Περιεχόµενα ΕΠΛ 422: Συστήµατα Πολυµέσων Κινούµενα Γραφικά (Animation) Εισαγωγή Animation και ανθρώπινη αντίληψη Γενικά στοιχεία Animation σε υπολογιστή Κατηγορίες Βασικές τεχνικές animation Cel animation Key frame animation Object based animation (Path animation) Motion tweening Shape tweening Kinematics Inverse Kinematics Επεξεργασία Κινουµένων Γραφικών Βιβλιογραφία Καγιάφας [2000]: Κεφάλαιο 5, [link] Vaughan [2004]: Chapter 7 Chapman [2004]: Chapter 8, [pdf] Hillman [1997]: Chapter 7 Εισαγωγή Εξ ορισµού animation σηµαίνει to bring to life δηλαδή η απόδοση ζωντάνιας και κίνησης σε στατικές παρουσιάσεις. Απεικόνιση κάποιων αντικειµένων καθώς µεταβάλλονται µε το χρόνο ηµιουργία διαφορετικών µορφών για κάθε τέτοιο αντικείµενο Παράδειγµα: Με φυσικό τρόπο (π.χ. συνεχής φωτογράφηση του) Με τεχνητό τρόπο (µέσω του κατάλληλου λογισµικού) Κατασκευή µια σειράς από σχέδια στα οποία η θέση ή το σχήµα ενός χαρακτήρα (φιγούρα) ή αντικειµένου µεταβάλλεται ελαφρά Η προβολή της παραπάνω σειράς από σχέδια µε ένα σχετικά γρήγορο ρυθµό δηµιουργεί την ψευδαίσθηση της κίνησης των αντικειµένων που απεικονίζονται
Animation και ανθρώπινη αντίληψη Γενικά στοιχεία Η «ψευδαίσθηση» της κίνησης προκαλείται από την ταχεία προβολή µιας σειράς ανεξάρτητων εικόνων. Οι (µικρές) διαφορές ανάµεσα στις εικόνες γίνονται αντιληπτές σαν κίνηση των στοιχείων της εικόνας. Τα παραπάνω χαρακτηριστικά της ανθρώπινης αντίληψης οφείλονται σε δύο φαινόµενα: Το βιολογικό φαινόµενο «persistence of vision» το οποίο είναι στην ουσία αποτέλεσµα της µορφής µνήµης η οποία είναι γνωστή ως «αισθητήρια µνήµη». Τα ορατά αντικείµενα σύµφωνα µε αυτό το φαινόµενο παραµένουν στον αµφιβληστροειδή για ένα µικρό χρονικό διάστηµα από τη στιγµή που έχουν ιδωθεί. Το ψυχολογικό φαινόµενο «phi» σύµφωνα µε το οποίο ο άνθρωπος τείνει να συµπληρώνει νοητικά µια αντιλαµβανόµενη κίνηση Ηπρώτη εφαρµογή των κινουµένων γραφικών ήταν στο κινηµατογράφο (ταινίες κινουµένων σχεδίων): Στον κινηµατογράφο έχουµε χρήση 24 frames (καρέ) το δευτερόλεπτο άρα απαιτούνταν 24 x 60 = 1440 διαφορετικά σχέδια για ιστορία ενός λεπτού Για αποτελεσµατικότερη προσοµοίωση της κίνησης τα µηχανήµατα προβολής προβάλλουν κάθε frame δύο ή τρεις φορές δηµιουργώντας τεχνητά 48 ή 72 frames το δευτερόλεπτο µε στόχο τον περιορισµό του τρέµουλου (flickering). Στην τηλεόραση έχουµε προβολή 25 (συστήµατα PAL, SECAM) ή 30 (σύστηµα NTSC) frames το δευτερόλεπτο τα οποία όµως εµφανίζονται (κάθε frame) σε δύο πεδία (fields) δηµιουργώντας ρυθµούς προβολής 50 και 60 καρέ το δευτερόλεπτο Κάθε πεδίο (field) αποτελείται από µόνο τις περιττές ή άρτιες γραµµές ενός frame Ο τρόπος προβολής αυτός ονοµάζεται interlaced scan και είναι αντίθετος µε τον τρόπο προβολής κινουµένων γραφικών βίντεο στον υπολογιστή στον οποίο έχουµε τη προβολή ολόκληρου του frame σε ένα στάδιο (progressive scan) Ο στόχος της τεχνητής αύξησης των καρέ που απεικονίζονται ανά δευτερόλεπτο σε αυτή την περίπτωση είναι η δηµιουργία αίσθησης οµαλότερης κίνησης (το τρέµουλο στην τηλεόραση και τον υπολογιστή είναι θέµα refresh rate της οθόνης) Animation σε υπολογιστή => Animation σε υπολογιστή Κατηγορίες Computer Animation ονοµάζονται συνολικά οι µεθοδολογίες δηµιουργίας κινουµένων γραφικών µε τη χρήση Η/Υ. Στην πλειονότητα των περιπτώσεων τα επιµέρους frame που δηµιουργούν το animation είναι εικόνες γραφικών και όχι χαρτογραφικές (bitmap) εικόνες. Ο βασικός λόγος είναι η δηµιουργία κινουµένων γραφικών µε ταχύ και αποτελεσµατικό τρόπο µέσω της δυνατότητας χρήσης πολλαπλών και εξελιγµένων τεχνικών animation Object (path) animation, Kinematics, Motion tweening κλπ. Στην περίπτωση που τα επιµέρους frame είναι χαρτογραφικές εικόνες τότε δεν υπάρχει πληροφορία δοµής στις εικόνες και εποµένως περιοριζόµαστε σε: Σκηνοθεσία (δηµιουργία και επεξεργασία ψηφιακού βίντεο) ή Key frame animation Shape animation (morphing) ιακρίνουµε τρεις βασικές κατηγορίες computer animation: 2-D animation: Όλες οι αλλαγές που συµβαίνουν στα frames απεικονίζονται στο δισδιάστατο χώρο (x,y) συντεταγµένες. Τα αντικείµενα και η κίνηση τους είναι δισδιάστατα. Παράδειγµα: animation που παρέχει το PowerPoint 2 1/2-D animation: Τα αντικείµενα και η κίνηση τους εξακολουθούν να είναι δισδιάστατα αλλά δίνεται η ψευδαίσθηση του βάθους µε χρήση κατάλληλου φωτισµού, σκιάσεων, καλύψεων αντικειµένων κλπ. Παράδειγµα: σύγχρονες ταινίες κινουµένων σχεδίων, animation µε το λογισµικό πακέτο Flash 3-D animation: Τόσο τα αντικείµενα όσο και η κίνηση τους είναι τρισδιάστατα. Παράδειγµα: Σύγχρονες ταινίες επιστηµονικής φαντασίας (Jurassic Park, Beauty and the Beast, Toy Story, Shrek κλπ.), animation µε λογισµικά πακέτα που περιλαµβάνουν κατασκευή τρισδιάστατων µοντέλων (3D Studio Max, LightWave 3D, Poser, κλπ.)
Βασικές τεχνικές animation Με τον όρο τεχνικές animation αναφερόµαστε στις µεθοδολογίες οι οποίες χρησιµοποιούνται ώστε να δηµιουργηθούν τα (πολλά στον αριθµό) frame (καρέ) που απαρτίζουν το animation ώστε να προσδοθεί κίνηση στα αντικείµενα χαρακτήρες από τα οποία απαρτίζεται µια σκηνή. Οι τεχνικές µπορούν να διακριθούν σε Κλασσικές: προέρχονται από τη σκηνοθεσία ταινιών κινουµένων σχεδίων και µικρό µόνο (έως και µηδενικό) µέρος του animation δηµιουργείται αυτόµατα Μοντέρνες: γίνεται εκτεταµένη χρήση των δυνατοτήτων των υπολογιστών για την αυτόµατη δηµιουργία µεγάλου αριθµού από frames Cel animation (Ι) Ο όρος Cel προέρχεται από τις λέξεις clear celluloid sheet και αναφέρεται στο υλικό στο οποίο σχεδιάζονταν τα αντικείµενα µιας ταινίας (σχέδια) Αποτελεί την παλαιότερη τεχνική animation η οποία ξεκίνησε από τις ταινίες κινουµένων σχεδίων του Walt Disney. H δηµιουργία κινουµένων σχεδίων γινόταν µέσω της απεικόνισης των αντικείµένων (κυρίως των χαρακτήρων π.χ. Donald) σε πολλά ξεχωριστά κοµµάτια ειδικής ζελατίνας celluloid sheets τα οποία αναπαριστούσαν διάφορες στάσεις του αντικειµένου. Επιπλέον σε ξεχωριστή ζελατίνα σχεδιαζόταν το φόντο της σκηνής. Η µορφή του αντικειµένου διαφέρει λίγο από ζελατίνα σε ζελατίνα, και το γρήγορο «ξεφύλλισµά» τους δίνει την αίσθηση της κίνησης Cel animation (ΙΙ) Για την δηµιουργία των καρέ χρησιµοποιούνταν δύο τεχνικές: Stop frame animation Η ζελατίνα του φόντου τοποθετούταν σε ειδικό µηχάνηµα καταγραφής εικόνων και επάνω σε αυτήν έπρεπε να τοποθετηθούν οι προσχεδιασµένοι χαρακτήρες στις σωστές τους θέσεις, να κεντραριστούν και να παρθεί φωτογραφία της συνολικής σχεδιασµένης εικόνας. Αυτό αποτελούσε ένα καρέ της ταινίας, η οποία αποτελούνταν από χιλιάδες καρέ, το καθένα από τα οποία σχεδιάζονταν µε τον τρόπο που περιγράφτηκε παραπάνω. 2 ½ Dimensional animation Χρησιµοποιείται µία ζελατίνα για κάθε κινούµενο χαρακτήρα και µία ζελατίνα για το φόντο. Η κίνηση του χαρακτήρα δηµιουργείται αλλάζοντας τις σχετικές θέσεις µεταξύ των ζελατίνων. Για παράδειγµα µετακινώντας την ζελατίνα του φόντου ο σχεδιαστής έδινε την εντύπωση στην ταινία ότι οι υπόλοιπες εικόνες µετακινούνταν χωρίς κάτι τέτοιο να είναι αλήθεια. Με αυτή τη µέθοδο κερδίζουµε χρόνο καθώς δεν χρειάζεται η επανασχεδίαση των εικόνων για κάθε ξεχωριστό καρέ (αποτελεσµατικότερη σχέση µε το Stop Frame Animation. Το cel animation χρησιµοποιείται και για κινούµενα γραφικά σχεδιασµένα µε χρήση υπολογιστή: Για παράδειγµα οι ζελατίνες µπορεί απλά να είναι τα διάφορα layers στο Photoshop τα οποία συνδυάζονται για την παραγωγή ενός frame Key frame animation Ορίζονται δύο ή περισσότερα πλαίσια-κλειδιά (key frames) τα οποία ορίζουν για παράδειγµα την αρχική και τελική θέση µιας δράσης, µιας κίνησης ενός αντικειµένου ή του frame συνολικά. Τα ενδιάµεσα frame είτε: Σχεδιάζονται από λιγότερο ικανούς σχεδιαστές (τα key frames σχεδιάζονται από τον βασικό σχεδιαστή -animator)στην περίπτωση των κλασσικών τεχνικών (κινούµενα σχέδια) ηµιουργούνται από το λογισµικό (τα key frames σχεδιάζονται από τον βασικό σχεδιαστή animatorµε τη χρήση λογισµικού σχεδίασης ακίνητων γραφικών) µε τεχνικές παρεµβολής
Key frame animation => Είδη παρεµβολής Γραµµική (linear) Object based animation Easing in Easing out Είναι γνωστό και ως animation διαδροµής (path animation) Στην τεχνική αυτή δηµιουργείται ή ορίζεται ένα αντικείµενο και για το αντικείµενο αυτό καθορίζεται µια διαδροµή: Ορίζοντας το µονοπάτι ενός αντικειµένου, έχουµε τη δυνατότητα να µετακινούµε αντικείµενα ως στατικές εικόνες, κάτι που δεν είναι ρεαλιστικό: ιαδροµή ονοµάζεται µία αλληλουχία θέσεων που αποκτά ένα αντικείµενο στο πέρασµα του χρόνου. Τα διαφορετικά κοµµάτια που απαρτίζουν το αντικείµενο µπορούν να έχουν το δικό τους ξεχωριστό µονοπάτι το καθένα. Αυτό δείχνει πόσο σηµαντική είναι η ιεραρχία που συνδέει τα διαφορετικά τµήµατα µεταξύ τους για να βγει µία ρεαλιστική φυσικότατη κίνηση. Ένα καλό παράδειγµα αποτελεί το ανθρώπινο σώµα το οποίο κατά το περπάτηµα του παρατηρούνται διαφορετικά µονοπάτια κίνησης για το κάθε κοµµάτι του ξεχωριστά, όπως τα πόδια, τα χέρια, το κεφάλι κ.α. Object based animation (ΙΙ) Motion and Shape tweening Οι τεχνικές motion και shape tweening αποτελούν συνδυασµό των τεχνικών object based και key frame animation Motion tweening: Το αντικείµενο τοποθετείται σε ένα key frame ηµιουργείται ένα key frame µε την τελική θέση του αντικειµένου Η κίνηση του αντικειµένου στα ενδιάµεσα στάδια υπολογίζεται µε παρεµβολή Shape tweening (συχνά αποκαλείται και morphing) Τα διάφορα αντικείµενα αλλάζουν µορφή σταδιακά από ένα key frame σε άλλο Επειδή χρειάζεται παρεµβολή σε διάφορα σηµεία του αντικειµένου είναι υπολογιστικά περισσότερο πολύπλοκη από motion tweening
Κινηµατική (Kinematics) Στο object based animation εκτός από τη διαδροµή που ακολουθεί ένα αντικείµενο, υπάρχουνε και άλλα εξίσου σηµαντικά χαρακτηριστικά που πρέπει να διευκρινιστούν: Θέση, ταχύτητα, επιτάχυνση και οι περιστροφικές τους αντιστοιχίες προσδιορίζουν την επιστήµη τις Κινηµατικής. Για παράδειγµα, όταν θέλουµε να προσδώσουµε αργή κίνηση τοποθετούµε τα καρέ σε κοντινή απόσταση µεταξύ τους, ενώ για ταχύτερες κινήσεις τα τοποθετούµε σε µεγαλύτερη απόσταση. Έτσι υπάρχει ένας εύκολος και µεθοδικός τρόπος να αποδώσει µε ακρίβεια τις λεπτοµέρειες τις κίνησης. Υπάρχουνε δύο τρόποι εφαρµογής της Κινηµατικής σε ένα αντικείµενο, ειδικότερα στις περιπτώσεις που αυτό αποτελείται από αρκετά τµήµατα: η κανονική (ευθεία) και η αντίστροφη. Κινηµατική (ΙΙ) Ηευθεία κινηµατική (ή απλά κινηµατική) έχει να κάνει µε την εφαρµογή ιεραρχίας ξεκινώντας από την κορυφή ως την βάση ακολουθώντας πάντα την κίνηση των υψηλότερων στην ιεραρχία κοµµατιών που απαρτίζουν το αντικείµενο. Αυτό που είναι απόλυτα σηµαντικό είναι η σωστή διευκρίνηση των σηµείων σύνδεσης των διαφόρων τµηµάτων του αντικειµένου. Συνήθως αυτή είναι η πιο λογική και απλή διαδικασία. Παρόλα αυτά, σε µερικές περιπτώσεις που θέλουµε ένα συγκεκριµένο κοµµάτι του αντικειµένου να τοποθετηθεί σε κάποιο συγκεκριµένο σηµείο, ακολουθούµε την λογική της αντίστροφης κινηµατικής. Η διαδικασία υπολογισµού της κίνησης του αντικειµένου σε αυτή την περίπτωση ακολουθεί την αντίστροφη διαδροµή στην αλυσίδα της ιεραρχίας διευκολύνοντας σε µεγάλο βαθµό το χρήστη. Αντίστροφη Κινηµατική (Inverse Kinematics) Στην αντίστροφη κινηµατική: Ο animator διαλέγει το σηµείο από όπου θέλει να ξεκινήσει η κίνηση. Το λογισµικό υπολογίζει όλες τις συντεταγµένες που πρέπει να ικανοποιούν τις υπάρχουσες συνθήκες στους συνδέσµους. εν υπάρχει µόνο µία µέθοδος λύσης στο πρόβληµα, και λύση δίνεται πάντα εφόσον υπολογιστούν σωστά οι κινήσεις των συνδέσµων των διαφόρων τµηµάτων σε σχέση µε τα σηµείο που έχουµε πάρει ως σηµείο αναφοράς. Είναι σαφές ότι για αληθοφανές animation το µοντέλο του αντικειµένου µας πρέπει να ακολουθεί τους νόµους της κινηµατικής επιβάλλοντας τους αντίστοιχους περιορισµούς στους συνδέσµους: Για παράδειγµα η κίνηση του άνω µέρους του µπράτσου συνεπάγεται και αντίστοιχη κίνηση του βραχίονα και του χεριού Μπορούµε να πραγµατοποιήσουµε πιο φυσικές και ρεαλιστικές κινήσεις στο animation ενός χαρακτήρα µε συνδυασµό µοντέλων κινηµατικής και motion capture. Στην τεχνική motion capture καταγράφονται ψηφιακά οι κινήσεις ενός ηθοποιού, και καταχωρούνται στον Η/Υ. Αυτά τα δεδοµένα µετά συνδυάζονται µε το µοντέλο κινηµατικής του χαρακτήρα του animation µε αποτέλεσµα να βγει µία πολύ πιο φυσική κίνηση, ταυτόσηµη µε αυτήν ενός πραγµατικού ανθρώπου. Επεξεργασία Κινουµένων Γραφικών Έλεγχος κίνησης και παραµέτρων Αντίθετα µε τις εικόνες και τα (ακίνητα) γραφικά, εδώ έχουµε µεταβολή πλαισίων µε την πάροδο του χρόνου Καθορισµός της διαφοροποίησης της κίνησης ενός αντικειµένου ή κάποιας άλλης ιδιότητάς του (π.χ., η σκιά ενός αντικειµένου καθώς αυτό κινείται σε σχέση µε µια πηγή φωτός) Μετατροπή σε βίντεο Με τη γνωστή µέθοδο της δειγµατοληψίας, επιτυγχάνεται µετατροπή των κινούµενων γραφικών σε βίντεο Για ικανοποιητική ποιότητα, χρειάζονται τουλάχιστον 10-15 πλαίσια/sec Παραγωγή βίντεο σε πραγµατικό (καθώς προβάλλονται τα πλαίσια) ή µη πραγµατικό χρόνο (όπου δίνεται παραπάνω χρόνος σε µεµονωµένα πλαίσια) Αναπαραγωγή Κατά την αναπαραγωγή («παίξιµο») των κινουµένων γραφικών, είναι δυνατόν να υποβληθούν τα πλαίσια σε περαιτέρω επεξεργασία Περισσότερος ή λιγότερος φωτισµός, εξαφάνιση ή εµφάνιση κάποιων αντικειµένων, κλπ.
Τύποι (format) κινουµένων γραφικών Οι πλέον διαδεδοµένοι τύποι κινουµένων γραφικών σε ιστοσελίδες και πολυµεσικές εφαρµογές είναι τα: Animated gif: Είναι ακολουθίες από εικόνες οι οποίες είναι αποθηκευµένες σε ένα αρχείο GIF (GIF89a), και οι οποίες προβάλλονται η µια µετά την άλλη από το λογισµικό προβολής / απεικόνισης εν χρειάζονται ειδικό plug-in για να αποδοθούν από ένα Web browser Μπορεί να καθοριστεί ο χρόνος καθυστέρησης ανάµεσα στα frames και επίσης να οριστεί επαναληπτική εκτέλεση (loop) Υποστηρίζονται µόνο 256 χρώµατα και δεν υποστηρίζεται ήχος SWF (Flash format) Έχει δηµιουργηθεί από την Macromedia και αποτελεί το δηµοφιλέστερο format για animation σε πολυµεσικές εφαρµογές Τα γραφικά που απαρτίζουν τα διάφορα frames είναι διανυσµατικά µε αποτέλεσµα να µπορούν χρησιµοποιηθούν πολλές τεχνικές animation Μπορούν να χρησιµοποιηθούν και χαρτογραφικές εικόνες (π.χ. για φόντο)