Computer animation

Компютърна анимация и мултимедия в

CAD/CAM системи

Малинка Иванова

АНИМАЦИЯ И МУЛТИМЕДИЯ В CAD/CAM Съвременният софтуер за

компютърно подпомогнато проектиране и производство (CAD/CAM) разполага с мощни инструменти за моделиране на 3D обекти в силно интерактивна среда

Три основни функции на CAD/CAM системите революционно променят проектантската индустрия: тримерни изображения, компютърна анимация и мултимедия

КОМПЮТЪРНА АНИМАЦИЯ Основна цел - да се синтезира ефект

на движение чрез компютър Системата за анимиране трябва да

осигурява инструменти за контрол на движението, които да могат да транслират желанията на аниматора в компютърни команди, разбираеми от нея

ТЕХНИКИ ЗА СЪЗДАВАНЕ НА КОМПЮТЪРНА АНИМАЦИЯ

2D техники - фокусирани върху манипулирането на изображения

3D техники - използват се за изграждане на виртуални светове, в които актьорите и обектите се движат и взаимодействат помежду си

ИСТОРИЧЕСКО РАЗВИТИЕ НА КОМПЮТЪРНАТА АНИМАЦИЯ ключови фреймове (keyframes) обратна кинематика (inverse kinematics) и

динамика създават се методи за рендване симулационни методи, използващи закони на

физиката и динамиката, с по-специално приложение в области, третиращи деформациите, определяне на противоречията и отговора

устройствата за пресъздаване на виртуална реалност (Virtual Reality – VR)

движение на актьор, засичащо се от сензори и участие на други актьори, направлявани от компютър чрез симулация, провеждаща се в реално време

ТЕХНИКИ ЗА СЪЗДАВАНЕ НА КОМПЮТЪРНА АНИМАЦИЯ 2D техники - допринасят за

извършване на:морфингза вграждане/премахване на графични

обекти във видео създаване на абстрактни шаблони,

описващи се чрез математически формули

ТЕХНИКИ ЗА СЪЗДАВАНЕ НА КОМПЮТЪРНА АНИМАЦИЯ Морфинг - техника, характеризираща

се с метаморфоза на един обект в друг с течение на времето

Основен проблем - как ефективно да бъдат генерирани междинните изображения от две първоначални чрез интерполиране на цветовете във

всеки пиксел на двете първоначални изображения

чрез 2D геометрична трансформация (warps)

ТЕХНИКИ ЗА СЪЗДАВАНЕ НА КОМПЮТЪРНА АНИМАЦИЯ Морфинг - При дадени две

първоначални изображения, за да се изпълни морфинг, те трябва да имат еднакъв набор от точки и линейни сегменти

След това се изчислява 2D геометрична трансформация, като се намират междинните позиции и форми

МОРФИНГ - ПРИМЕР

ТЕХНИКИ ЗА СЪЗДАВАНЕ НА КОМПЮТЪРНА АНИМАЦИЯ Вграждане на графични

обекти в съществуващо изображение - позволява да бъдат добавени или премахнати нови елементи

Двата процеса на вграждане и на премахване на обекти се извършват по-трудно, когато се придвижва камера - промяната трябва да бъде последователна и логична с промяна на гледната точка

ТЕХНИКИ ЗА СЪЗДАВАНЕ НА КОМПЮТЪРНА АНИМАЦИЯ

Математически формули - използват се, за да се създадат последователности на абстрактни движения

Всички тези 2D техники могат да се използват самостоятелно, за да се създаде анимация, както и в комбинация в пост-изчислителни операции, с цел подобряване на изображението

ИЗПОЛЗВАНЕ НА МАТЕМАТИЧЕСКИ ФОРМУЛИ - ПРИМЕР

ТЕХНИКИ ЗА СЪЗДАВАНЕ НА КОМПЮТЪРНА АНИМАЦИЯ 3D анимацияИзграждането на 3D свят с анимирани

последователности включва три стъпки:1. Моделиране - свързано с оформяне

елементите на сцената и описание на всеки един елемент

2. Анимиране 3. Рендване - конвертира описанието на

обектите и тяхното движение в изображения Техниките за моделиране и рендване в

повечето случаи не зависят от техниките за анимиране, макар, че за да се получи реалистична анимация, моделът на обекта и условията на рендване силно оказват влияние

ИЗИСКВАНИЯ ПРИ МОДЕЛИРАНЕ

Моделиране – статично описание на обекта + описание на движениятайерархичен модел

(articulated model) - колекция от обекти, свързани помежду си чрез общи точки в йерархична, дървовидно подобна структура

ЙЕРАРХИЧЕН МОДЕЛ – ПРИМЕР

ИЗИСКВАНИЯ ПРИ МОДЕЛИРАНЕ Вторият тип модел

се прилага при анимиране на системи от частици или колекция от точки

Движението на частиците в пространството се определя чрез набор от правила

Моделира се вода, дим, огън, ято птици

АНИМИРАНЕ НА СИСТЕМИ ОТ ЧАСТИЦИ - ПРИМЕР

АНИМИРАНЕ НА СИСТЕМИ ОТ ЧАСТИЦИ - ПРИМЕР

ИЗИСКВАНИЯ ПРИ МОДЕЛИРАНЕ Трети тип модел -

деформируеми обекти, които не притежават добре дефинирана йерархична структура, нито пък могат да се представят чрез система частици

няколко фундаментално различини начина за представяне на деформируеми обекти, като: решетъчни модели, обемни модели и повърхности представяния

Примери - вода, коса, дрехи

ДЕФОРМИРУЕМИ ОБЕКТИ - ПРИМЕР

ИЗИСКВАНИЯ ПРИ РЕНДВАНЕ

Плавност на движението (Motion blur) - техника за рендване, необходима за създаване на реалистична анимация

без тази техника, бързото движение на обект през серия от фреймове ще създаде нежелани стробиращи ефекти

ИЗИСКВАНИЯ ПРИ РЕНДВАНЕ Генериране на движениеРедица техники за определяне на

движение са разработени - всички налични инструменти изискват компромис между автоматизация и контрол Използването на ключови фреймове

позволява добър контрол и по-малко автоматизация

Процедурните методи и улавянето на движения генерират движения автоматично, но позволяват малък контрол върфу детайлите

ТЕХНИКИ ЗА ГЕНЕРИРАНЕ НА ДВИЖЕНИЕ

Използване на ключови фреймове състояща се в автоматично генериране на фреймове,

наречени междинни (inbetweens) - междинните фреймове се получават чрез интерполиране на ключови фреймове

Линейната интерполация произвежда нежелани ефекти, като неплавно движение, неравномерна скорост на движение и изкривявания при ротация

използват се сплайнови интерполационни методи Сплайните могат да бъдат описани математически като

апроксимации на кубични полиноминални функции За анимацията, по-интересни интерполационни

сплайни са: сплайни тип cardinal, сплайни на Катмул-Ром (Catmull-Rom) и сплайни на Кочанек-Бартелс (Kochanek-Bartels)

ИНТЕРПОЛАЦИЯ - ПРИМЕР

ТЕХНИКИ ЗА ГЕНЕРИРАНЕ НА ДВИЖЕНИЕ

Един начин за създаване на по-добри изображения - когато параметрите на модел на обект сами се интерполират

Техниката е наречена параметрична анимация, базирана на ключови фреймове

В параметричния модел, аниматорът създава ключови фреймове чрез задаване на подходящ набор от стойности на параметри, след това параметрите се интерполират и изображенията се конструират от интерполираните параметри

ПАРАМЕТРИЧНА АНИМАЦИЯ – ПРИМЕР

ТЕХНИКИ ЗА ГЕНЕРИРАНЕ НА ДВИЖЕНИЕ

Обратна кинематикаЦелта е аниматорът да определи

позицията на един обект чрез информация за позициите на обектите над него в йерархичния модел

ОБРАТНА КИНЕМАТИКА - ПРИМЕР

ТЕХНИКИ ЗА ГЕНЕРИРАНЕ НА ДВИЖЕНИЕ Права кинематика (direct kinematics) –

проблем – свързан с намиране позициите на крайните точки (например ръка, крак, като крайни елементи от тялото) с течение на времето от гледна точка на фиксирана координатна система без да се вземат под внимание силите или моментите, които предизвикват движението

Типичен пример за прилагане на права кинематика - създаване на параметрична анимация с ключови фреймове

ТЕХНИКИ ЗА ГЕНЕРИРАНЕ НА ДВИЖЕНИЕ

Обратна кинематика - позволява директно създаване на спецификация на позиците на крайните точки

Присъединените ъгли (Joint angles – например ъгълът при коляното) автоматично се определят

ПРОЦЕДУРНА АНИМАЦИЯ Създадени са алгоритми за специфични типове

движения Тези техники са наречени процедурни методи,

защото компютърът процедурно следва стъпка по стъпка алгоритъм, за да се генерира движение

Процедурните методи имат две основни предимства пред техниката с ключовите фреймове:

(1) лесно могат да се генерират семейства със сходни движения; (2) те могат да бъдат приложени за сложни системи, които ръчно е трудно да бъдат анимирани (например системи от частици)

Към процедурните методи спадат симулациите, базирани на физически закони, при които движението се генерира чрез използване на физически закони или тяхна апроксимация

ПРОЦЕДУРНА АНИМАЦИЯ симулираното движение е

реалистично изграждането на нова симулация

понякога е труден процес, изискващ пълно разбиране на подходящи физични закони

след като симулацията е проектирана, аниматорът може да я използва без да се интересува от вътрешно заложените функции

ПРОЦЕДУРНА АНИМАЦИЯ

Симулациите се разделят на две групи: Пасивни системи - не притежават вътрешен

източник на енергия и се преместват само когато външна сила е приложена към тях

Активни системи - имат вътрешен източник на енергия и могат да се преместват по своя воля

Хора, животни, роботи са примери на активни системи – те са трудни за моделиране, защото в допълнение към реализиране на физическите закони, трябва да се специфицира и поведението на симулираните сили или двигатели

Може да се генерира движение на групи от обекти, които се придвижват заедно - ято птици, стада от животни, тълпа от хора

ПРОЦЕДУРНА АНИМАЦИЯ - ПРИМЕР

УЛАВЯНЕ НА ДВИЖЕНИЕТО И ИЗПЪЛНЕНИЕ НА АНИМАЦИЯТА Изпълнение на анимацията или

улавяне на движението - характеризира се с определяне на пространствените измерения и записване на непосредствените действия на реален човек или животно с цел извършване на незабавен анализ или анализ на по-късен етап във времето

Използва се при създаване на виртуални среди с анимирани 3D актьори

Различават се три вида системи за улавяне на движението: механична, магнитна и оптична

УЛАВЯНЕ НА ДВИЖЕНИЕТО И ИЗПЪЛНЕНИЕ НА АНИМАЦИЯТА Механични системи или цифрово

кукловодство - позволяват анимиране на 3D актьори чрез използване на интерактивни входни устройства: мишка, джойстик, ръкавици, клавиатура и други

УЛАВЯНЕ НА ДВИЖЕНИЕТО И ИЗПЪЛНЕНИЕ НА АНИМАЦИЯТА Оптичните системи използват сензори

(наречени маркери), прикачени към тялото на човека и няколко камери, фокусирани върху работното пространство

Проблеми: липсват данни от скритите маркери,

например когато човекът е легнал по гръб липса на автоматизиран начин за

различаване на маркерите, когато са много близо един до друг по време на движението

проблемите могат да се намалят чрез добавяне на повече камери, но се увеличава цената

УЛАВЯНЕ НА ДВИЖЕНИЕТО - ПРИМЕР

УЛАВЯНЕ НА ДВИЖЕНИЕТО И ИЗПЪЛНЕНИЕ НА АНИМАЦИЯТА Магнитните системи изискват реален

човек да бъде снабден с набор от сензори, които да могат да измерват тяхната пространствена връзка и да насочват информацията към локален магнитен предавател

Потокът данни от приемниците към главния компютър включва 3D позиции и ориентации на всеки един приемник

Популярни са магнитните системи: Gypsy, Polhemus Fastrack и Ascension Flock of Birds

VR-БАЗИРАНА АНИМАЦИЯ При използване на система за улавяне на движението,

е възможно да се създадат приложения, базирани изцяло на 3D интеракции, при което спецификация на деформациите или движението се дава в реално време

Това са VR базирани анимационни техники – използва VR устройства, включвайки всички интерактивни устройства, позволяващи комуникация с виртуалните светове шлем за виртуална реалност (head-mounted display systems) ръкавици 3D мишка или пространствени топки (SpaceBalls) MIDI клавиатури, устройства за въвеждане на мултимедия:

входни устройства за въвеждане на видео в реално време и на аудио

По време на процеса на създаване на анимация, аниматорът трябва да въведе голям обем от информация в компютъра, което е недостатък

VR-БАЗИРАНА АНИМАЦИЯ – ПРИМЕР

ДЕФОРМАЦИИ НА АКТЬОРИ И ОБЕКТИ (CHARACTER DEFORMATIONS)

Моделирането и деформирането на 3D актьори, например човешко тяло по време на процеса на анимиране е труден за решаване проблем

Деформирането на човешко тяло използва моделите: модел, базиран на повърхнини (surface

model) модел, използващ множество слоеве

(multi-layered model)

ДЕФОРМАЦИИ НА АКТЬОРИ И ОБЕКТИ (CHARACTER DEFORMATIONS)

Модел, базиран на повърхнини – концептуално прост, съдържащ скелет и външен слой кожа

Обвивката се състой от части от равнини (изградени от прави или от криви)

Проблеми: моделът изисква дълго въвеждане на важни точки

или ъгли, които определят равнината трудно се контролира реалистичната еволюция на

повърхнината в пресечните точки Предимство - чудати повърхнини или такива с

аномалии лесно могат да бъдат произведени Прости наблюдения на движение на човешка

кожа разкриват, че деформациите на външна кожа зависи от много други фактори, касаещи конфигурацията на скелета

ДЕФОРМАЦИИ НА АКТЬОРИ И ОБЕКТИ Моделът, използващ множество слоеве -

съдържа скелетен слой, междинни слоеве, които симулират физическото поведение на мускули, кости, мазнини и слой кожа

Този модел се използва за реалистично анимиране на човешко тяло

Предимство – веднъж, след като слойният модел е конструиран, само основният скелет е необходимо да бъде описан чрез скрипт, за да се създаде анимация - деформациите на формата се генерира автоматично

ДЕФОРМАЦИИ НА АКТЬОРИ И ОБЕКТИ - ПРИМЕР

ПРИЛАГАНЕ НА МУЛТИМЕДИЙНИ ТЕХНОЛОГИИ В CAD/CAM Какво е мултимедия?

ПРИЛАГАНЕ НА МУЛТИМЕДИЙНИ ТЕХНОЛОГИИ В CAD/CAM Дефиниране на заданието за проектиране -

документ, съдържащ изискванията на пазара или задание, определящо обхвата на проблема

Могат физически да се изследват конкурентни продукти или предишни проекти, но без възможност да станат органична част от документа

Чрез мултимедията всички видове изисквания при проектирането на изделието могат да бъдат снети, каталогизирани и подредени в една хармонична, управляема среда

мултимедията предоставя ефективен метод за колективно проектиране, като осигурява комуникацията между проучването на пазара, самото проектиране и управлението на цялостния проектантски процес

ПРИЛАГАНЕ НА МУЛТИМЕДИЙНИ ТЕХНОЛОГИИ В CAD/CAM

Изработване на проекта Използване на минал опит Времето за повторно проектиране на дадено

изделие може значително да се намали, ако по електронен път се прехвърлят някои данни или се използва информация от предишен проект

Модели, които не са генерирани чрез CAD системи могат да се въведат чрез тримерно дигитализиране

Когато тази информация се комбинира с аудио бележки и видеоклипове, членовете на дизайнерския екип могат бързо да се запознаят с възможните модификации на дизайна, да обменят информация и направят оценка

ПРИЛАГАНЕ НА МУЛТИМЕДИЙНИ ТЕХНОЛОГИИ В CAD/CAM

Обосновка на проектното решение Чрез създаването на аудио бележки в

процеса на проектиране и прикрепянето им към модела с визуални изображения един проектант може да опише мисловния процес, стоящ зад определено решение

Тази информация често е в полза за другите членове на проектантския екип, когато променят модела или съобразяват отношението му към другите компоненти в конструкцията

Проектантът може да информира членовете на екипа за своето проектно решение и подхода си към моделирането

ПРИЛАГАНЕ НА МУЛТИМЕДИЙНИ ТЕХНОЛОГИИ В CAD/CAM

Обучение Адаптивни интелигентни системи за

обучение курсовете са разработени така, че сами

подсказват на потребителя следващите му действия

вградена е обратна връзка, която проверява верен ли е отговора и в зависимост от това определя следващия ход на обучението

могат да се съставят курсове с различна степен на сложност в зависимост от възможностите на потребителя

АДАПТИВНИ ИНТЕЛИГЕНТНИ СИСТЕМИ ЗА ОБУЧЕНИЕ - ПРИМЕРИ

ПРИЛАГАНЕ НА МУЛТИМЕДИЙНИ ТЕХНОЛОГИИ В CAD/CAM

Потребителски интерфейс предимствата на мултимедията се използват за

организиране на съвременен потребителски интерфейс: Използват се клавиши за управление на звуков

интерфейс - гласови команди вербално подсказване на потребителите за

следващото действие или се показва степента на завършеност на прекомерно дългите процедури

при решаването на сложни дизайнерски проблеми, които отнемат няколко минути, потребителят е оставен да се чуди дали машината наистина работи – използва се гласово/графично подсказване и обратната връзка - please wait (моля, чакайте), still solving (все още решава), итерация 200 (iteration 200), остават 20 итерации (20 iterations remaining)

ПРИЛАГАНЕ НА МУЛТИМЕДИЙНИ ТЕХНОЛОГИИ В CAD/CAM

Стандарти при проектиранетостандарти за организиране на бази

даннихиперсвързаност на информация

относно различни етапи от проектирането

аудио и видео клиповете могат да бъдат използвани, за да осигуряват детайлна, стандартизирана информация за монтиране, тестване и производствени процедури

ПРИЛАГАНЕ НА МУЛТИМЕДИЙНИ ТЕХНОЛОГИИ В CAD/CAM Обобщаване на проекта и промени Електронните системи позволяват

текстовите, аудио и видео бележки да бъдат обединени в процеса на прегледа в обща среда, без използване на хартия, но в същото време по-цялостно и добре документиране

Има вградена функция за колективно проектиране и базата данни на CAD системата е активна едновремено за всички работни станции, участващи в проекта

ПРИЛАГАНЕ НА МУЛТИМЕДИЙНИ ТЕХНОЛОГИИ В CAD/CAM Представяне на решението Анимации Видеопредставяне на изделието Аудио бележки Виртуален прототип

ПРИЛАГАНЕ НА МУЛТИМЕДИЙНИ ТЕХНОЛОГИИ В CAD/CAM