Animacja jest procesem kreowania złudzenia ruchu lub zmiany kształtu poprzez szybkie wyświetlanie sekwencji obrazów zawierających niewielkie różnice między nimi. Zasada działania animacji opiera się o wykorzystanie iluzji ruchu (zjawisko „Fi”) i bezwładności wzroku.

Komputerowa animacja jest w głównej mierze cyfrowym następstwem tradycyjnej animacji, złożonej z ręcznie wykonanych ilustracji, jednakże pozwala ona we względnie łatwiejszy sposób powielać, zapętlać i modyfikować klatki filmu animowanego.

W miarę postępu rozwoju technologii informatycznej, klasyczna forma animacji była coraz bardziej wspierana i częściej zastępowana przez techniki komputerowe, które wymagały kompromisu pomiędzy poziomem kontroli nad detalami animowanego ruchu i wymiarem pracy wykonywanej samodzielnie przez komputer [1].

Podstawowe metody wytwarzania animacji komputerowej

Do głównych metod wytwarzania animacji komputerowej należy zaliczyć techniki, które są częściowo następstwem procesu produkcji filmu animowanego i wynikają z możliwości obliczeniowych oferowanych przez komputery.

Keyframing – znaczenie tego terminu można sprowadzić do tradycyjnych metod animacji z wytwarzanych ręczenie ilustracji. Keyframing wymaga zaznaczenia przez autora kluczowych klatek animacji, które dotyczą istotnych zmian poruszanych obiektów, np. położenia lub rozpoczęcia deformacji. Program komputerowy samoczynnie poprzez interpolację uzupełnia brakujące klatki na osi czasu pomiędzy kluczowymi klatkami. Postacie animowanego komputerowo filmu pt. „Toy Story” (1995 r.) animowane są właśnie metodą klatek kluczowych. Keyframing wymaga od animatora umiejętności przewidzenia i zaplanowania zachowania obiektu podczas przemieszczania na drodze interpolacji w czasie oraz zdolności wyrażenia istotnych informacji metodą wykorzystania klatek kluczowych [1].

Motion Capture

Motion Capture, Motion Tracking – oznacza techniki „przechwytywania” ruchu, przeważnie osób lub zwierząt, za pomocą czujników i urządzeń rejestrujących ruch w układzie trójwymiarowym. Zgromadzone dane przetwarzane są przez oprogramowanie, aby w rezultacie otrzymać realistyczną animację obiektów. Metoda ta stanowi wsparcie dla pracy animatora, gdyż umożliwia odzwierciedlenie naturalnego sposobu poruszania się i mimiki człowieka.

Początki techniki Motion Capture dotyczą badań nad narzędziem analizy fotogrametrycznej do zastosowań w biomechanice, w latach 70. i 80. Wraz z rozwinięciem tej technologii, zaadoptowano ją do użytku dla celów edukacyjnych, treningu sportowego oraz animacji komputerowej na potrzeby produkcji filmowych.

Rejestrowanie ruchu oparte jest w większości przypadków o zestaw kamer rejestrujących czujniki optyczne, akustyczne, magnetyczne lub stanowiące połączenie tych metod, w zależności od warunków i możliwości technicznych. Aktor, czyli w tym przypadku osoba, której ruchy poddane zostaną rejestrowaniu przez kamery, wyposażony jest np. w specjalny kombinezon posiadający komplet sensorów i znaczników rozmieszczonych w najbardziej istotnych dla animacji punktach antropometrycznych, takich jak głowa, tors, kończyny oraz stawy (często również pojedyncze palce i punkty na twarzy).

Kluczowym czynnikiem mającym wpływ na wierność odzwierciedlenia ruchów aktora w animacji realizowanej techniką Motion Capture jest jakość pomiaru. Dotyczy to zarówno rozdzielczości przestrzennej jak i częstotliwości próbkowania.

Systemy wykorzystujące czujniki optyczne dzieli się między innymi na systemy aktywne lub pasywne. Zasada działania systemu opartego na aktywnych markerach optycznych opiera się na określeniu położenia obiektu poprzez triangulację punktów emitujących światło podczerwone. W rozwiązaniach pasywnych, wykorzystywane są odblaskowe znaczniki, które mają na celu odbicie światła podczerwonego emitowanego przez zestaw specjalnych kamer.

Rozwój komputerowych technik rozpoznawania obrazów przyczynił się do opracowania metod przechwytywania ruchu bez użycia znaczników. Możliwe jest to dzięki zastosowaniu algorytmów analizujących wiele strumieni wideo jednocześnie. Oprogramowanie umożliwia obsługę kilku kamer w celu identyfikacji poszczególnych części (członów) śledzonego obiektu. Technologia ta umożliwia rozpoznanie przemieszczenia pikseli na płaszczyźnie dwuwymiarowej każdego z obrazów rejestrowanych przez kamery – pozwalając na obliczanie kierunku, zwrotu i przyspieszenia obiektu w układzie trójwymiarowym.

Technologia Motion Capture może być realizowana nie tylko w oparciu o systemy optyczne, lecz również przy zastosowaniu czujników żyroskopowych i magnetycznych. Dane odczytywane przez sensory, przesyłane są bezprzewodowo do systemu komputerowego, który interpretuje je jako ruch oraz generuje wirtualną reprezentację obiektu w formie trójwymiarowego szkieletu.

Animacja proceduralna

Nowoczesne metody animacji komputerowej opierają się głównie o wykorzystanie grafiki trójwymiarowej oraz modeli fizycznych w celu pozorowania praw fizyki. Zastosowanie szczegółowej anatomii obiektów będących przedmiotem animacji i zakodowanie obszernej charakterystyki ruchu umożliwia maksymalne oddanie realizmu ruchu postaci lub innych przedmiotów. Wykorzystanie symulowanego środowiska – wirtualnego planu zdjęciowego i szkieletowa konstrukcja postaci lub obiektów pozwala na uzyskanie efektu naturalnego ruchu, kolizji, destrukcji, itp.

Animacja proceduralna jest rodzajem animacji komputerowej, generowanej w czasie rzeczywistym w celu osiągnięcia bardziej zróżnicowanych i naturalnych efektów towarzyszących ruchowi obiektów jak również symulacji tzw. systemów cząsteczek wykorzystywanych do odzwierciedlenia chmur, dymu, ognia czy wody. Autor nie musi koncentrować się na „ręcznym” kreowaniu każdego ruchu, przemieszczenia, deformacji, czy oddziaływaniu wirtualnych warunków atmosferycznych na obiekty animacji, ponieważ powstają one w oparciu o ustalone wcześniej parametry symulowanej fizyki. Przebieg tworzenia tego rodzaju animacji opiera się o kreowanie poszczególnych ujęć i klatek kluczowych, gdyż wszystkie pośrednie klatki animacji generowane są na drodze interpolacji za pośrednictwem oprogramowania. Zaawansowane algorytmy umożliwiają reprezentację światła i cienia w generowanym środowisku w połączeniu z opisaną wcześniej techniką animacji, pozwalając jednocześnie na stworzenie fotorealistycznego obrazu ruchomego przy relatywnie mniejszym nakładzie pracy autora.

Producenci obrazów animowanych dążą do kreowania idealnej, fotorealistycznej animacji postaci ludzkich, uzyskując coraz bardziej zadowalające, lecz często niedoskonałe efekty. Biorąc pod uwagę dotychczasowe osiągnięcia w dziedzinie animacji komputerowej, można spodziewać się zacierania granicy między obrazem rzeczywistym a wirtualnym, lecz dalszy rozwój tej sztuki uzależnić należy od postępów w pokonywaniu technologicznych barier.

Rav.En

Bibliografia: [1] Parent R., Animacja komputerowa. Algorytmy i techniki, Wyd. Naukowe PWN, Warszawa 2012.

Niniejszy artykuł stanowi fragment pracy dyplomowej inżynierskiej – „Interaktywna animacja komputerowa sterowana kontrolerem ruchowym” - Rafał Nowosad, Wyższa Szkoła Techniczno-Ekonomiczna w Szczecinie, 2015 r.