Кен - Поиск - Библиотека программиста

Как создается трехмерная анимация.

Анимированное кино существует и развивается уже сто лет. Оно стало считаться одним из видов искусства. Год от года неуклонно возрастет число анимационных проектов. Такие картины, как Final Fantasy, Shrek, Little Stuart, The Incredibles, Finding Nemo претендуют на престижную премию Оскара. Возможно наступит момент, когда актеров заменят их трехмерные двойники.
Трехмерные сцены становятся все реалистичными, а их себестоимость снижается. Без трехмерных декораций не обходится ни один современный экшн.

Трехмерная анимация постепенно вытесняет классическую двухмерную мультипликацию. Многие мультяшные герои или "уходят на пенсию" (с ними просто больше не делают новых мультфильмов), или обретают новую жизнь в 3D. Например, мультфильм с моряком Папаем, сделанный при помощи 3D-редактора Softimage|XSI.

В 2004-ом году известная анимационная студия Blur Studio представила первый анимационный трехмерный проект про Микки Мауса и других диснеевских героев.
Три мультфильма общей продолжительностью 40 минут стали самым крупным проектом за девятилетнюю историю Blur Studio.
title

Работа над проектом велась совместно 3D-аниматорами Blur и художниками Disney Studios, которые в свое время рисовали Дональда, Плуто и прочих персонажей. Для того чтобы максимально сохранить особенности движения и внешнего вида персонажей при переносе их в трехмерный мир, ведущий аниматор студии Disney Андреас Дежа (Andreas Deja) все время давал советы коллегам-3D-художникам. Результатом остались довольны все, и в Blur и в Studio надеются, что проект не будет последним.
title

Метод ключевых кадров.

Современная техника анимации кардинально отличается от анимационных фильмов выпускавшихся двадцать, пятьдесят лет назад.
А до появления трехмерной графики существовала так называемая кукольная анимация. Делалась она так: снимался один кадр с мультипликационным героем, затем, например, руку персонажа передвигали на очень небольшое расстояние и опять снимали один кадр. Вся работа состояла в том, чтобы снять на пленку все положения руки мультяшного героя. Что же касается рисованной анимации, каждый кадр рисовался вручную.

В компьютерной анимации все гораздо проще. Аниматор задает в программе только два положения руки - верхнее и нижнее, а все промежуточные положения просчитываются компьютером. Кадры, которые фиксируют начальное и конечное положение тела, называются ключевыми.
Используя метод ключевых кадров, можно "оживить" практически любые параметры анимационной сцены. Продолжительность анимации зависит от количества промежуточных кадров между ключевыми.

Если математически отобразить зависимость анимированного параметра (или ключа анимации, как его еще называют) от времени, каждый ключевой кадр будет характеризоваться двумя кривыми, которые определяют функциональные зависимости анимированного параметра на промежутке между текущим ключевым кадром и предыдущим, а также настоящим ключевым кадром и следующим. Во многих редакторах для работы с трехмерной графиков подобной графической зависимостью можно управлять, определяя характер анимации.
Преимущество метода ключевых кадров перед классической техникой создания анимации очевидно: аниматор тратит на создание проекта гораздо меньше времени. Большая часть рутинной работы, которая ранее выполнялась вручную, сегодня переложена на компьютер.

Проблемы при создании анимации методом ключевых кадров.

Несмотря на универсальность и простоту техники ключевых кадров, существуют случаи, когда использование этого метода не позволяет добиться желаемого результата. Это касается тех сцен, в которых необходимо отобразить эффекты, подчиняющиеся законам физики.
В реальной жизни все, что нас окружает, постоянно изменяется - шторы слабо двигаются, по озеру бежит мелкая рябь и так далее. Аниматору очень трудно воссоздать такую картину методом ключевых кадров.

Если сцена содержит большое количество анимированных объектов, установить для каждого из них свой набор ключевых кадров очень сложно. Поскольку подбор параметров значений анимированных параметров в каждом из ключевых кадров производится методом проб и ошибок, на подгонку такой сцены уйдет очень много времени.

Кроме этого, при помощи ключевых кадров 3D-аниматору бывает очень сложно воссоздать реалистичную анимацию некоторых объектов: жидкости, материи, огня, волос, разбивающихся предметов. Алгоритм решения этих проблем настолько сложен, что его разработкой занимаются целые институты.

Каждая программа для создания динамики в трехмерных сценах по-своему уникальна, имеет свои преимущества и недостатки. Поэтому при выборе программного обеспечения руководитель анимационного проекта обычно учитывает задачи, которые планируется выполнить на данном этапе.

Помимо проблем, связанных с моделированием физических процессов, существует еще одна трудность, связанная с анимированием большого количества объектов в сцене. Создать простую, на первый взгляд, сцену с горящим бенгальским огнем при помощи ключевых кадров невозможно. Вручную задать траекторию движения для каждой из огромного количества разлетающихся искр - задача практически невыполнимая. В этом случае в трехмерной анимации используются так называемые источники частиц. Их особенность в том, что они позволяют одновременно управлять большим количеством объектов. Значимость частиц в трехмерной графике столь велика, что некоторые 3D-редакторы имеют сложные системы управления источниками частиц, которые позволяют тонко настроить анимационные эффекты с учетом изменения скорости движения частиц, размера, цвета, формы, изменения положения в пространстве и т.д.

Персонажная анимация.

Создание персонажной анимации - это один из важнейших этапов создания трехмерного проекта.
Любую анимацию можно условно разделить на два типа: реалистичная и нереалистичная. Персонажная анимация может быть как реалистичной, так и нереалистичной, однако, зрителем она лучше воспринимается, если напоминает движения, совершаемые реальными существами. Даже если персонаж анимации - это вымышленное существо, плод воображения художника, лучше, чтобы его движения были правдоподобны. В противном случае персонаж будет выглядеть безжизненным манекеном.

Характер движения любого существа определяется анатомическим строением его скелета. Поэтому при создании трехмерной анимации сначала создается модель скелета существа, на который позже "одевается" оболочка.
"Одевание" оболочки - это тоже достаточно трудоемкий процесс, ведь нужно "привязать" кости к соответствующим частям тела таким образом, чтобы при изменении положения скелета оболочка деформировалась реалистично.

Создавать анимацию скелета будущего персонажа можно двумя способами: вручную, с помощью ключевых кадров, и используя систему захвата движения Motion Capture. Последний способ получил широкое распространение и используется практически по всех коммерческих анимационных проектах, так как имеет ряд преимуществ перед методом ключевых кадров.

Технология Motion Capture использовалась, например, в анимационном фильме - <Полярный экспресс> (The Polar Express). В этом фильме известный актер Том Хенкс, играл сразу несколько ролей: маленького мальчика, проводника поезда, бродягу и Санта Клауса. При этом, во многих анимационных сценах актер играл сам с собой. Конечно же, все герои мультфильма были трехмерными, но Том Хенкс управлял их действиями, жестами и даже мимикой. Актер одевал специальное одеяние с датчиками, напоминающее гидрокостюм, совершал действия перед специальным устройством, а компьютер получал информацию об изменении положения отметок на костюме и моделировал, таким образом, движения трехмерного персонажа. Подобные датчики были установлены и на лице актера, что позволило переносить на анимационных героев его мимику.
title

Понятно, что анимация персонажей, созданная с использованием технологии Motion Capture, более реалистична, чем полученная методом ключевых кадров.

Мимика персонажа.

Для создания мимики трехмерного персонажа, кроме метода Motion Capture, используется также метод морфинга. Все современные 3D-редакторы обычно имеют средства для создания морфинга.

Добиться высокой реалистичности при имитации мимики методом Motion Capture не всегда удается. Чтобы она была правдоподобной, необходимо имитировать движения огромного количества мускулов, а ведь на каждый мускул датчик повесить невозможно.

Поэтому для имитации мимики используется метод морфинга. Он заключается в том, что на основе модели, которая будет анимирована, создается определенное количество клонированных объектов. Затем каждый из этих объектов редактируется вручную - форма лица изменяется таким образом, чтобы на нем присутствовала та или иная гримаса. При создании мимики очень важно, чтобы лицо персонажа при анимации не выглядело однообразным. Для этого необходимо использовать модели-заготовки с самыми разными гримасами. Пусть на одной заготовке персонаж будет моргать, на другой - щуриться, на третьей - надувать щеки и т.д.

На основе этих моделей при помощи метода морфинга создается анимация. При этом, просчитывается, как изменяется лицо персонажа при переходе от выражения лица одной модели до гримасы, созданной на второй модели и т.д. Таким образом, каждая из моделей служит ключом анимации, в результате использования морфинга форма объекта изменяется, и создается мимика персонажа.
title

3D-аниматор, который профессионально занимается "оживлением" персонажей, должен быть не только художником, но и знатоком анатомии. Знания о строении тела и работе мускулов помогают создать реалистичные движения и выражения лица.

Если же персонаж не только ходит и кривляется, но еще и говорит, 3D-аниматор обязан превратиться еще и в лингвиста. Каждый звук, который произносит человек, сопровождается определенными движениями его губ, языка, челюсти. Для того чтобы перенести эти движения на трехмерную анимацию, нужно уметь разбивать речь на фонемы и создавать соответствующие их произношению движения на лице персонажа.

Виртуальные камеры.

Многие трехмерные анимационные эффекты создаются с помощью виртуальных камер. Эти вспомогательные объекты предназначены для того, чтобы изменять положение точки съемки в виртуальном пространстве.
Виртуальные камеры обладают всеми основными параметрами, которые присущи настоящим камерам. Так, например, для виртуальной камеры можно указать фокусное расстояние, установить свой тип линз и т.д.

Виртуальная камера, в отличие от настоящей, - это лишь вспомогательный объект, которого вы никогда не увидите на трехмерной анимации.

Трехмерная анимация заметно упрощает реализацию многих спецэффектов. Так, например, хорошо всем известный "эффект Матрицы", когда, камера медленно объезжает вокруг человека, замершего в прыжке, гораздо проще создать при помощи виртуальной камеры. Для реализации этого эффекта в фильме "Матрица" использовалось большое количество камер, расположенных вокруг объекта съемки. Все они зафиксировали положение человека в один и тот же момент времени. Из этих кадров была создана анимация, имитирующая "облет" вокруг объекта.

В трехмерной анимации законы физики не действуют, поэтому для создания такого эффекта достаточно зафиксировать в прыжке трехмерную модель человека и задать плавное движение виртуальной камеры вокруг него.

В реальном мире при съемке фото или видеокамерой быстро движущиеся объекты остаются на полученном изображении смазанными. Причем, размытие изображения в конкретном кадре указывает на направление движения заснятого объекта. Присутствие этого эффекта в трехмерной анимации делает ее более реалистичной.

Эффект смазанного движения (Motion Blur) позволяет создать в трехмерных анимированных сценах смазанный шлейф от быстродвижущихся объектов, и отобразить их такими, какими они выглядят при реальных съемках. Возможность использования эффекта смазанного движения имеется практически во всех модулях просчета изображения, которые используются в 3D-графике.

Сегодня 3D-анимация находится на ранней стадии своего развития но за ней большое будущее. Потребуется еще немало времени, пока в 3D будут созданы анимационные шедевры, которые можно будет сравнить с лучшими образцами классической анимации.

А пока все с удовольствием смотрят мультфильмы, выпущенные много лет назад. Такой например как мультфильм "Бемби", созданный студией Диснея шестьдесят три года назад и отреставрированный при помощи современных средств видеообработки.

Хочется надеяться, что такую же популярность, нерушимую временем, смогут снискать и трехмерные анимационные проекты будущего.

Поиск

Кен Хендерсон - Профессиональное руководство по SQL Server

Кен Арнольд, Джеймс Гослинг - Язык программирования JAVA

Э. Гутманс - PHP 5. Профессиональное программирование

Э.Кениг, Б.Му - Эффективное программирование на С++

Как создается трехмерная анимация.