Osnove 3D modeliranja Animacije

Transkripcija

1 Napredna 3D računalniška grafika in vizualizacije 2. stopnja, magistrskega študija GIK Helena Gabrijelčič Tomc (UL, NTF, Oddelek za tekstilstvo, grafiko in oblikovanje)

2 geslo: 3dblender INTRI!!! MOrda bi za nek osnovni nivo vzeli en taksen primer: ali pa taksen: Bi pa moralo biti se bolj doterano in tudi okolica bi morala biti dokaj realisticna Skripta vaje

3 Produkcijski cevovod v 3D animacijah

4 Produkcija in načrtovanje luči gibanje 2:17 min

5 Cevovod Andy Beane: 3D animation Essentials

6 Kaj je računalniška animacija? je podpodrojče računalniške grafike. računalniško podprto računanje, ki se uporablja za produkcijo slik z namenom ustvarjanja percepcije gibanja na splošno je vsaka vrednost, ki je lahko spremenjena lahko tudi animirana osnovni parametri, ki so lahko animirani so: lega in orientacija, oblika objekta, parametri senčenja, koordinate teksture, parametri luči in kamere.

7 »Uncanny valley«pri oblikovanju likov je pomembno: se naučiti, da resnično vidimo uporabljati referenco razumevanje anatomije ter uporaba oz. delo z»uncanny valley«

8 Pregled tipov 3D animacijskih tehnik

9 Vrste animacije animacija s ključnimi sličicami animacija zajemom gibanja proceduralna animacija

10 Bazični pristopi animiranja artistična animacija (animator ima največjo odgovornost za ustvarjanje gibanja) podatkovno-gnana (data-driven) animacija, kjer je živo gibanje digitalizirano in nato mapirano na grafični objekt (zajem gibanja) proceduralna animacija, kjer se uporablja računski model za kontrolo gibanja (določanje vhodnih nastavitev za določeno vrsto fizične simulacije ali simulaije obnašanja)

11 Nadaljnje delitve 3D animacijskih tehnik 1. ANIMACIJA S KLJUČNIMI SLIČICAMI (KEYFRAMED ANIMATION): najtežja tehnika, ki zahteva veliko časa, a je še potrebna v delokrogu animacij. Ima štiri različice: POSE-TO-POSE: izhaja iz 12 principov animacije; je postavitev posameznih leg objekta, izhaja iz klasičnih principov animacije STRAIGHT AHEAD: izhaja iz 12 principov animacije, je tehnika, ki animira posamezne lege v zaporedju frame1, frame2, frame 3 itd.. HYBRID: je neka mešanica pose-to-pose in straight-ahead in omogoča vse prednosti obeh tehnik. Najprej se izdela ključne sličice, nato pa naredi in-beetween sličice (najbolj uporabljen) HIERARCY: je delokrog, uporaben pri generiranju cikličnih animacij, ki se ciklično ponavljajo; prvi in zadnji frame animacije mora biti enak za ustvarjanje efekta cikličnosti. Med zgornjimi je vključena tudi animacija po poti: objekt sledi poti in se glede na njega tudi rotira

12 Vrste animacije 2.MOTION CAPTURE ANIMATION: dva tipa te tehnologije : sistem z markerji sistem brez markerjev tipično obraz, roke in prsti niso zajeti z zajemom gibanja, ampak jih animator posebej animira. 3. PROCEDURALNA ANIMACIJA: animator nima dela z animacijo gibanja, temveč le dodaja parametre, ki omogočajo reakcijo gibanja v definiranem smislu.

13 Artistična animacija

14 Podatkovno-gnana animacija

15 Proceduralna animacija

16 12 principov animacij

17 12 principov animacije osnova za vse vrste tehnik animiranja obravnavajo fizikalne zakonitosti ter slednje implemetirajo v animacijo 12 principles of animation - in pixar films

18 Reference in načrtovanje ni sicer princip animacije, vendar je zelo pomembna faza

19 Oznake sledenja in gibanje po ustavitvi (Tracking marks and Ghosting) sta zelo pomembni orodji v 3D-ju, ki izhajata iz zgodovine markiranje gibanja na ekranu pri animiranju; ghosting pomeni, da animiramo tako, da je objekt viden še nekaj sličic pred in po dejanski sliki Andy Beane: 3D animation Essentials

20 Časovni in prostorski potek (Timing and spacing)

21 Časovni in prostorski potek (Timing and spacing)

22 Sukcesivna animacija in od poze do poze (Straight ahead action and Pose to pose) izhaja iz klasične animacije in pomaga animatorju oblikovati posnetek (kader). sukcesivna animacija: pomeni da oblikujemo vsak plan v zaporedju pojavljanja od poze do poze: interpolacija (vmesne slike)

23 Videz, izgled (Appeal) plasti razvoja lika plasti razvoja drugih 3D objektov

24 Stisniti in raztegniti (Squash and stretch) Andy Beane: 3D animation Essentials ključne sličice padca in odboja žoge pet ključnih sličic mežikanja očesnega mežikanja

25 Stisniti in raztegniti (Squash and stretch) osnovne slike principa + animacija

26 Pričakovanje (Anticipation) princip animacije, ki omogoča gledalcu pričakovanje, da se bo nekaj zgodilo vsaka glavna akcija mora imeti dejanje pričakovanja, preden se zgodi velikokrat ni očiten proces (kot je primer dvig noge pred hojo - prenos teže na drugo nogo) Andy Beane: 3D animation Essentials

27 Sceniranje, postavitev na sceno (Staging) zapolnitev slikovnega prostora tako, da gledalci razumejo, kaj se dogaja kompozicija odnos med subjekti (liki) odnos med ozadjem in liki

28 Follow Through in Overlaping action dva različna a tesno povezana principa follow through: deli objektov se premikajo tudi po tem, ko se je objekt ustavil; spodaj je prikazan na princip na premikajoči žogi z repom overlaping action: različni dli telesa se premikajo z drugačnim časovni intervalom (timing) v realnosti se vse premika z drugačnim časovnim in prostorskim intervalom (zelo pomembno upoštevati) lahko uporabimo za komične efekte Andy Beane: 3D animation Essentials

29 Pospešek in pojemek (Slow-in ter slow out, Ease in Ease Out) vse se giblje pospešeno in pojemajoče, linearnega gibanja je zelo malo (robotsko) s pravilnim prostorskih zaporedjem (spacing) dosežemo najboljše efekte pospeška in pojemka Andy Beane: 3D animation Essentials

30 Loki (Arcs) Andy Beane: 3D animation Essentials

31 Loki (Arcs)

32 Sekundarna akcija (Secundary action) je akcija, ki podpira osnovno, glavno akcijo in vdihne več življenja v animacijo

33 Prepričljivo risanje (Solid Drawing) v 2D-ju je to prepričljivost risanja volumna lika ter teže v 3D-ju je prepričljivost in čistost silhuete, prepričljivost uporabe kosti ter njihova postavitev v določeno pozo

34 Pretiravanje (Exaggeration)

35 Pričakovanje (Anticipation) ttp://blog.digitaltutors.com/understanding-12-principles-animation/

36 Primer

37 luči luči študij scene 3D modeli ozadje (3D, 2D) tehnike animiranja objektov posebni efekti luči, kamera (kompozicija) digitalno sestavljanje

38 Pregled osnovnih in naprednih animacijskih tehnik

39 Osnovne animacijske tehnike

40 Osnovne in interpolacijske tehnike Kontrola gibanja po krivulji Kontrola hitrosti Funkcijske krivulje Pospešek in pojemek Funkcije razdalja čas Ujemanje krivulj: lega - čas Sledenje poti Orientacija po poti Glajenje poti Določanje poti na površini s3m

41 Osnovne in interpolacijske tehnike Sistemi ključnih sličic Interpolacije rotacije in orientacije Animacijski programski jeziki Umetniško orientirani jeziki Artikulacijske variabile Grafični jeziki (Houdini) Jeziki, ki bazirajo na igralcih

42 Osnovne in interpolacijske tehnike Deformiranje objektov Ovijanje objekta Koordinatne mrežne deformacije Morfiranje Koordinatni mrežni prijemi Morfiranje, ki temelji na funkcijah 3D interpolacija oblik Ujemanje topologije Rekurzivna subdivizija

43 Napredne animacijske tehnike

44 Napredne animacijske tehnike Hierarhično kinematično modeliranje Kinematika z delovanjem naprej Inverzna kinematika Simulacije trdnih teles Telesa s prostim padom Telesa in trki Simulacije mehkih teles Mehka telesa Virtualne vzmeti

45 Napredne animacijske tehnike Kontrola skupine objektov Sistem delcev Obnašanje jat Avtonomno obnašanje

46 Naravni fenomeni

47 Naravni fenomeni Rastline L- sistemi Simuliranje rasti rastlin Voda Mirujoča voda ter voda z majhno amplitudo valovanja Voda z veliko amplitudo valovanja Plini Računalniško podprti pristopi Oblaki Ogenj

48 Modeliranje in animiranje zglobnih objektov

49 Modeliranje in animiranje zglobnih objektov Iztegovanje udov in prijemanje Hoja Animiranje obraza Oblačila Zajem gibanja

50 Osnovni principi in tehnike 3D animacij

51 Osnovni animacijski principi interpolacije poljubnih oblik poti gibanja, trajektorije (Motion Paths) 3D morfiranje (3D Morphing) eksterna kontrola strukture modela animacija z mrežo (Free-form Deformers/Lattice, External Control Structures) animiranje po površini drugega objekta (z ničelnim objektom, Dummy) animacije površinskih karakteristik, mapirana sekvenca (Animation of the Surface Characteristics, Mapping a Sequence)

52 Ključi, ključne slike (Keyframes, poses) in časovni trak (Timeline) progresivna linija (interpolacija, aproksimacija) ključne slike (poze) časovni trak, časovnica

53 Ključi, ključne slike (Keyframes, poses) in časovni trak (Timeline)

54 Interpolacija

55 Interpolacija interpolacija vrednosti je osnova večine animacij (napr. interpolacija lege točke v prostoru) osnova so ključne točke (ekstremi) izzivi interpolacije lege točke v prostoru: parametrizacija funkcije, ki bazira na razdalji, ohranjanje želene kontrole interpolacije in lege v odvisnosti od časa na bazi interpolacije se poleg osnovnih transformacij objektov animira tudi teksturo, kamero (recimo globino polja), svetlobni vir, člene okostja itd kako ustvariti korektno interpolacijo med ključnimi točkami

56 Interpolacija vs. aproksimacija interpolacija aproksimacija Parent R.: Computer alghoritms and techniques prehod interpolacijske krivulje skozi kontrolne točke samo končne točke so interpolirane, notranje točke so uporabne le za oblikovanje krivulje določanje načina prehoda skozi ali mimo ključnih točk (ekstremov)

57 Interpolacija ključnih slik in vmesne slike (Keyframe interpolation, in-betweening) linearna interpolacija (Linear Interpolation) enakomerna razporeditev slik med ključi, enakomerna hitrost nelinearna interpolacija (Curve Interpolation) neenakomerna razporeditev slik med ključi, pospešek, pojemek Parent R.: Computer alghoritms and techniques

58 Kontrola gibanja po krivulji prikaz točk, ki so rezultat interpolacijskih parametrov tipične kubične krivulje lok med točkami

59 Kaj upoštevamo pri interpolaciji? kompleksnost kontinuirnost globalna vs. lokalna kontrola, kontrolna točka in ročica

60 Kompleksnost in kontinuirnost prehoda skozi ključne točke kompleksnost: kompleksnejše funkcije interpolacije zahtevajo več računanja polinomske funkcije so najustreznejše do vključno tretjega reda (če je red višji je prekompleksno za računati) kontinuirnost kaj upoštevati kot ustrezen prehod krivulje ničtega reda, prvega reda, drugega reda večinoma se uporablja kombinirane gladkost fizikalna korektnost

61 Kompleksnost krivulj

62 Vrste interpolacije enostavna linearna interpolacija Parent R.: Computer alghoritms and techniques kubična interpolacija Hermite (začetna in končna točka ter začetni in končni tangentni vektor), sestavljena Hermitova krivulja Parent R.: Computer alghoritms and techniques sestavljena Hermitova krivulja Catmull-Rom Spline

63 Vrste interpolacije Catmull-Rom Spline (podobno kot Hermitova, tangente v notranjosti kontrolnih točk pa se generirajo avtomatično) mešane parabolične enačbe Bézierjeve Parent R.: Computer alghoritms and techniques

64 Kontinuirnost krivulj

65 Kontinuirnost, napetost kontinuirnost napetost

66 Kontinuirnost krivulj (kvaliteta)

67 Lokalna vs. globalna kontrola krivulj

68 Lokalna vs. globalna kontrola lokalna: kontrolna točka ima kontrolo le nad segmentom krivulje globalna: kontrolna točka (uporabnik) ima kontrolo nas celo krivuljo

69 Kontrola hitrosti Ease-out Animations Ease-in Animations Ease-in-out Animations

70 Kontrola hitrosti in pospeška

71 Časovni potek parametra, krivulje parametrov (Parameter/Function Curve) oblika interpolacijske krivulje sprememba hitrosti v odvisnosti od časa robni pogoji (ease-in, ease-out) upočasnitev hitrost overshooting --

72 Kontrola gibanja po krivulji linearna interpolacija nelinearna interpolacija

73 Linearna interpolacija

74 Nelinearna interpolacija hitrosti (lege in orientacije)

75 Interpolacija rotacije

76 Interpolacija rotacije

77 Slednje poti

78 Animiranje po poti enostavna in osnovna animacijska tehnika ne gre le za translacijo, ki sledi poti ter je paramertrizirana z dolžino loka ter s spreminjanjem pospeška in pojemka, upoštevati je potrebno tudi orientacijo če je pot rezultat digitalizacije mora biti zglajena v primeru animiranja po poti, ki leži na drugem objektu, je potrebno kompleksnejše računanje

79 Frenet sistem lokalni koordinatni sistem, ki bazira na kameri Težave s Frenetovimi enačbami: kjer ima krivulja majhno ukrivljenost ko je prisotna diskontinuiranost krivuljnega vektorja rezultati ne izgledajo naravno, pregrobe spremembe problematika glajenja poti, uporabljajo se kubične enačbe, B-spline aproksimacije, Kernelove konvolucije itd

80 Poti gibanja, trajektorije pot gibanja + nagib objekta s pomočjo osi objektatangente na pot

81 Gibanje kamere orientacija je direktno odvisna od lastnosti krivulje Frenet-ov okvir (Frenet frame) se lahko definira kot premikajoč (desnosučni) koordinatni sistem (u,v, w), ki je definiran s krivuljno tangento in ukrivljenostjo Najenostavnejši način za definiranje orientacije kamere je, da postavimo center interesa (center of interest, COI) za računanje vektorja pogleda (view vector): 1. v fiksno točko v okolici 2. določeno točko drugega objekta v okolici

82 Animacija kamere (Camera Animation) gibanje kamere parametri kamere (položaj in orientacija,optične lastnosti, spreminjanje ravnin obrezovanja ) rez (Camera Cut) globina polja interpolacijske krivulje, poti gibanja ipd.

83 Animacija kamere (Camera Animation) gibanje, rotacija gibanje, DOF Rant, Zakotnik

84 Poti gibanja, trajektorije

85 Gibanje po površini drugega objekta Str. 114 izziv pri tem je najti iz vidika računanja najmanj potratno pot med dvema točkama za rešitev obstajajo alternative določanje poti med dvema točkama po površini ravnine (intersekcijska ravnina), ki je pravokotna na objekt

86 Gibanje Gibanje po površini površini drugega drugega objekta objekta Str. 114 omejitve gibanja z vzpostavitvijo relacij med objekti (Constraints)

87 Deformacije objektov

88 Deformiranje objektov zelo močna animacijska tehnika transformacije enega objekta v drugega z njimi dosežemo ekspresivnost in večjo sporočilnost objektov (principi animacije) za tovrstne animacije se lahko uporablja dinamične simulacije, ki pa so procesorsko potratne ter nad njimi ne moremo imeti kontrole v tolikšni meri alternativa so deformacije s ključnimi slikami običajno se določajo vmesne stopnje oblik na bazi oglišče oglišče, s tem je prehod najbolj gladek "affine " transformacija poznamo enakomerne in neenakomerne deformacije "affine" transformacija je najbolj enostavna med temi in je funkcija med "affine" prostori, ki ohranjajo točke, ravne linije, vzporednost ter ravnine (ni nujno da ohranja kote me linijami in razdaljo med točkami, vendar razmerje med razdaljami med točkami, ki ležijo na ravni liniji

89 Deformiranje objektov - Poljubna interpolacija oblik določanje ključnih slik enake geometrije, progresivna sprememba oblike modela (squash, strech)

90 Deformiranje objektov enostaven način za modifikacije oblike je premik določenega oglišča (seed vertex) ali skupine oglišč do izbranega oglišča ali skupine oglišč za kalkulacijo takega premika se uporabljajo funkcijo razdalje (distance function), ki se lahko izvaja kot: 1. funkcija, ki vključuje minimalno število robov med dvema ogliščema 2. funkcija, ki vključuje računanje najmanjše razdalje po površini objekta od izhodiščnega do končnega oglišča

91 Deformacija koordinatne mreže (Coordinate Grid Deformation) popularen način spreminanja mreže: razvijalec Sederberg prosto-oblikovna deformacija (free-form deformation, FFD) določi lokalni koordinatni sistem na delu objekta, ki bo deformiran ustvari se lokalni koordinatni sistem, s katerim je lažje izvesti manipulacijo objekta: objekt ima sicer koordinate v globalnem sistemu, vendar se mu s to deformacijo dodeli lokalne koordinate njegovih oglišč transformacije so lahko nelinerne, kar je pri animacijah zelo uporabno

92 Deformacija koordinatne mreže (Coordinate Grid Deformation)

93 Deformacija svobodne oblike (Free-Form deformation) je v osnovi 3D ekstenzija Burtnyk s tehnike in vključuje interpolacijo višje stopnje (tretje stopnje, Bezierjeva interpolacija lahko pa tudi kakšne druge vrste) lokaliziran koordinatni sistem je nadgrajen nad objekt globalna deformacija za vsako oglišče so določene relativne koordinate glede na lokalno mrežo, ki registrirajo oglišče v mreži mreža se nato manipulirana iz strani uporabnika

94 Deformacija svobodne oblike (Free-Form deformation) FFD se lahko izvaja 1. sekvenčno 2. hierarhično Sekvenčno: objekt je modeliran progresivno s pomočjo določenih sekvenc FFD manipulacij

95 Deformacija svobodne oblike (Free-Form deformation) Hierarhično: omogoča delo na različnih nivojih detajlov, finoločljivostni FFD-ji, ki so uporabljeni lokalno so po hierarhiji više vstavljeni v FFD manjše ločljivosti hierarhija: z manipulacijo FFD-ja staršev tako vplivamo tudi na FFD otrok enostavni primer hierarhične FFD

96 FFD in animiranje

97 Eksterna kontrola strukture modela zunanja kontrolna struktura: 1. kontrolna mreža (free-form lattice) 2. funkcije (wave function) kontrolna mreža

98 3D interpolacije oblike

99 3D interpolacije oblike sprememba enega objekta v drugega 1. površinsko (surface based) 2. volumsko (volume based) Površinsko: 1. uporablja robno reprezentacijo objektov ter modificira enega ali oba objekta tako, da se robovi in oglišča ujemajo 2. sledi interpolacija oglišče-oglišče omejitev so objekti z luknjami, kar je pomembna lastnost topologije Volumsko: 1. upošteva volumen znotraj objekta tako, da en volumen zmeša pretvori v drugega 2. princip ima prednost, da je manj občutljiv na topološke specifike in posebnosti 3. ker zahtevajo volumen so računsko bolj potratni in se manj uporabljajo

100 3D interpolacije oblike Transformacija oblike izzove dva izziva, ki sta med seboj soodvisna: 1. korenspondenčni problem: določanje mapiranja iz oglišča enega objekta v oglišče drugega objekta 2. interpolacijski problem: kreiranje sekvence vmesnih objektov, ki vizualno predstavljajo transformacijo enega objekta v drugega Ujemanje topologije: najenostavnejši način morfiranja je možen, ko objekta delita enako topologijo oglišče rob primer: 1. objekt se obdela s FFD; 2. morf iz enega v drugo stanje; 3. morf se izvede z interpolacijo 3D oglišč

101 3D morfiranje 3D morfiranje oblik

102 3D morfiranje oblik v vseh modelih uporabljena ista oglišča ponekod dodani novi elementi

103 3D deformacije s funkcijami planarne krogelne sferične

104 Animacija površinskih karakteristik-barve, materiala

105 Mapirana sekvenca Mapirana sekvenca

106 Animacija luči (Light Animation) animiranje luči z objekti hierarhija objektov