Che cos’è un sistema di particelle nell’arte digitale?
Fumo, scintille, sciami, nuvole di luce: buona parte del movimento nell’arte digitale è fatta di particelle. Questa esplorazione spiega che cos’è un sistema di particelle, come funzionano le sue regole, perché pezzi così semplici finiscono per formare immagini complesse e in che cosa si distingue da una simulazione fisica o da un sistema generativo, con fotogrammi reali di Matter, Nebula e Vortex.
Un sistema di particelle è un modo di disegnare qualcosa come una grande quantità di piccoli elementi, le particelle, mossi tutti dalle stesse regole semplici. Una particella da sola non sembra granché: un punto con una posizione, una velocità e magari un colore o un’età. Insieme, migliaia di particelle si possono leggere come fumo, uno stormo di uccelli, una nube di gas o un campo di luce che si scosta quando ci passa la tua mano.
Da dove viene l’idea
Il termine viene dalla computer grafica. Nel 1983 William T. Reeves, che allora lavorava alla Lucasfilm, pubblicò Particle Systems: A Technique for Modeling a Class of Fuzzy Objects, in cui descriveva il metodo alla base del fuoco che si propaga su un pianeta nell’"effetto Genesi" di Star Trek II: L’ira di Khan (1982). Il suo ragionamento era semplice: il fuoco, le nuvole o l’acqua non hanno una superficie fissa da modellare, quindi è più facile descrivere come tante cose minuscole nascono, si muovono, cambiano e muoiono.
Gli artisti adottarono presto l’idea. L’animazione Particle Dreams (1988) di Karl Sims applicava regole di comportamento a migliaia di particelle per creare una tormenta di neve, una cascata e una testa inquieta. Oggi lo stesso principio funziona nei motori dei videogiochi, nei programmi di effetti visivi e nelle librerie di programmazione creativa, e anche nel browser, sulla scheda grafica di un telefono qualsiasi.
Che cos’è una particella e che cosa la muove
Nella maggior parte dei sistemi, una particella è un breve elenco di numeri: dove si trova, quanto velocemente e in quale direzione si sposta (la sua velocità) e, a volte, la sua età, la sua massa o il suo colore. Il sistema ripete lo stesso ciclo molte volte al secondo, per ogni particella:
- Sommare le forze che agiscono nel punto in cui si trova la particella.
- Cambiare un po’ la sua velocità in quella direzione.
- Spostarla in base alla velocità.
- Disegnarla.
Quasi tutto ciò che è interessante succede nel primo passo. Una forza è qualsiasi regola che dica "spingi da questa parte, in questo punto". L’attrazione avvicina le particelle a un punto e la repulsione le allontana, di solito con meno intensità quanto più sono lontane. Un campo di flusso dà una direzione a ogni punto, come una corrente nell’acqua. Lo smorzamento toglie un po’ di velocità a ogni fotogramma perché niente schizzi via per sempre. Molti sistemi hanno anche degli emettitori, che creano nuove particelle, e una durata di vita dopo la quale ciascuna svanisce.
È la velocità a far sembrare fisico il risultato. Una particella non salta dove punta la forza: ci si volta nell’arco di diversi fotogrammi, va oltre e disegna curve. Questa inerzia spiega perché un campo di particelle sembra avere un peso.
Come pezzi semplici creano immagini complesse
Ogni regola sta in una o due righe, eppure l’immagine che producono non è quasi mai prevedibile. I due fotogrammi qui sotto vengono da un piccolo sistema scritto per questa storia: 6.000 particelle sparse a caso, ciascuna delle quali legge la stessa corrente morbida e avvicina a poco a poco la propria velocità a quella della corrente. Nessuna particella sa che le altre esistono.
In pochi secondi, la dispersione iniziale si è organizzata in fasce, vortici e pozze vuote. Nessuno ha disegnato quelle fasce: compaiono perché migliaia di particelle seguono lo stesso campo e si accumulano dove le sue correnti convergono. Ecco che cosa significa emergenza: una struttura alla scala dell’insieme che nessuna regola descrive alla scala del singolo pezzo. La guida sull’arte generativa interattiva segue la stessa idea attraverso il Gioco della vita e i boid, sistemi in cui gli agenti reagiscono davvero gli uni agli altri.
Tre mondi, tre tecniche
Si è tentati di pensare che ogni immagine di particelle sia una simulazione fisica. I tre mondi di particelle di Synfield mostrano che non è così, e la differenza si vede non appena sai dove guardare.
Matter: una simulazione
Matter è un sistema di particelle nel senso classico. Fino a circa 65.000 particelle conservano la loro posizione e la loro velocità da un fotogramma all’altro, memorizzate sulla scheda grafica e aggiornate a ogni fotogramma. Ciascuna è trascinata da una corrente calcolata come il rotore di un campo di rumore, una tecnica presentata da Robert Bridson e colleghi in Curl-Noise for Procedural Fluid Flow (2007), che crea vortici senza ammassare le particelle, più un piccolo termine aggiuntivo che le raccoglie in filamenti. Sopra si aggiungono le tue forze: il puntatore del mouse attira e rimescola, il codice legge un palmo aperto davanti alla fotocamera come una spinta, tenere le dita in pinza scava un pozzo di gravità e, al rilascio, parte un’onda.
Nebula: calcolata, non simulata
Nebula ha fino a 52.000 punti, ma nessuno di loro ricorda dov’era. Ognuno ha un posto fisso all’interno di una nube generata quando il mondo si apre. A ogni fotogramma, la scheda grafica calcola dove deve comparire ciascun punto a partire da quel posto, dal tempo, da quanto è aperta la mano, dalla posizione del puntatore e da qualsiasi onda d’urto in corso. Quando chiudi la mano, gli strati interni si raccolgono per primi e quelli esterni dopo, perché seguono due molle diverse.
La nube si muove come un fluido, ma è più vicina a un’animazione guidata da regole. Poiché nulla si accumula da un fotogramma all’altro, ritrova sempre la sua forma.
Vortex: una sola grandezza con memoria
Vortex disegna decine di migliaia di brevi tratti intorno a un nucleo scuro. Anche le loro posizioni sono calcolate: ogni tratto ha la propria orbita e gira con una rotazione condivisa che è più veloce vicino al centro, così il disco si deforma per taglio. Ciò che ha memoria è un unico numero, la rotazione. Disegnare cerchi mentre tieni il vortice fa crescere quel numero; quando lo lasci andare, l’attrito lo riduce lentamente.
Particelle, fisica e sistemi generativi
I tre termini si sovrappongono, ma non sono sinonimi.
| Termine | Che cos’è | Esempio |
|---|---|---|
| Sistema di particelle | Un modo di rappresentare qualcosa come tanti piccoli elementi mossi da regole | Scintille e fumo in un film, Matter, Nebula |
| Simulazione fisica | Un modello che segue da vicino le leggi della fisica e viene verificato con misure | L’aria intorno a un’ala, un crash test |
| Sistema generativo | Un processo di regole, spesso con il caso, che produce l’opera con una certa autonomia | Il Gioco della vita, un disegno al plotter |
Un sistema di particelle può far parte di una simulazione fisica, come quando gli ingegneri seguono le goccioline di uno spray. Nell’arte, però, le forze si scelgono di solito perché sembrano e si sentono giuste, non perché siano esatte: le correnti di Matter non sono aria né acqua vere. Per questo la maggior parte dell’arte di particelle è anche arte generativa. Chi crea progetta le regole, e il sistema produce immagini che nessuno ha disegnato una per una.
Perché le particelle si adattano all’arte interattiva
Le particelle rispondono bene a una persona perché ognuna reagisce a ciò che ha intorno. Una mano o un puntatore sono solo un’altra forza nella stessa somma della corrente, quindi il sistema non ha bisogno di capire un gesto per rispondergli. La risposta è continua, non un interruttore, e poiché le particelle hanno inerzia, un movimento lascia una scia che dura qualche secondo dopo che ti sei fermato. Questo somiglia molto al circuito di agire e ricevere risposta descritto in Che cos’è l’arte interattiva?.
Se vuoi costruirne uno, il libro gratuito online The Nature of Code di Daniel Shiffman ha un capitolo molto chiaro sui sistemi di particelle, e la pagina di Craig Reynolds sui boid mostra che cosa succede quando le particelle cominciano a orientarsi in base alle vicine.
In breve
Un sistema di particelle è fatto di tanti elementi semplici, un ciclo e un insieme di forze. Le forze danno carattere all’immagine: le correnti portano deriva, l’attrazione e la repulsione portano una risposta a un punto, l’inerzia porta peso. E non ogni immagine di particelle è una simulazione. Alcune vengono ricalcolate da zero a ogni fotogramma, altre conservano una sola grandezza con memoria. Notare queste scelte è un buon modo di leggere qualsiasi opera fatta di particelle.