Animacja komputerowa Definicja animacji jest dzisiaj bardzo

Animacja komputerowa Definicja animacji jest dzisiaj bardzo

Animacja komputerowa
Definicja animacji jest dzisiaj bardzo szeroka. Obejmuje zarówno proces tworzenia jak i jego efekt. Odnosi
się do filmu, przedstawień teatralnych, gier komputerowych reklam. Współczesna definicja animacji
obejmuje także szereg różnych operacji wykonywanych na obrazach cyfrowych.
Wyróżnia się dwa rodzaje animacji.:


Klasyczną (tradycyjną) polegającą na ręcznym wytworzeniu wszystkich elementów niezbędnych do
powstania kolejnych klatek filmu, a następnie sfotografowaniu ich.
Animację komputerową, wykonaną w całości lub częściowo technikami komputerowymi.
Warto zwrócić uwagę na fakt, że w animacji klasycznej każda klatka jest niezależnie realizowana, a każda
scena filmu musi być konsekwentnie zbudowana klatka po klatce. W animacji komputerowej można
spotkać realizacje wykonane na tej samej zasadzie, jednak częściej sposób i możliwości uzyskania
pewnych efektów zmieniają całkowicie ten systematyczny schemat. Szczególnie ma to miejsce w grach
komputerowych gdzie trudno mówić o tradycyjnym schemacie kolejnych scen i klatek, natomiast
poszczególne obrazy są generowane na bieżąco w zależności od sytuacji, przy czy jednocześnie mogą
wykorzystywać elementy wykreowane wcześniej, niezależnie od kolejności sekwencji obrazowych.
Podobnie jak w filmie aktorskim, film animowany zanim rozpocznie się jego produkcja powstaje w postaci
szeregu różnych opisów. Dotyczy to zarówno akcji filmu, jak i bohaterów. W pierwszej fazie planuje się
treść z wykorzystaniem przykładowych rysunków ilustrujących najważniejsze momenty akcji. Projektuje się
postaci, scenografię, podział na plany pierwszy i dalsze. Ważne jest aby na tym etapie uwzględnić
możliwości techniczne studia oraz jego wszystkich urządzeń (przede wszystkim rejestrujących).
Animatorzy tworzą rysunki (lub sceny czy postaci np. kukiełkowe) kluczowe. Sceny pośrednie są
wykonywane zgodnie z założeniami scenopisu – zgodnie z przebiegiem i tempem akcji.
Po poprawkach i naniesieniu szczegółów obraz trafia na taśmę filmową lub video.
Tradycyjny film jest wyświetlany z częstotliwością 24 klatek na sekundę, NTSC TV wyświetla 30 obrazów
na sekundę, PAL TV – 25.
Podstawy dzisiejszej animacji zawdzięczamy Disneyowi i jego pracom z lat trzydziestych XX wieku. Prace
te pozwoliły uzyskać płynny przebieg akcji i naturalne ruchy bohaterów.
Komputer jest wykorzystywany w animacji tradycyjnej do modelowania ruchu i tworzenia precyzyjnego
planu, do sterowania urządzeniami laboratorium oraz w postprodukcji do prac związanych z montażem i
synchronizacją dźwięku.
Pierwsza zasadnicza różnica charakteryzująca animację komputerową występuje już na etapie planowania
filmu, gdyż możliwości techniczne odgrywają większą rolę niż w animacji tradycyjnej. Scenariusz powstaje
tutaj na drodze kompromisu między oczekiwaniami, możliwościami realizacyjnymi, czasem wykonania i
związanymi z tym kosztami. Wybór formy filmu jest wyborem konkretnych możliwości technicznych.
Główny etap tworzenia filmu obejmuje cykl modelowania obiektów (bohaterów, scenografii), ruchu i
oświetlenia oraz tworzenia obrazów w uproszczonej formie oraz oceny efektów. Postać uproszczona może
obejmować zarówno mniejszą rozdzielczość, jak też brak mniej istotnych szczegółów, czy mniejszą liczbę
klatek na sekundę. Ponieważ na tym etapie produkcji, w zasadzie, prawie wszystkie parametry można
zmienić (w przeciwieństwie do filmu tradycyjnego), więc do końcowego generowania z docelową
rozdzielczością przechodzi się dopiero po sprawdzeniu wszystkich istotnych elementów kompozycyjnych
filmu.
Innego znaczenia może nabierać postprodukcja, gdzie montaż końcowy filmu może obejmować łączenie
obrazów czy scen pochodzących na przykład z sieci komputerowej zapewniającej szybkie tworzenie
niezależnych fragmentów. Przy czym niezależność może oznaczać nie tylko podział na sceny filmu, ale
także osobne tworzenia tła i scenografii, podział na plany, niezależne kreowanie postaci itp.
Scenariusz filmu animowanego przedstawia jego treść w postaci planu przebiegu akcji (szkicu fabuły) z
uwzględnieniem opisu scenerii i charakterystyki bohaterów. Zawiera także pełny zestaw dialogów, jeśli film
nie jest niemy. To wszystko musi zostać przełożone na język filmu ze wszystkimi ograniczeniami
realizacyjnymi. Ułatwia to scenopis, zawierający opis kolejnych (lub czasem wybranych) ujęć filmu. Ujęcie
jest najmniejszym, niezależnym (i niepodzielnym) fragmentem trwającym, w filmie animowanym,
najczęściej kilka sekund. Scenopis zawiera uproszczony rysunek (projekt) danego ujęcia, oraz opis treści,
dialogi i inne niezbędne szczegóły. Może zawierać także warianty projektu (ostatnie ujęcie prezentowanego
przykładu), a także szczegóły związane na przykład ze scenerią lub tłem (rysunek szezlongu w
prezentowanym scenopisie).
Na podstawie scenopisu reżyser tworzy zestaw szkiców poszczególnych ujęć dla animatorów, którzy
przygotują wstępne projekty ujęć.
Animacja oparta na klatkach kluczowych składa się z następujących etapów:
Wyszczególnienie i synteza klatek kluczowych charakteryzujących najważniejsze momenty ruchu lub
sceny.
 Określenie sposobu przejścia pomiędzy klatkami – może to być realizowane w postaci równań ruchu.
 Wyznaczenie klatek pośrednich – na przykład za pomocą morfingu.
 Kontrola efektu końcowego i ewentualne poprawki.

Animacja proceduralna polega na wydzieleniu parametrów sterujących przebiegiem zmian i wyznaczeniu
zależności funkcyjnych między opisem parametrów a wyglądem klatki (lub sceny). Metoda ta jest wygodna
do animacji procesów fizycznych i mechanicznych.
Przykładem są kinematyka odwrotna i metoda deformacji swobodnych (FFD – Free Form Deformation).
Kinematyka odwrotna opisuje zależności ruchowe na podstawie wymaganych położeń obiektów. Jest
bardzo wygodną forma dla uzyskania ruchu złożonych mechanicznie elementów, jest często
wykorzystywana do animacji postaci.
Metoda deformacji swobodnych ma wiele implementacji. Najczęściej stosuje się techniki szkieletowe lub
siatkowe, w których pozycje odpowiednich punktów i zależności między węzłami siatki lub szkieletu
opisane są równaniami parametrycznymi.
Animacja symulacyjna wykorzystuje opis zachowania obiektów uzyskany na podstawie praw fizyki.
Rozwiązanie tak uzyskanych równań daje poszukiwaną symulację. Metoda ta jest najbardziej złożona
obliczeniowo, jest zatem czasochłonna jednak może dać bardzo dobre efekty. Wykorzystywana do
modelowania i animacji zjawisk fizycznych.
Przechwytywanie ruchu pozwala powielić schemat zachowania obiektu na podstawie naturalnego
zachowania się obiektu rzeczywistego. Jest wygodna do modelowania ruchu postaci ludzkich, zwierzęcych
a także postaci fantastycznych, którym można przypisać pewne właściwości ruchowe podobne do znanych
cech zwierząt lub ludzi. Metoda ta daje bardzo dobre efekty, gdyż łatwiej jest skopiować ruch zwierząt niż
opisać go równaniami matematycznymi. Wadą jest konieczność stosowania specjalistycznego sprzętu do
przechwytywania ruchu. Stosuje się zestawy czujników położenia, skanery trójwymiarowe lub zdjęcia
poklatkowe.
Animacja poklatkowa jest najczęściej stosowaną metodą w tradycyjnych filmach rysunkowych.
Pokazany przykład animacji Koziołka Matołka obejmuje 14 klatek pełnego cyklu ruchu. Bardzo często dla
uproszczenia wykonywano mniej klatek (na przykład 7) obejmujących ten sam cykl ruchu i aby zachować
odpowiedni czas trwania akcji każdą klatkę powielano dwukrotnie. Czasami mogło to prowadzić do
pewnego, nienaturalnego „szarpania” ruchu, jednak przy wartkiej (zazwyczaj) akcji całego filmu było to
praktycznie niezauważalne.
Warto zwrócić jeszcze uwagę na złożoność całego ujęcia. Ruch postaci musi być skorelowany z
przesuwaniem się tła. W ten sposób widz będzie miał na przykład wrażenie, że Koziołek rzeczywiście
biegnie przez miasto. Ale z drugiej strony fazy ruchu postaci i fazy ruchu tła (w tym przypadku domków
miasta) są całkowicie niezależne – w prezentowanym przykładzie nie ma ciągłości ruch tła. Wynika stąd
możliwość niezależnego generowania obrazu postaci i tła. W tradycyjnej animacji realizowane to było na
kolejnych warstwach przezroczystego celuloidu. Najwygodniej jest operować niezależnie każdą postacią
oraz często niezależnie różnymi fragmentami dekoracji. Taki zestaw (gruby) celuloidu dopiero w ostatniej
fazie produkcji był kopiowany na taśmę filmową. W animacji komputerowej mamy do dyspozycji warstwy
rysunku, każda animowana i edytowana niezależnie. Daje to bardzo duże możliwości manipulacji obrazem.
Warto przypomnieć, że pomysły „rozwarstwienia” obrazu w technice filmowej pochodzą z początku XX
wieku. W 1916 roku Frank Williams zaproponował metodę wędrującej maski (travelling matte), która
została w latach 50 przekształcona w jedną z najważniejszych wykorzystywanych dzisiaj technik,
występującą pod nazwą kluczowania (CSO – color separation overlay, także występuje jako chroma key,
blue screen, lub czasami jako blue-box). Polega ona na filmowaniu aktora na tle jednolitej planszy (np.
niebieskiej), a następnie zmontowaniu filmu wstawiając dowolne tło w miejsce barwy planszy. W czasach
Williamsa wymagało to powtórnego filmowania, ewentualnie filmowania z wykorzystaniem tylnej projekcji.
Dzisiaj wykonuje się to odpowiednim mikserem elektronicznym (kluczowaniem) lub programami
komputerowymi na etapie postprodukcji. Dodatkowo współcześnie najczęściej realizuje się takie zadanie
techniką grey-screen – tło ma kolor szary i dobre właściwości odbijające. Dzięki temu za pomocą
odpowiedniego oświetlenia można uzyskać prawie dowolny kolor tła w zależności od potrzeb. Autorzy
pełnej komputeryzacji tej techniki w 1995 roku otrzymali Oscara.
Dodatkowo warto zwrócić uwagę na sposób rysowania określonych elementów poszczególnych klatek.
Rysunki domków tła, w pokazanym przykładzie, są rozmazane w przeciwieństwie do postaci
pierwszoplanowej (Koziołka Matołka) rysowanej wyraźną, ostrą kreską. Potęguje to wrażenie ruchu i
jednocześnie daje namiastkę głębi ostrości obejmującej tylko pierwszoplanowego bohatera.
Niezależnie od produkcji filmów animowanych, metoda animacji poklatkowej jest dzisiaj dość powszechnie
stosowana w postaci prostych animacji wykorzystywanych w prezentacjach lub na stronach internetowych.
Realizowane to jest na przykład w postaci animowanych gifów. Oczywiście wymaga to wygenerowania
zestawu rysunków obejmujących pełny cykl ruchu i połączeniu ich w jedną animację.
Klatka kluczowa (keyframe) jest związana z charakterystycznym punktem scenariusza, momentem ruchu
lub fazą ujęcia. Klatki kluczowe wyznaczają etapy rozwoju akcji filmu, ale także mogą charakteryzować
postaci (na przykład przez mimikę twarzy). Klatki kluczowe zawsze planował i rysował główny animator
(„keyframer”). Natomiast klatki pośrednie traktowane były jako wypełnienie luk między klatkami kluczowymi
– stąd animatorzy rysujący klatki pośrednie nazywani byli „inbetweenerami”. Ich zajęcie, chociaż niezbędne
dla całego procesu powstania filmu, traktowane było zawsze jako prostsze i mniej ambitne. Dzisiaj zadanie
generowania klatek pośrednich realizuje zazwyczaj komputer.
Warto zwrócić uwagę na problem czasu, a właściwie jego kontroli, w powstawaniu filmu animowanego.
Film o określonym czasie trwania przekłada się na określoną liczbę klatek, a to z kolei limituje możliwości
rysowania określonych faz ruchu, aby sprawiał on wrażenie ciągłego. Zadanie planowania klatek
kluczowych jest ściśle związane z rozwojem akcji i związanym z nią upływem czasu. Jest to jednym z
najtrudniejszych zadań głównego animatora. Problem komplikuje fakt, że poszczególne etapy akcji,
poszczególne fazy ruchu najczęściej nie dają się opisać prostymi zależnościami liniowymi. Rzeczą, która
jest zawsze stała w filmie animowanym jest odstęp czasu pomiędzy poszczególnymi klatkami natomiast
zawartość klatek musi być dopasowana do upływu czasu. W najprostszym przykładzie animacji odbijającej
się piłeczki, jej położenia w określonych momentach określają prawa fizyki. Nieuwzględnienie ich
spowoduje nienaturalny ruch, co na pewno zostanie zauważone przez odbiorcę. Aby rozwiązać tego typu
problemy, w metodzie klatek kluczowych wykorzystuje się tzw. krzywe (ścieżki lub linie) ruchu. Określają
one położenie obiektu w danym momencie. Współczesne programy animacyjne wspomagają realizację
klatkami kluczowymi pozwalając na dowolne, nieliniowe manipulowanie krzywą ruchu, a tym samym
położeniem obiektu w określonym momencie.
Prezentowany rysunek pokazuje odbicie zakładając, że piłeczka nie odkształca się przy kontakcie z
przedmiotem, od którego się odbija. Uwzględnienie tego typu parametrów znacznie poprawiłoby odbiór
animacji.
Animacja proceduralna pozwala opisać zależnościami funkcyjnymi zmiany położeń lub kształtów. Stosuje
się kinematykę (prostą i odwrotną) lub metodę deformacji swobodnych.
Ruch złożonych mechanizmów lub postaci wymaga opisania zależności między poszczególnymi
segmentami obiektu – powiązania „stawami” segmentów. Na przykład animacja ręki wymaga połączenia
ruchów ramienia, przedramienia, dłoni i palców. Połączenie segmentów tworzy łańcuch kinematyczny o
skończonej liczbie ogniw. Jest to łączenie hierarchiczne tzn. dla każdego segmentu można wyróżnić
segment nadrzędny i podrzędny w łańcuchu. Warto przy tym zwrócić uwagę na sposób wydzielenia
segmentów. W przypadku postaci ludzkich czy zwierzęcych znana jest ich budowa anatomiczna i na tej
podstawie budowany jest łańcuch kinematyczny. Podobnie dla obiektów mechanicznych o znanej
konstrukcji. Natomiast dla postaci fantastycznych lub innych nieznanych obiektów trzeba przeprowadzić
modelowanie szkieletu – wydzielenie segmentów i opracowanie zależności mechanicznych pomiędzy nimi.
Dla każdego połączenia (stawu) trzeba zdefiniować stopnie swobody segmentów. Stopnie swobody
określają liczbę prostych ruchów możliwych do wykonania. Na przykład ciało swobodne ma 6 stopni
swobody w układzie kartezjańskim (trzy translacje i trzy obroty).
Kinematyka prosta (forward kinematic) opisuje zależności w łańcuchu kinematycznym od segmentu
nadrzędnego do podrzędnego.
Kinematyka odwrotna (inverse kinematic) opisuje zależności w łańcuchu kinematycznym od segmentu
podrzędnego do nadrzędnego. W tym przypadku można rozpocząć analizę od docelowego położenia
ostatniego (najbardziej podrzędnego w hierarchii) segmentu i na tej podstawie wyznaczyć położenie
segmentów pozostałych – np. szukamy położenia ramienia i przedramienia, aby zapewnić położenie dłoni i
palców w określonym punkcie.
Trudności w wiarygodnym pokazaniu ruchu postaci są znane twórcom filmowym od początku historii filmu
animowanego. O wiele łatwiej zaakceptować widzowi umowność rysunku lub brak szczegółów niż, na
przykład, nienaturalne poruszanie ręką – poruszanie niezgodne z naszym wyobrażeniem. Naturalnym
pomysłem rozwiązania tego problemu było wzorowanie ruchów animowanych postaci na rzeczywistych
ruchach ludzi. W tym celu zatrudniano modeli zastygających w pozach (często niewygodnych)
odpowiadających klatkom kluczowym. Jeśli nie było to możliwe, animatorzy musieli wykonać perfekcyjne
rysunki na podstawie wyobrażenia postaci. Pierwszą metodą ułatwiającą to zadanie była rotoskopia.
Polega ona na filmowaniu aktora wykonującego sekwencję ruchu, a następnie wykonywaniu rysunków na
podstawie zdjęć poklatkowych takiego filmu. Pierwszym znanym filmem, w którym wykorzystano rotoskopię
była Królewna Śnieżka Walta Disneya. Metoda ta jest również stosowana współcześnie.
W latach osiemdziesiątych XX wieku na Simon Fraser University podjęto badania nad automatycznym
przechwytywaniem ruchów postaci (motion capture). W celach komercyjnych metodę tę zastosowano po
raz pierwszy w technice filmowej w 1984 roku. Była to 30 sekundowa reklamówka – „Sexy robot”
(“Brilliance”) - firmy National Canned Food Information Council. Do produktów firmy, głosem Kathleen
Turner, zachęcał animowany robot. Aby zachować naturalność ruchów postaci, Robert Abel opracował
optyczny system przechwytywania ruchu na podstawie położenia markerów umieszczonych na ciele
aktora. Niepowodzenia w 1990 roku przy realizacji filmu „Pamięć absolutna” (Total Recall) z Arnoldem
Schwarzeneggerem zahamowały rozwój systemów przechwytywania ruchu. Do problemu powrócono w
1997 roku podczas produkcji „Titanica”. Od tego czasu większość filmów wymagających efektów
specjalnych, a także gier komputerowych, jest realizowana z wykorzystaniem techniki przechwytywania
ruchu (motion capture).
Najprostszym rozwiązaniem jest system elektromechaniczny. Aktor zakłada strój (egzoszkielet) w formie
sztywnego stelażu. Egzoszkielet zawiera zestaw czujników, pozwalających monitorować wzajemne
położenia między jego elementami. Jest to, oczywiście, tak skonstruowane, aby w jak najmniejszym
stopniu ograniczać ruchy aktora. Analiza wzajemnych położeń między elementami egzoszkieletu pozwala,
w czasie rzeczywistym, określać i rejestrować położenie ciała aktora. System elektromechaniczny jest
najmniej dokładny spośród znanych rozwiązań przechwytywania ruchu. Wadą tego systemu jest także
konieczność używania niewygodnego egzoszkieletu. Jest to jednak rozwiązanie praktycznie najtańsze, co
jest jego podstawową zaletą. Dodatkowo jest to rozwiązanie niewymagające rozstawiania zestawu
czujników zewnętrznych, tak jak w systemach optycznych.
System elektromagnetyczny (magnetyczny) wykorzystuje rejestrację zmian strumienia magnetycznego
wywołaną zmianą wzajemnego położenia czujników (nadajników i odbiorników). Aktor zakłada strój z
zestawem czujników połączonych kablem (najczęściej) z komputerem. System zawiera zwykle stosunkowo
małą liczbę czujników (kilkanaście). Dokładność pomiaru położenia jest lepsza niż systemów
mechanicznych, ale gorsza niż optycznych. Analiza położenia jest jednak szybsza niż systemów
optycznych. Do podstawowych wad systemu elektromagnetycznego należy zaliczyć wrażliwość na
zakłócenia zewnętrzne – na zewnętrzne pole magnetyczne.
Systemy optyczne oparte są na analizie położenia punktu (markera) na podstawie kilku niezależnych
rzutów tego punktu. Na stroju aktora jest umieszczony zestaw od kilkunastu do kilkudziesięciu markerów.
Kamery rozmieszczone wokół sceny rejestrują obraz aktora i markerów. W zależności od liczby aktorów na
scenie stosuje się od kilku do kilkudziesięciu kamer. Kamery muszą objąć całą przestrzeń sceny i dawać
możliwość rejestracji markerów także przy wzajemnym zasłanianiu się aktorów. Na podstawie rzutów
markera komputer wyznacza jego położenie w przestrzeni. System optyczny jest najdroższym ze znanych
rozwiązań przechwytywania ruchu. Daje jednak możliwość najbardziej dokładnego pomiaru położenia
(rzędu ułamków milimetra). Strój z markerami optycznymi jest najmniej kłopotliwym rozwiązaniem dla
aktora spośród wszystkich systemów przechwytywania ruchu.
Wyróżnia się systemy optyczne pasywne i aktywne. W systemach pasywnych markery odbijają światło we
wszystkich kierunkach – a przede wszystkim w kierunku źródła (odbicie powrotne – retroreflection).
Markery są punktami pokrytymi farbą lub tworzywem o odpowiednich właściwościach odbijających. W
pierwszych systemach optycznych stosowano piłeczki pingpongowe. W systemach aktywnych markery
emitują światło. Najczęściej stosuje się diody elektroluminescencyjne emitujące promieniowanie
podczerwone. Aby ułatwić analizę przy dużej liczbie czujników, często każdy z nich emituje impulsy (błyski)
z inną częstotliwością.
Rozpatrzmy dwie kamery
i
śledzące poruszający się punkt
zgodnie z rysunkiem. Jeśli znane jest
położenie kamer oraz ich ustawienie, to można określić rzuty
i
. Rzuty te definiują proste, których
przecięciem jest szukany punkt . Stąd jego współrzędne można wyznaczyć korzystając z
prezentowanych równań. W praktyce, na skutek zakłóceń i błędów pomiarów może się okazać, że proste
zdefiniowane przez rzuty
i
wcale się nie przecinają. W takiej sytuacji należy wyznaczyć
punkt
będący punktem najbliższym obu prostych.
Do określenia położenia punktu wystarczą dwie kamery. Jednak aktor poruszając się może zasłaniać
markery umieszczone na ubraniu. Na scenie może być także wielu aktorów, którzy zasłaniają się
wzajemnie. Z tego powodu stosuje się wiele kamer, aby bez względu na pozę aktora, każdy marker był
zawsze „widziany” przynajmniej przez dwie kamery.
Duża szybkość pracy systemów przechwytywania ruchu (optycznych lub magnetycznych) pozwala
wygenerować wirtualne postacie w czasie rzeczywistym. Prezentowane zdjęcia pokazują system optyczny
aktywny, którego jednym z elementów jest stojący na scenie ekran. Dzięki niemu aktor może na bieżąco
śledzić ruchy wirtualnej postaci.
Mimo niezaprzeczalnych zalet stosowania systemów przechwytywania ruchu w kreowaniu realistycznie
poruszających się wirtualnych postaci trzeba wspomnieć o ich wadach.


Występuje konieczność stosowania bardzo specjalistycznego sprzętu i oprogramowania.
Związane jest to z wysokimi kosztami (co najmniej kilkadziesiąt tysięcy dolarów).



Koszty te mogą utrudniać powstawanie małych, niskobudżetowych produkcji.
Powstają problemy skalowania postaci – wymiary wirtualnych postaci, szczególnie fantastycznych, nie
zawsze odpowiadają budowie ciała aktorów, wymaga to dodatkowego przetwarzania ścieżek ruchu,
Podobny problem występuje w przypadku scenariusza przewidującego ruchy niezgodne z
wyobrażeniami lub niezgodne z fizyką – co często występuje w filmach animowanych.
Proces kreowania pojedynczej klatki nie odbiega w zasadzie od standardowego procesu powstawania
obrazu w grafice komputerowej. Warto natomiast zwrócić uwagę na modelowanie obiektów na scenie filmu
animowanego. Modelowane są te obiekty, które są widoczne. Pod uwagę brana jest przy tym nie tylko
dana scena, ale cały film, lub przynajmniej pewna sekwencja klatek. Stąd na górnych rysunkach widoczna
jest pełna siatka drzwi, chociaż są one otwarte i niewidoczne. Jednak w jednym z następnych ujęć będą
one zamknięte (rysunek dolny) stąd potrzebny jest ich pełny model. Modelowanie obiektów filmu wymaga
przeanalizowania całego scenopisu i określenia jakie obiekty i w jakim zakresie powinny zostać w
określonej scenie zamodelowane.
Uwzględnienie zjawisk fizycznych w zachowaniu się obiektów na scenie daje możliwość uzyskania
realizmu odbieranej animacji. Nawet najlepiej zaprojektowane szczegóły postaci nie zagwarantują
poprawnego odbioru jeśli zachowanie się postaci będzie odbiegało od naszych oczekiwań. Z drugiej strony
odbiór tradycyjnych filmów animowanych pokazuje, że jesteśmy skłonni zaakceptować nawet bardzo duży
poziom umowności szczegółów i uproszczeń postaci jeśli będzie się ona poruszała w sposób naturalny.
Ponieważ opis zgodny z prawami fizyki jest bardzo złożony, więc stosuje się metody upraszczające
obliczenia. Przykładem może być opis ruchu układu mechanicznego będący układem liniowych równań
różniczkowych stopnia drugiego. Do rozwiązania stosuje się albo metodę wektorów stanu sprowadzającą
równania do rzędu pierwszego, albo metodę różnic skończonych pozwalającą sprowadzić układ równań
różniczkowych do układu równań nieliniowych.
Zachowanie się obiektów zależy od ich typu. Wyróżnia się modelowanie obiektów sztywnych
przegubowych i modelowanie obiektów deformowalnych.
Obiekty sztywne przegubowe modeluje się w postaci zestawu prostych sztywnych elementów połączonych
ze sobą złączami mechanicznymi o zadanym zestawie stopni swobody. Dla obiektów deformowalnych
opisuje się odpowiednimi równaniami takie zjawiska jak sprężystość, plastyczność, zrywanie, topnienie,
lepkość itd.
Symulacja kolizji jest jednym z ważniejszych problemów pojawiających się w grach komputerowych i
filmach animowanych. Rozwiązanie tego problemu wymaga rozwiązania kilku zagadnień. Najważniejszym
jest wykrycie kolizji. Zadanie to jest podobne do wykrycia przecięcia w metodzie śledzenia promieni. Przy
czym tam było to przecięcie prosta – obiekt, tutaj natomiast jest to obiekt – obiekt. Niemniej jednak metody
przyspieszające są podobne. Stosowana jest metoda brył ograniczających, wykrycie przecięcia sfera –
sfera jest równie łatwe jak prosta – sfera. Od rodzaju powierzchni (sztywne, odkształcalne) zależy
geometria kolizji – odkształcenia obiektów. Od rodzaju powierzchni zależą także efekty kolizji.
Zastosowanie odpowiedniego modelu fizycznego opisu zjawiska pozwoli uzyskać wrażenie zgodne z
naszym wyobrażeniem i oczekiwaniem.
W modelowaniu postaci wykorzystuje się modele mieszane. Sztywny szkielet jako typowy model obiektu
sztywnego przegubowego. Szkielet jest otoczony warstwą deformowalną. Deformacja powierzchni tej
warstwy zależy zarówno od struktury szkieletu i jego odkształcenia jak i bieżącego stanu warstwy
deformowalnej. Kinematyka odwrotna jest stosowana do opisu ruchu kończyn.
Zestaw składowych jednej postaci jest zazwyczaj modelowany w postaci hierarchicznej.
Animacja twarzy jest traktowana jako odrębne zagadnienie ze względu na złożoność problemu oraz ze
względu na fakt, że człowiek szybciej identyfikuje twarz na obrazie
Kinematyka prosta lub odwrotna pozwala opisać zależności ruchowe w łańcuchu kinematycznym. Aby
jednak było to możliwe trzeba zdefiniować taki łańcuch. Dla postaci tworzy się szkielet łączący
poszczególne segmenty (kości – stąd metoda taka bywa nazywana modelowaniem opartym na systemie
kostnym). Dla układu kostnego szkieletu budowana jest hierarchia połączeń między poszczególnymi
segmentami. Szkielet nie jest rysowany jednak na podstawie jego kształtu (układu jego segmentów) jest
rysowana zewnętrzna powierzchnia postaci. Kształt takiej powierzchni najczęściej opisuje odpowiednia
siatka. Aby zatem ruch kości przekładał się na ruch na przykład kończyn, to położenie segmentów szkieletu
musi być powiązane z siatką powierzchni postaci.
Każdy z wymienionych sposobów modelowania twarzy pozwala uzyskać poprawne efekty. Zależnie jednak
od potrzeb uzyskania odpowiedniego poziomu szczegółowości wybrane modele mogą być mniej lub
bardziej przydatne. Wydaje się, że najlepszym rozwiązaniem byłby model anatomiczny opisujący budowę
głowy w sposób jak najbardziej zbliżony do rzeczywistości. Uwzględnienie właściwości fizycznych
poszczególnych warstw mięśni i skóry oraz ich wzajemnych powiązań powinno dać w efekcie końcowym
rysunki odpowiadające rzeczywistości. Model taki jest jednak bardzo skomplikowany i manipulacja nim w
celu uzyskania oczekiwanej mimiki twarzy staje się niezwykle trudna i pracochłonna, a co za tym idzie
również kosztowna. Odwzorowanie kształtu samej powierzchni twarzy z wykorzystaniem systemów
przechwytywania ruchu może dać równie dobre, a jednocześnie szybsze efekty. Przechwytywanie ruchu
nie jest w ogóle związane z budową anatomiczną natomiast wymaga odpowiedniego „zagrania” sceny
przez aktora, którego twarz jest odwzorowywana.
Prezentowany przykład pokazuje modelowanie twarzy wykorzystujące przekaz emocji. Warto podkreślić,
że wszystkie uwagi dotyczące animacji w tym rozdziale były związane tylko ze sprawami technicznymi. A
tak naprawdę film animowany, bez względu na to czy jest to animacja tradycyjna, czy komputerowa, jest
środkiem wyrazu – sposobem wypowiedzi twórcy dzieła i sposobem przekazania pewnych treści odbiorcy.
W tym momencie zaczynają odgrywać role emocje, uczucia i wrażliwości, a to nie musi być związane z
bardzo wyrafinowaną technicznie formą przekazu. Znane są przykłady znakomitych dzieł sztuki filmowej
realizowanych bardzo prostymi środkami.
Systemy przechwytywania ruchu są również stosowane do rejestracji mimiki twarzy (facial mocap).
Wymaga to jednak o wiele większej precyzji niż w zwykłych zastosowaniach. Wykorzystuje się systemy
optyczne pasywne. Nie wymagają one zasilania tak jak systemy aktywne, wystarczy umieszczenie od
kilkunastu do kilkudziesięciu markerów (punktów odbijających światło) na twarzy aktora. Odpowiedni
zestaw kamer pozwala wyznaczyć położenie każdego markera (punktu twarzy) z dokładnością do ułamków
milimetra.
Są to najdroższe systemy do przechwytywania ruchu, ale pozwalają najszybciej wykreować realistyczne
wirtualne postacie i ich twarze. Systemów przechwytywania mimiki twarzy nie stosuje się do rejestracji
ruchów języka oraz gałek ocznych i powiek. Prezentowane rysunki pokazują także siatkę opracowaną na
podstawie danych uzyskanych z systemu przechwytywania. Siatka taka zostaje z reguły poddana obróbce:
uzupełniane są punkty odpowiadające powiekom i ewentualnie językowi. Dodawane są siatki gałek
ocznych i zębów, które w ogóle nie podlegają przechwytywaniu. Jednocześnie można wpłynąć na kształt
twarzy poprzez dodatkowe odkształcenie siatki (uwydatnienie kości policzkowych na rysunku).
Modelowanie i animacja twarzy jako przykład wykorzystania grafiki komputerowej w filmie fabularnym.
Prezentowane rysunki pokazują, że nawet tak skomplikowane elementy jak ludzkie twarze mogą być
„dorysowane” z pomocą grafiki komputerowej. Rysowanie realistycznej ludzkiej twarzy jest jednym z
najtrudniejszych zadań. Każdy z nas, od dzieciństwa obcuje z widokiem twarzy i nawet najdrobniejsze
błędy – niezgodności z oczekiwaniem będą natychmiast zauważone. Model wykorzystywany w Matrixie
opierał się na siatce trójkątów (ok. 10 milionów) uzyskanej na podstawie trójwymiarowego skanowania
twarzy aktora. Model składał się z dwóch warstw – warstwy geometrii (kształtu) o małej rozdzielczości i
warstwy o dużej rozdzielczości opisującej właściwości odbiciowe powierzchni skóry. Na podstawie zdjęć z
30 kamer umieszczonych wokół głowy aktora zbudowano analityczny model BRDF opisujący odbicie dla
każdego trójkąta siatki. Wykorzystano przy tym mapowanie przesunięć (displacement mapping) dla
większych szczegółów i mapowanie nierówności (bump mapping) dla mniejszych szczegółów.
Jednym z dodatkowych problemów, na który warto zwrócić uwagę jest rysowanie (i modelowanie) włosów
postaci. W przypadku Matrixa każdy pojedynczy włos był w pierwszej fazie pracy zamodelowany
niezależnie przy użyciu NURBS. Następnie zostały wykreowane prymitywy do modelowania i analizy cienia
w rysowaniu układu włosów. Dodatkowo zostało użyte modelowanie wolumetryczne.
Oczywiście warto byłoby wspomnieć także o innych filmach, w których wykorzystano grafikę komputerową.
Jedną z najciekawszych realizacji jest trylogia Władca Pierścieni, a szczególnie postać Golluma. Efekt
widoczny na ekranie uzyskano dzięki połączeniu zdjęć aktora i symulacji komputerowych. Wielkie sceny
batalistyczne we współczesnych filmach powstają raczej dzięki symulacjom komputerowym. We
wspomnianej trylogii, w jednej ze scen bitwy gdzie walczy sześciotysięczna armia orków zatrudnionych
było tylko 175 statystów.
Bez grafiki komputerowej nie mogłyby powstać nie tylko takie filmy jak Matrix i Władca Pierścieni, ale także
Star Trek, Park Jurajski, Terminator 2, Głębia, Titanic, Wodny Świat, Obcy oraz wiele, wiele innych. I to nie
tylko ze względu na kreowanie nieistniejących stworów lub rejestrowanie niemożliwych do wykonania
ewolucji. Oglądając w kinie przepiękne widoki, niczym nieskażonej i bajecznie kolorowej roślinności,
bezkresne tafle szmaragdowego morza czy perfekcyjnie romantyczne zachody słońca warto zastanowić
się, kiedy kończy się filmowanie naturalnych krajobrazów, a zaczyna komputerowa wizja reżysera.