Què és un sistema de partícules en l’art digital?
Fum, espurnes, eixams, núvols de llum: bona part del moviment en l’art digital està fet de partícules. Aquesta exploració explica què és un sistema de partícules, com funcionen les seves regles, per què peces tan simples acaben formant imatges complexes i en què es diferencia d’una simulació física o d’un sistema generatiu, amb fotogrames reals de Matter, Nebula i Vortex.
Un sistema de partícules és una manera de dibuixar alguna cosa com una gran quantitat d’elements petits, les partícules, que es mouen totes amb les mateixes regles simples. Una partícula sola no sembla gran cosa: un punt amb una posició, una velocitat i potser un color o una edat. Juntes, milers de partícules es poden llegir com a fum, un estol d’ocells, un núvol de gas o un camp de llum que es desvia quan hi passa la mà.
D’on ve la idea
El terme ve de la infografia. El 1983, William T. Reeves, que llavors treballava a Lucasfilm, va publicar Particle Systems: A Technique for Modeling a Class of Fuzzy Objects, on descrivia el mètode que hi havia darrere del foc que s’estén per un planeta a l’"efecte Gènesi" de Star Trek II: La còlera de Khan (1982). El seu argument era senzill: el foc, els núvols o l’aigua no tenen una superfície fixa que es pugui modelar, de manera que és més fàcil descriure com moltes coses diminutes neixen, es mouen, canvien i moren.
Els artistes van adoptar la idea de seguida. L’animació Particle Dreams (1988), de Karl Sims, aplicava regles de comportament a milers de partícules per crear una tempesta de neu, una cascada i un cap inquiet. Avui el mateix principi funciona en motors de videojocs, programes d’efectes visuals i biblioteques de programació creativa, i també al navegador, a la targeta gràfica d’un mòbil normal.
Què és una partícula i què la mou
En la majoria de sistemes, una partícula és una llista curta de nombres: on és, amb quina rapidesa i en quina direcció es desplaça (la seva velocitat) i, de vegades, la seva edat, la seva massa o el seu color. El sistema repeteix el mateix cicle moltes vegades per segon, per a cada partícula:
- Sumar les forces que actuen al lloc on és la partícula.
- Canviar una mica la seva velocitat en aquella direcció.
- Desplaçar-la segons la velocitat.
- Dibuixar-la.
Gairebé tot el que és interessant passa a la primera passa. Una força és qualsevol regla que digui "empeny cap aquí, en aquest lloc". L’atracció acosta les partícules a un punt i la repulsió les allunya, normalment amb menys intensitat com més lluny són. Un camp de flux dona una direcció a cada lloc, com un corrent a l’aigua. L’esmorteïment treu una mica de velocitat a cada fotograma perquè res no surti disparat per sempre. Molts sistemes també tenen emissors, que creen partícules noves, i un temps de vida després del qual cadascuna s’apaga.
És la velocitat el que fa que el resultat sembli físic. Una partícula no salta cap on apunta la força: hi gira al llarg de diversos fotogrames, se’n passa i fa corbes. Aquesta inèrcia explica per què un camp de partícules sembla que tingui pes.
Com peces simples creen imatges complexes
Cada regla cap en una o dues línies, i tot i així la imatge que produeixen gairebé mai no és previsible. Els dos fotogrames de sota surten d’un petit sistema escrit per a aquesta història: 6.000 partícules escampades a l’atzar, cadascuna llegint el mateix corrent suau i acostant a poc a poc la seva velocitat a la d’aquest corrent. Cap partícula no sap que les altres existeixen.
En pocs segons, la dispersió inicial s’ha organitzat en bandes, remolins i bassals buits. Ningú no ha dibuixat aquestes bandes: apareixen perquè milers de partícules segueixen el mateix camp i s’acumulen on convergeixen els seus corrents. Això és el que vol dir emergència: una estructura a l’escala del conjunt que cap regla no descriu a l’escala de cada peça. La guia sobre l’art generatiu interactiu segueix la mateixa idea a través del Joc de la vida i dels boids, sistemes en què els agents sí que reaccionen els uns als altres.
Tres móns, tres tècniques
És temptador pensar que tota imatge de partícules és una simulació física. Els tres móns de partícules de Synfield mostren que no és així, i la diferència es veu tan bon punt saps on mirar.
Matter: una simulació
Matter és un sistema de partícules en el sentit clàssic. Fins a unes 65.000 partícules conserven la seva posició i la seva velocitat d’un fotograma a l’altre, guardades a la targeta gràfica i actualitzades a cada fotograma. Cadascuna és arrossegada per un corrent calculat com el rotacional d’un camp de soroll, una tècnica que Robert Bridson i els seus col·legues van presentar a Curl-Noise for Procedural Fluid Flow (2007), que crea remolins sense amuntegar les partícules, més un petit terme addicional que les aplega en filaments. Al damunt hi entren les teves forces: el punter del ratolí atreu i remena, el codi llegeix un palmell obert davant la càmera com una empenta, mantenir els dits en pinça cava un pou de gravetat i, en deixar-los anar, en surt una ona.
Nebula: calculada, no simulada
Nebula té fins a 52.000 punts, però cap no recorda on era. Cadascun té un lloc fix dins d’un núvol generat quan s’obre el món. A cada fotograma, la targeta gràfica calcula on ha d’aparèixer cada punt a partir d’aquest lloc, del temps, de com d’oberta és la mà, de la posició del punter i de qualsevol ona de xoc en curs. Quan tanques la mà, les capes interiors es recullen primer i les exteriors després, perquè segueixen dues molles diferents.
El núvol es mou com un fluid, però és més a prop d’una animació guiada per regles. Com que res no s’acumula d’un fotograma a l’altre, sempre torna a trobar la seva forma.
Vortex: una sola magnitud amb memòria
Vortex dibuixa desenes de milers de traços curts al voltant d’un nucli fosc. Les seves posicions també es calculen: cada traç té la seva pròpia òrbita i gira amb una rotació compartida que és més ràpida a prop del centre, de manera que el disc es cisalla. El que té memòria és un sol nombre, el gir. Dibuixar cercles mentre subjectes el vòrtex fa créixer aquest nombre; quan el deixes anar, la fricció el redueix a poc a poc.
Partícules, física i sistemes generatius
Els tres termes s’encavalquen, però no són sinònims.
| Terme | Què és | Exemple |
|---|---|---|
| Sistema de partícules | Una manera de representar alguna cosa com molts elements petits moguts per regles | Espurnes i fum en una pel·lícula, Matter, Nebula |
| Simulació física | Un model que segueix de prop les lleis de la física i es contrasta amb mesures | L’aire al voltant d’una ala, una prova de xoc |
| Sistema generatiu | Un procés de regles, sovint amb atzar, que produeix l’obra amb una certa autonomia | El Joc de la vida, un dibuix de plòter |
Un sistema de partícules pot formar part d’una simulació física, com quan els enginyers segueixen les gotetes d’un esprai. En art, però, les forces se solen triar perquè es veuen i se senten bé, no perquè siguin exactes: els corrents de Matter no són aire ni aigua reals. Per això la major part de l’art de partícules també és art generatiu. Qui crea dissenya les regles, i el sistema produeix imatges que ningú no ha dibuixat una per una.
Per què les partícules encaixen amb l’art interactiu
Les partícules responen bé a una persona perquè cadascuna reacciona al que té al voltant. Una mà o un punter són només una força més dins la mateixa suma que el corrent, de manera que el sistema no necessita entendre un gest per respondre-hi. La resposta és contínua, no un interruptor, i com que les partícules tenen inèrcia, un moviment deixa un rastre que dura uns segons després que t’aturis. Això s’assembla molt al circuit d’actuar i rebre resposta que es descriu a Què és l’art interactiu?.
Si en vols construir un, el llibre gratuït en línia The Nature of Code, de Daniel Shiffman, té un capítol molt clar sobre sistemes de partícules, i la pàgina de Craig Reynolds sobre els boids mostra què passa quan les partícules comencen a guiar-se per les veïnes.
En resum
Un sistema de partícules està fet de molts elements simples, un cicle i un conjunt de forces. Les forces donen caràcter a la imatge: els corrents aporten deriva, l’atracció i la repulsió aporten una resposta a un punt, la inèrcia aporta pes. I no tota imatge de partícules és una simulació. Algunes es tornen a calcular des de zero a cada fotograma, i d’altres conserven una sola magnitud amb memòria. Fixar-se en aquestes decisions és una bona manera de llegir qualsevol obra feta de partícules.