Animacja komputerowa. dr inż. Piotr Steć

Transkrypt

1 Animacja komputerowa dr inż. Piotr Steć

2 Plan wykładu Animacja tradycyjna Cykl produkcji Podstawy animacji Techniki produkcyjne Animacja komputerowa Cykl produkcji Klatki kluczowe i interpolacja Kinematyka prosta Kinematyka odwrotna Dynamika Systemy cząsteczek Symulacja materiałów

3 Cykl produkcji tradycyjnej animacji 1. Scenariusz. Projektowanie postaci 3. Storyboard 4. Klatki kluczowe Inbetweens Czyszczenie (cleanup) Zdjęcia

4 Scenariusz Przedstawia pewną historię Tradycyjna konstrukcja: wprowadzenie, rozwinięcie, zakończenie Dodatkowe informacje ułatwiające dalszą pracę: informacje na temat lokalizacji, ujęć, efektów, itp. Odpowiednie formatowanie ułatwia dalszą pracę

5 Format scenariusza Czcionka Courier 1pt Marginesy: górny: 1,9 cm,5 cm dolny: 1,3 cm 3,8 cm lewy: 3,8 cm 5,1 cm prawy:,5cm Marginesy dialogów: lewy: 7,6 cm prawy: 5,8 cm Marginesy dodatkowych opisów w nawiasach: lewy: 9,4 cm prawy: 7,6 cm Pierwsza linia zawiera wyrównany do prawej numer strony zakończony kropką

6 Format scenariusza c.d. Podział na sceny z zaznaczeniem otoczenia i pory dnia: WN. KORYTARZ PRZED SALĄ EGZAMINACYJNĄ RANO WN. wnętrze PL. plener Efekty wejścia i wyjścia sceny Dialogi z podziałem na role i notatkami

7 Przykład scenariusza

8 Projektowanie postaci Techniki tradycyjne: szkice modele

9 Projektowanie postaci

10 Storyboard Obrazkowy szkic scen Pokazuje ujęcia i czas ich trwania Opisuje ruch kamery i przejścia pomiędzy ujęciami Opisuje główny ruch aktorów Zwykle szkic na papierze w ramkach o proporcjach ekranu

11 Storyboard (Dawno temu w trawie)

12 Storyboard (Jaskiniowcy)

13 Klatki kluczowe W tradycyjnej animacji: klatki rysowane przez głównego rysownika pokazujące główne fazy ruchu postaci Zawierają linie pomocnicze i ścieżki ruchu Zawierają informację o rodzaju i szybkości ruchu, oraz ilości klatek pośrednich

14 Klatki kluczowe

15 Inbetweens Proces dorysowywania klatek pośrednich pomiędzy klatkami kluczowymi Zwykle wykonywany przez asystentów głównego animatora

16 Czyszczenie klatek (cleanup) szkic wyczyszczony rysunek

17 Zdjęcia kamera oświetlenie animowana postać tło 1. warstwa tło. warstwa

18 Panoramiczne tło (Pinokio) Panorama o wielu perspektywach

19 Cykl produkcyjny animacji komputerowej 1. Scenariusz. Projektowanie postaci 3. Storyboard 4. Modelowanie 5. Kompozycja scen 6. Oświetlenie 7. Animacja 8. Cieniowanie i teksturowanie 9. Rendering 10. Postprodukcja

20 Modelowanie

21 Kompozycja scen

22 Scena bez tekstur i cieni

23 Gotowa scena

24 Rendering Wymaga dużych mocy obliczeniowych Pojedyncza klatka animacji może renderować się nawet kilka godzin (przeciętnie kilka minut) 1 min. filmu kinowego to 1440 klatek Przy dużych produkcjach stosuje sięrendering sieciowy, z użyciem wielu komputerów

25 Postprodukcja Montaż Przejścia efektowe Synchronizacja dźwięku Efekty specjalne Napisy

26 Podstawowe techniki animacji Przyśpieszenie, opóźnienie Ściskanie i rozciąganie Kompozycja czasowa (timing) Akcje drugorzędne Trajektorie

27 Ruch jednostajny

28 Przyśpieszenie, opóźnienie

29 Ściskanie i rozciąganie

30 Kompozycja czasowa (timing) Timing ma wpływ na odbieraną wagę: Lekkie obiekty poruszają się szybko Ciężkie obiekty poruszają się wolno Szybkość wykonywanego ruchu bardzo mocno wpływa na jego interpretację Chuck Jones (WB): "The difference between the right timing and the almost right timing, is the difference between lightning and a lightning bug."

31 Różna szybkość, różne znaczenia rozglądanie się nie uderzenie

32 Który obiekt jest cięższy?

33 Akcje drugorzędne Reakcja na działanie postaci Ruch drobniejszych elementów związanych z ruchem obiektu Przykłady: Machanie rękami podczas chodzenia Falowanie włosów Rozchylanie się trawy pod toczącą się piłką Akcje drugorzędne mają olbrzymi wpływ na realizm animacji

34 Akcje drugorzędne

35 Trajektorie animacji W przypadku animacji obiektów fizycznych, trajektoria ich ruchu powinna odpowiadać naturze Wszystkie ruchy animowanej postaci powinny odbywać się po łuku

36 Trajektorie animacji

37 Przewidywanie Ruch powinien być poprzedzony akcją wprowadzającą W przypadku animacji tradycyjnej gesty są zwykle przerysowane Przy zachowaniu dużego realizmu, akcje te powinny być bardziej subtelne

38 Klatki kluczowe i interpolacja Interpolacja liniowa

39 Klatki kluczowe i interpolacja Interpolacja wielomianowa

40 Klatki kluczowe i interpolacja Interpolacja spline'ami

41 Kinematyka Kinematyka jest nauką o ruchu, która nie uwzględnia sił powodujących ruch W animacjach komputerowych stosuje się dwa podejścia do kinematyki: Kinematykę prostą (forward kinematics) Kinematykę odwrotną (inverse kinematics) Kinematykę stosuje się głównie do animacji obiektów, które składają się ze sztywnych segmentów połączonych przegubami

42 Rodzaje przegubów Przegub obrotowy Przegub teleskopowy

43 Kinematyka prosta Dwa segmenty połączone przegubami efektor X ( l cosθ + l cos( Θ + Θ ), l sin Θ + ( Θ + Θ )) = l sin 1

44 Kinematyka prosta Ruch przegubów określony przez krzywe

45 Kinematyka prosta Ruch może być też określony przez warunki początkowe i prędkości Θ 1 dθ dt (0) = 60 1 = 1, Θ dθ dt (0) = 40 = 0,1

46 Właściwości prostej kinematyki Przeguby mogą być teleskopowe lub obrotowe o 1, albo 3 stopniach swobody Segmenty łączone przegubami muszą tworzyć strukturę hierarchiczną Problem z uzyskaniem pożądanego położenia końca układu (efektora)

47 Kinematyka odwrotna Animator określa położenie efektora Komputer oblicza kąty obrotu stawów efektor Θ Θ 1 = = ( l sin( Θ )) x + ( l1 + l cos( Θ )) ( l sin( Θ )) y + ( l + l cos( Θ )) cos 1 x + x l l l l y x

48 Kiedy używać odwrotnej kinematyki Postać podnosi przedmioty Stawianie kroków Wszystkie sytuacje, gdzie istotne jest położenie końca struktury (dłoni, stóp)

49 Problemy z odwrotną kinematyką Uzyskanie naturalnego sposobu poruszania się postaci Osobliwości równań Niejednoznaczne rozwiązania równań (efektor może być w tym samym miejscu dla wielu ustawień przegubów)

50 Bardziej skomplikowane struktury Trzy niewiadome (kąty), dwa równania (x,y)

51 Umożliwienie obliczania skomplikowanych struktur Odnajdywanie najlepszego rozwiązania (minimalizacja energii) Optymalizacja nieliniowa Wprowadzanie dodatkowych ograniczeń na ruchomość stawów (pozwala odrzucić część rozwiązań)

52 Przechwytywanie ruchu (motion capture) Systemy pozwalające rejestrować ruch aktorów W stawach aktora umieszczane czujniki położenia Położenie próbkowane z odpowiednią częstotliwością Technika często wykorzystywana w zaawansowanych (czyt. kosztownych) animacjach W filmach pozwala zastąpić żywego aktora wirtualnym

53 Przechwytywanie ruchu (motion capture) Zalety: Ruch rejestrowany w naturalnym środowisku Dokładny zapis ruchu postaci wraz z ruchami pobocznymi Pozwala na realistyczną animację postaci Wady: Dane trudne do edycji Szum Przesunięcia w stosunku do rzeczywistych położeń

54 Urządzenia przechwytujące Optyczne Magnetyczne Mechaniczne

55 Dynamika Sposób animacji poprzez symulację naturalnego świata Animator określa warunki początkowe, właściwości obiektów, oraz siły zewnętrzne Bardzo kosztowna obliczeniowo ale daje bardzo realistyczne efekty, niemożliwe do uzyskania innymi technikami

56 Detekcja kolizji

57 Odbicie kuli od płaszczyzny v p v n v v n v n v p v = v + v n p v = v v p n v n v = ( v n)n = v v p n Odbicie idealnie elastyczne. Brak strat energii.

58 Kolizja dwóch sfer U1 i U wektory prędkości w momencie zderzenia X wektor łączący środki sfer U1x, Ux projekcje wektorów prędkości na wektor X U1y, Uy projekcje wektorów prędkości na wektory prostopadłe do X U1y U1x U1 U X U x U y

59 Kolizja dwóch sfer Kolizja dwóch sfer U1y x U1 x U U y 1 U U X ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) y V x V V y V x V V y U y V y U y V M M M x U x U M x U M x U x V M M M x U x U M x U M x U x V x U U y U U X X x U x U U y U U X X x U X X X środek środek X ) ( + = + = = = + + = + + = = = = = = = M1, M masy sfer V1,V prędkości po zderzeniu

60 Problemy związane z detekcją kolizji Dyskretyzacja czasu (w jednej chwili obiekt może być przed, w drugiej za przeszkodą) Obiekty o skomplikowanych kształtach (zastępowane przez proxy) Obiekty wirujące Uwzględnianie tarcia Zderzenia miękkich obiektów

61 Zderzenia miękkich obiektów

62 Systemy cząsteczek Popularna technika symulacji zjawisk fizycznych Cząsteczka jest punktem o skończonej masie i określonym czasie życia Cząsteczki zwykle nie kolidują ze sobą nawzajem Cząsteczki wydobywają się z tzw. emiterów, które nadają im początkową prędkość Do symulacji używa się bardzo dużych ilości cząsteczek

63 Zjawiska symulowane systemami cząsteczek Ogień Dym Chmury Odłamki i iskry Woda Zachowania stadne

64 Ruch cząsteczki w polu siłowym Symulacja następuje w dyskretnych odstępach czasowych Wynikowa siła jest sumą wszystkich sił działających na cząsteczkę (grawitacja, wiatr, turbulencje, itp.) Przyśpieszenie = Siła/Masa Nowa_Prędkość = Stara_Pdkość + Przyśpieszenie * Krok_Czasu Nowa_Pozycja = Stara_Pozycja + Nowa_Prędkość * Krok_Czasu

65 Przykłady zastosowań systemów cząsteczek