Принципы создания анимации в 3D-редакторах
Анимация по ключевым кадрам
В основном, для создания анимации в 3D используется технология работы с так называемыми ключевыми кадрами. Суть состоит в том, что аниматор создает трехмерную модель, описывает её свойства, правила, по которым этот объект может двигаться или видоизменяться, после чего создает несколько ключевых кадров – например, на первом ключевом кадре модель человека неподвижно стоит, на втором ключевом кадре человек сидит. После этого аниматор запускает рендеринг, и компьютер рассчитывает все промежуточные кадры, при которых человек сгибает колени, опускается на стул и так далее – генерирует последовательность действий, при которых состояние объекта из первого ключевого кадра плавно меняется к состоянию объекта во втором ключевом кадре.
Такой метод впервые был использован основателем студии Дисней при работе над Микки Маусом – главный дизайнер рисовал основные кадры мультфильма, а промежуточные – как раз анимацию происходящего - рисовали его ассистенты. Сейчас ассистентов заменяют 3D-редакторы, созданием ключевых кадров занимаются художники-аниматоры, а общее руководство – композиция кадра, положение кадров, фокусировка на объектах и персонажах остается за режиссером.
Для установления правил, по которым объект может перемещаться в пространстве и видоизменяться, применяются несколько технологий:
Скелетная анимация
Скелетная – или каркасная – анимация применяется для объектов, конечности которых могут двигаться самостоятельно, как руки и ноги у человека, например. Аниматор задает «кости» объекта и правила, по которым они могут двигаться и в каких пределах. Например, для человека обозначается скелет, похожий на человеческий, и устанавливается набор правил: например, если человек поднимает плечо, то вместе с ним поднимается и предплечье, и запястье. При этом, если человек двигает запястьем, предплечье и плечо не двигаются. Колено можно перемещать вверх и вперед, но до определенного предела, и ногу нельзя сгибать назад и т.п.
Конечно, для других объектов, создаются другие скелеты с другими костями. Например, для осьминога будет создано по 20-30 костей на каждую ногу, и каждую кость можно двигать самостоятельно. Хотя у осьминога в реальной жизни и нет костей и он может, благодаря этому, совершать любые движения в любых направлениях своими конечностями, для анимации их придется добавить, и чем больше костей будет у анимированного осьминога, тем больше степеней свобод будет доступно для их движения.
После того, как все кости скелета (каркаса) указаны, указаны взаимодействия, правила и ограничения, и созданы ключевые кадры, редактор рассчитывает движение персонажа с учетом этих правил – если надо поднять руку, будет поднято плечо, предплечье и запястье. Если надо пожать кому-то руку, будет поднято предплечье и запястье, запястье будет развернуто в сторону собеседника.
Прямая кинематика
Процесс, при котором кости (сочленения, англ. (joints)) объединяются в пары, взаимодействуют друг с другом, после чего объединяются в более сложные структуры (цепи) и метод управления этими сочленениями называется «Прямая кинематика».
При расчете анимации для таких конструкций идет расчет «сверху вниз» - сначала двигается самая «старшая» кость – плечо например, после этого рассчитывается, не нужно ли после этого подвинуть предплечье, после этого считается, не нужно ли подвинуть запястье, после этого просчитывается движение каждого пальца на руке.
Инверсная кинематика
Инверсная кинематика использует те же модели, что и прямая, но анимация рассчитывается «снизу вверх» - сначала движение пальца, потом движение запястья и т.п.
Такой вид анимации довольно часто используется при анимации ходьбы – для неровной поверхности крайне сложно рассчитать движение ног, если считать сверху вниз. Но если использовать инверсную кинематику, то сначала рассчитывается соприкосновение ступни с поверхностью, после этого работа голеностопного сустава и так далее.
Так же инверсная кинематика используется при расчете столкновений между объектами – если столкновение произошло, то последствия такого столкновения должны вызвать реакцию в вышестоящих костях.
Прямая и обратная кинематика используются не только в анимации в трехмерном пространстве, но еще и в реальной жизни – например, при разработке роботов или манипуляторов.
Анимация по траектории
При анимации по траектории аниматор задает начальную и конечную точку объекта, и, по желанию, функцию для отрисовки этого движения. Например, аниматор может указать летящий камень – в первом ключевом кадре этот камень будет слева экрана, а во втором – справа и выше. Этот метод пришел из двумерной анимации, и больше подходит для статичных объектов, которым не требуется вращение в пространстве, нет нужды в создании скелета (каркаса), иначе говоря – для анимации второстепенных вещей, которые не требуют особого внимания.
Так же в графических редакторах есть возможность указать параметры перемещения – например, если аниматор планирует между ключевыми кадрами разместить 50 кадров, он может указать, что первые 15 кадров объект должен ускоряться, следующие 25 лететь с неизменной скоростью, а последние 10 кадров должны плавно снизить скорость объекта на 45%.
Запись движения
Запись движения – несколько иной способ создания трехмерной анимации, при котором используется игра актеров или внешних объектов. Принцип работы примерно такой:
На актера в студии одевают специальную одежду, обвешанную датчиками. Если используются дополнительные предметы – например, футбольный мяч – то на настоящий мяч так же вешают датчики. Актер в студии играет свою роль – передвигается, озвучивает реплики, пинает мяч – но информация с датчиков идет в компьютер, где заранее нарисованный персонаж повторяет все движения актера, а мяч повторяет все движения мяча. В зависимости от возможностей студии и программного обеспечения, персонаж может незамедлительно повторять движения актера, но при съемке сложного фильма, как правило, вся информация с датчиков записывается, и потом художники используют готовый материал для анимации – на абстрактные движения датчиков в пространстве накладывают тело медведя или дракона.
Эта технология позволяет переложить труд художников и компьютера на актеров – никто, кроме актера с режиссером, не решает, как должен двигаться персонаж и куда смотреть – это уже сыграно. Художники отображают то, как персонаж должен выглядеть на экране. Таким образом, технология записи движения позволяет сэкономить на вычислительных мощностях компьютеров, что может быть критично для небольшой студии.
