KATEDRA SYSTEMÓW MULTIMEDIALNYCH
LABORATORIUM TECHNOLOGII
MULTIMEDIALNYCH
ĆWICZENIE 08:
PODSTAWY ANIMACJI KOMPUTEROWEJ 3D
Opracowanie dr inż. Piotr Szczuko
Wstęp
Animacja komputerowa polega na odtwarzaniu serii pojedynczych nieruchomych obrazów, z których każdy następny przedstawia pewną zmianę w stosunku do poprzedniego. Zasadnicze znaczenie ma tu efekt bezwładności oka ludzkiego, które przy co najmniej 24 klatkach na sekundę sekwencję obrazów interpretuje jako ciągłą (zastosowanie także w kinie, telewizji i grach komputerowych).
Ćwiczenie ma za zadanie zaznajomienie z podstawowymi zagadnieniami komputerowej animacji grafiki poprzez praktyczne wykorzystanie metod animacji skrótowo opisanych w dalszej części instrukcji laboratoryjnej.
Metody animacji: • Animacja poklatkowa
Animacja poklatkowa jest komputerową odmianą tradycyjnej metody tworzenia filmów rysunkowych, gdy animatorzy rysowali każdy kadr filmu ręcznie.
• Animacja z klatkami kluczowymi (ang. keyframing)
Animacja ta polega na wstawianiu klatek pośrednich pomiędzy klatki kluczowe. Rysunki w klatkach kluczowych tworzy grafik. Klatki pośrednie generuje system komputerowy poprzez interpolację, czyli tworząc płynne przejścia między klatkami kluczowymi. Techniką keyframingu animuje się m.in. takie przekształcenia jak przesunięcie, obracanie i skalowanie. • Animacja kamer i oświetlenia
Animacja to nie tylko ruch przedmiotów. Ruch kamer i oświetlenia znacznie ożywia animację. Wirtualną kamerę można przemieszczać z różną prędkością, obracać, zmieniać jej ogniskową oraz głębię ostrości.
W przypadku światła także jest wiele parametrów, które mogą zmieniać swoje wartości. Światło podczas animacji może zmieniać położenie, barwę i poziom jasności. Zmianie mogą ulegać także takie parametry, jak: rozwartość stożka światła lub rozwartość stożka maksymalnej jasności.
2 • Animacja za pomocą skryptów
Celem stosowania skryptów jest automatyzacja wielu procesów w animacji. Istnieje wiele wtyczek programowych, które ułatwiają proces animacji. Skrypty m.in. pozwalają na automatyczne tworzenie postaci dwunożnych wraz z wbudowaną hierarchią kości i odwrotną kinematyką, animowanie tkanin i obiektów miękkich, zmieniających kształt pod wpływem działania sił. Do klasy tej zaliczyć można także symulację cząsteczek (ang. particle) przydatną w efektach specjalnych, takich jak animacja ognia, dymu, deszczu, włosów.
• Łączenie hierarchiczne
Łączenia hierarchicznego używa się do powiązania ze sobą poszczególnych segmentów postaci, kości szkieletu lub innych animowanych obiektów. Hierarchia pozwala określić zależności pomiędzy obiektem będącym „rodzicem” i obiektem „dzieckiem” (ang. parent-child). W tej technice istnieją dwa sposoby animowania:
- kinematyka prosta (ang. forward kinematics) - występuje, gdy poruszając obiektem rodzicem, porusza się również jego dziećmi; przekształcenie przenoszone jest na obiekty potomne.
- odwrotna kinematyka (ang. inverse kinematics) - występuje, gdy przemieszczające się obiekty dzieci pociągają za sobą obiekty będące ich rodzicami.
• Animacja z użyciem systemu kości
System kości używany jest w przypadku postaci zbudowanych z ciągłej siatki. System kości tworzy szkielet, który pełni funkcję pomocniczą i w rezultacie nie podlega renderingowi (nie jest widoczny w obrazie wynikowym), a służy wyłącznie do odkształcania siatki. Szkielet musi zostać dokładnie dopasowany do siatki modelującej postać. Przy budowie szkieletu można posługiwać się połączeniami hierarchicznymi.
• Animacja kształtu
Animacja kształtu (metamorfoza, ang. morphing) jest kombinacją deformowania, wstawiania i zlewania. Deformowanie (ang. warping) pozwala rozciągać i kurczyć obraz, jakby był zrobiony z kawałka gumy. Wstawianie (ang. tweening) oznacza proces łagodnego przejścia od jednego rysunku do drugiego przez automatyczne wprowadzanie dodatkowych klatek pomiędzy nimi. Zlewanie (ang. dissolving) pozwala złączyć kilka obrazów w całość.
• Rejestracja ruchu
Technika rejestracji ruchu (ang. motion capture) polega na zapisywaniu ruchu za pomocą sensorów umieszczonych na ciele aktora. Najczęściej sensorami tymi są odblaskowe znaczniki, choć wykorzystuje się także magnetyczne markery. Ich ruch rejestruje specjalna kamera. Zarejestrowane przez kamerę ruchy znaczników są przenoszone do komputera. W komputerze powstaje szkielet, który później można wykorzystać do stworzenia jakiejkolwiek wyimaginowanej postaci wirtualnej. Metoda ta powszechnie stosowana jest w reklamie, filmach animowanych, wideoklipach i najnowszych grach komputerowych.
• Animacja nieliniowa
Termin animacja nieliniowa opisuje sposób pracy z różnymi typami danych ruchowych, gdzie poszczególne animacje są interpretowane jako niezależne sekwencje, które można sumować, miksować i tworzyć płynne przejścia. Narzędzia nieliniowe są użyteczne w wielu obszarach produkcji, takich jak pre-wizualizcja, tworzenie animacji, edycja oraz ponowne użycie zarejestrowanych ruchów.
Uwaga:
Wskazane jest aby przed przystąpieniem do ćwiczenia zapoznać się z podstawą obsługi i interfejsem programu. Program Blender w wersji wykorzystywanej na laboratorium pobrać można ze strony www.blender.org
1. Animacja z klatkami kluczowymi
Obiekt poruszany jest od jednego do drugiego ustalonego, kluczowego położenia. Parametry, które zmieniają się w klatkach kluczowych, są w klatkach pośrednich obliczane na zasadzie interpolacji, czyli płynnej zmiany od zadanej wartości do kolejnej zadanej wartości.
Sposób przesuwania, obrotu lub skalowania między kluczowymi klatkami wizualizowany jest w postaci krzywych interpolacyjnych, które można ręcznie edytować. Krzywe interpolacyjne edytowane są w sposób znany z programów do grafiki wektorowej, na zasadzie punktów kontrolnych, modyfikujących przebieg krzywej.
Zadania:
1. Otworzyć plik animacja 01.blend, wykonać zapisane w nim polecenia.
2. Zanotować istotne wnioski na temat animowania na zasadzie klatek kluczowych. 3. Otworzyć plik animacja 02.blend, wykonać zapisane w nim polecenia.
4. Zanotować istotne wnioski na temat edycji krzywych interpolacyjnych. W jakim celu się je edytuje?
2. Animacja z wykorzystaniem kości
W celu modyfikowania kształtu obiektu 3D wykorzystuje się kości. Punkty na powierzchni obiektu przypisuje się do kości (zwykle do kości najbliższej tym punktom), która ma je przemieszczać. W zamieszczonym przykładzie prosty obiekt odkształcany jest dwiema kośćmi. Na punkt obiektu 3D może równocześnie wpływać więcej niż jedna kość – wówczas siła oddziaływania kości określona jest za pomocą wagi.
Zadania:
1. Otworzyć plik animacja 03.blend, wykonać zapisane w nim polecenia.
2. Zanotować istotne wnioski na temat odkształcania obiektu za pomocą kości. Kiedy zachodzi potrzeba wykorzystania wag? Podaj przykład praktyczny. Czy kolano lub łokieć mogą być odkształcane tak, jak ma to miejsce w zamieszczonym przykładzie?
3. Kinematyka prosta
Kości łączone są w łańcuchy, w których obowiązuje zależność zwana kinematyką prostą: zmiany w kości wcześniejszej (jej obrót, przesunięcie, skalowanie), pociągają zmiany w kościach późniejszych (inaczej rodzic-dziecko, ang. parent-child).
Zadania:
1. Otworzyć plik animacja 04.blend, wykonać zapisane w nim polecenia.
4
4. Kinematyka odwrotna
Łańcuch kości może być regulowany także w inny sposób. Zdefiniowanie kości sterującej (tzw. cel) pozwala np. na ustalanie wyłącznie położenia dłoni, a kości ramienia i przedramienia ustawiane są automatycznie. Nazywane jest to kinematyką odwrotną, gdyż kość-dziecko ma wpływ na kości-rodziców.
Zadania:
1. Otworzyć plik animacja 05.blend, wykonać zapisane w nim polecenia
(część kości szkieletu jest ukrytych, aby ułatwić wykonanie ćwiczenia).
2. Zanotować istotne wnioski na temat ustawiania szkieletu w kinematyce odwrotnej. 3. Jakie są różnice między kinematyką prostą a odwrotną? Do animacji jakiej czynności
nadaje się kinematyka prosta, a do jakiej odwrotna (oprócz chwytania przedmiotów)?
5. Wymuszenia w ruchu
Kinematyka odwrotna jest przypadkiem wymuszenia (ang. constrain), mianowicie położenie kości sterującej wymusza na kościach-rodzicach odpowiednie obrócenie.
Inne typy wymuszeń to:
- kopiowanie położenia obiektu sterującego na inny obiekt - kopiowanie obrotu obiektu sterującego na inny obiekt
- śledzenie obiektu sterującego przez inny obiekt („celowanie”) - ruch po krzywej (trajektorii)
Zadania:
1. Otworzyć plik animacja 06.blend, wykonać zapisane w nim polecenia. 2. Zanotować istotne wnioski na temat śledzenia.
3. Otworzyć plik animacja 07.blend, wykonać animację postaci według instrukcji: 1. w dolnym oknie przesunąć kursor czasu w celu ustalenia gdzie wstawiona
ma być kolejna klatka kluczowa
2. zaznaczyć kość prawym klawiszem myszy
3. włączyć przesuwanie kości naciśnięciem klawisza ‘G’ 4. przesunąć kość w nowe położenie i zatwierdzić kliknięciem 5. wcisnąć klawisz ‘I’, podać zmienną, np. Loc - położenie 6. powtórzyć dla innych kości punkty 2., 3., 4.
7. przesunąć także cele śledzone przez oczy i głowę 8. powtórzyć od punktu 1.
9. obejrzeć efekt
(część kości szkieletu jest ukrytych, aby ułatwić wykonanie ćwiczenia).
4. Zanotować istotne wnioski na temat możliwości wykorzystania zaawansowanego sterowania szkieletem.
Sprawozdanie
Przed przystąpieniem do ćwiczenia należy wydrukować strony instrukcji od następnej do ostatniej. Na wydrukowanych stronach należy umieszczać odpowiedzi na
LABORATORIUM TECHNOLOGII MULTIMEDIALNYCH
Ćw. 8 Podstawy animacji komputerowej 3D
Wykonujący:
Grupa:
Ocena:
Data i godzina wykonania ćwiczenia:
1. Animacja z klatkami kluczowymi
Plik animacja 01.blend: zanotować istotne wnioski na temat animowania na zasadzie klatek kluczowych.
Plik animacja 02.blend: zanotować istotne wnioski na temat edycji krzywych interpolacyjnych. W jakim celu się je edytuje?
2
2. Animacja z wykorzystaniem kości
Plik animacja 03.blend: zanotować istotne wnioski na temat odkształcania obiektu za pomocą kości. Kiedy zachodzi potrzeba wykorzystania wag? Podaj przykład praktyczny. Czy kolano lub łokieć mogą być odkształcane tak, jak ma to miejsce w zamieszczonym przykładzie?
3. Kinematyka prosta
Plik animacja 04.blend: zanotować istotne wnioski na temat ustawiania szkieletu w kinematyce prostej.
3
4. Kinematyka odwrotna
Plik animacja 05.blend: zanotować istotne wnioski na temat ustawiania szkieletu w kinematyce odwrotnej.
Jakie są różnice między kinematyką prostą a odwrotną? Do animacji jakiej czynności nadaje się kinematyka prosta, a do jakiej odwrotna (oprócz chwytania przedmiotów)?
4
5. Wymuszenia w ruchu
Plik animacja 06.blend: zanotować istotne wnioski na temat śledzenia.
Plik animacja 07.blend: zanotować istotne wnioski na temat możliwości wykorzystania zaawansowanego sterowania szkieletem.
