расчётов, которые проходят в несколько этапов. Важно рассчитать силу, направленность взрыва и его время. Техническим специалистам для реальности происходящего важно понимать давление и длину ударной волны. Зритель вряд ли поверит, если после взрыва люди в кадре, которые находились к нему в опасной близости, продолжат заниматься своими делами.
Часто полученные расчёты помогают определиться с тем, как реализовать задуманный спецэффект при сьёмке: как укрепить автомобиль, какие механизмы расположить внутри, чтобы задуманное реализовалось на экране.
В фильме «Форсаж 6» трюки с опрокидываниями автомобилей снимались вживую при помощи пневматического устройства, приводимого в действие энергией сжатого азота. Так называемую «азотную пушку» установили за креслом водителя, предварительно вварив каркас безопасности в кузов автомобиля и проделав отверстие под выстреливающую часть установки в шасси.
Но иногда режиссёрам приходится создавать новые технологии, чтобы реализовать свою идею. Джордж Лукас при подготовке к съёмке первого фильма саги «Звездные войны» понял, что не сможет осуществить задуманное с помощью существующих технологий. Он собрал группу макетчиков, механиков, художников и основал студию цифровых визуальных эффектов и компьютерной графики. Команда создала более 365 спецэффектов для картины. Их самым значимым изобретением стала система контроля движения камеры.
Раньше при съёмке транспортных средств модели объектов перемещали относительно неподвижной камеры – это мешало режиссёрам снимать миниатюры космических кораблей с разных планов. Благодаря науке, постановщики получили возможность показать космические корабли во всей красе. Модели кораблей оставались неподвижными, а камера, кадр за кадром, следовала по заранее запрограммированной траектории. Сейчас сложно представить себе работу съёмочной площадки без этих технологий. И даже страшно подумать, какими бы скучными или смешными были фильмы, не знай люди законов физики.
Химия в кино
Химия, как наука, тоже оказала значительное влияние на кинематограф, ведь без неё создание многих спецэффектов стало бы невозможным.
Многообразные природные явления в кадре, огонь, туман создаются разными способами. Для моделирования поднимающихся волн пара часто используют сухой лёд. Цвет пламени определяется температурой и тем, какие химические вещества в нём сгорают. В фильмах часто используют химический зелёный огонь, но можно получить и другие цвета. Нередко в кино используют так называемый «холодный огонь» — вид низкотемпературного пламени.
Таким пламенем горят сложные органические и неорганические эфиры, например, этиловый эфир борной кислоты.
Без фальшивой крови мы бы никогда не получили шокирующих сцен. Правда, для создания сцен с кровью,режиссёры не всегда используют химические составы; иногда они применяют и другие альтернативные средства, похожие по цвету и структуре.
Очень интересный пример использования науки в кино нам показали в сериале «Острые козырьки». Исполнитель главной роли Килиан Мерфи не курит, а вот его персонаж не выпускает сигареты из рук. Для съёмок использовались сигареты без никотина, созданные из трав. Смотрелись они естественно и совсем не вредили здоровью. Получилась целая квинтэссенция науки: химия и биология в одном флаконе!
Анимация и симуляция
С конца XX века спецэффекты в кинематографе постепенно начали заменять на визуальные эффекты, которые реализовывались с помощью компьютерной графики (CGI-Computer-Generated Imaginary). Эта технология позволяет создавать сложные и реалистичные визуальные эффекты: взрывы, сцены в космосе, фантастических существ и многое другое. В производстве CGI-анимации динамика и механика используются для моделирования движения объектов и включает в себя симуляцию движения жидкости, дыма, тканей и других материалов.
К слову, симуляция жидкости чуть ли не самая сложная задача в компьютерной графике. Для неё применяются физические модели и даже уравнения. Например, уравнение Навье-Стокса применяют для моделирования течений, волн и взаимодействия воды с окружающей средой. В том же самом фильме «Титаник» была впервые применена масштабная симуляция воды. Получилось реалистично, не правда ли?
Симуляция огня также основывается на физике и требует различных подходов. Например, с помощью использования уравнений состояния газов, моделируются температурные изменения и плотность горючих газов.
Для симуляции дыма необходимо моделирование сложных взаимодействий между газами и окружающей средой – с помощью методов вычисления динамики жидкости создаются реалистичные облака дыма.
В компьютерной графике используются системы частиц. Эти системы основываются на физических правилах и позволяют аниматорам предсказывать поведение большого количества мелких объектов, что делает эффекты более реалистичными.
Технологии кинематографа развились настолько, что зрителям уже становится сложно понять, где в фильме используется компьютерная графика, а что снято вживую. А вот мнения режиссёров по этому поводу разделились. Компьютерная графика упрощает процесс создания спецэффектов и экономит бюджеты киностудий, она наиболее безопасна для актёров и каскадёров. Но большинство режиссёров делают выбор в сторону слияния практических эффектов и CGI-анимации, потому что такой тандем гарантированно обеспечит полное погружение зрителей в любую картину.
Спецэффекты, возможно, – самое наглядное проявление научной и технической составляющей кинематографа. Несмотря на развитие компьютерной графики и искусственной реальности, физика и химия до сих пор играют важную роль в создании блокбастеров. Благодаря им продолжают появляться новые технологии съёмок, и создаются новые эффекты, которые будоражат наше сознание.
Коллаборация учёных и киностудий с незапамятных времён позволяет человечеству целиком и полностью погрузиться в фильм, прочувствовать его каждой клеточкой и поверить в то, что все возможно!
Парадокс двойной щели ждёт вас! Узнайте у частиц, как вести себя загадочно и непредсказуемо.
Спасибо!
