1

Dynamika sceny graficznej i animacja

1. Dynamika sceny graficznej
2. Symulacja zachowań elementów sceny graficznej — animacja
3. Podstawowe pojęcia animacji
4. Techniki animacji klasycznej i komputerowej
5. Techniki wizualizacji animacji na wyświetlaczach

2

1. Dynamika sceny graficznej

Obrazy statyczne (zdjęcia, rysunki, wykresy statyczne) nie zawsze oddają istotę zja-
wisk, których są ilustracją. Niekiedy, szczególnie w przypadku zjawisk, których ob-
raz zależy od momentu obserwacji, konieczne jest przedstawienie ciągłego i płynnie
zmieniającego się obrazu sceny. Scenę graficzną, na której zachodzą ciągłe zmiany,
nazywamy

sceną dynamiczną

.

Pod pojęciem

dynamiki sceny

rozumiemy zmiany, które występują w sekwencji obra-

zów sceny, włączając w to zmiany pozycji, wielkości, właściwości materiałów (tekstu-
ry), oświetlenia i parametrów obserwacji — w istocie zmiany dowolnych elementów
sceny lub wykorzystywanych metod przekształceń, cieniowania albo renderingu.

Ze względu na rodzaj zmienianych elementów sceny lub ich parametrów możemy
wyodrębnić następujące rodzaje dynamiki:

1. Dynamika ruchu

— najczęściej stosowany sposób dynamizowania elementów sceny.

Polega na zmianie położenia obiektów na scenie.

2. Dynamika odkształceń

— ten sposób dynamizowania sceny umożliwia realizację

różnych jakościowo efektów. Ze względu na rodzaj stosowanych przekształceń
możemy wyróżnić następujące grupy dynamiki odkształceń:

— deformacje kształtu obiektów

— najprostszym sposobem takiej deformacji jest

zastosowanie działania wybranych modyfikatorów — w przestrzeni dwuwy-
miarowej może to być zmiana właściwości połączenia segmentów; w przestrze-
ni trójwymiarowej działanie modyfikatorów zgniatania lub wyciągania (ang.
skretch) czy też skręcania (ang. twist). Spośród tej grupy deformacji wyróżniają
się dwie metody, które mają szczególne znaczenie i zastosowania:

• warping

(nazwa nie posiada polskiego odpowiednika) — polega na deformacji

kształtu przez zmianę położenia węzłów, bez zmiany ich liczby. W przypadku
obiektów dwuwymiarowych można tę deformację porównać do zniekształce-
nia rysunku wykonanego na gumowym pasku, powstającego pod wpływem
rozciągania tego paska. W przypadku obiektów trójwymiarowych może być
efektem różnorodnych działań na siatce węzłów (np. wyciągania lub wtłacza-
nia wybranych węzłów lub płatów);

• morfing

(ang. morphing) — polega na „przełożeniu” tekstury z jednego obiek-

tu na drugi. Warunkiem powodzenia takiej operacji jest jednakowa liczba
węzłów w siatkach przybliżających tych obiektów i taki sam rodzaj płatów
przybliżających. Po raz pierwszy morfing zastosowano w latach 60. XX w.
w filmie, dokonując płynnej zmiany głowy kobiecej w głowę kota;

− skalowanie obiektów

— jest to jeden z najprostszych sposobów deformacji. Po-

lega na zmianie wielkości obiektów. Większość programów umożliwia zmianę
rozmiaru obiektów w wybranym kierunku. Przykładem zastosowania tego spo-
sobu deformacji jest wizualizacja wzrostu roślin;

− odkształcenia tekstury obiektów

— polegają na zmianie tekstury (w tym także

barwy i sposobu wypełnienia) pojedynczych płatów siatki przybliżającej lub
ich wybranej grupy. Stosowane są w przypadkach konieczności ukazania np.
procesu starzenia się obiektów (przebarwienia liści) lub zmiany ich barwy (po-
jawiające się rumieńce na twarzach).

3. Dynamika oświetlenia

— polega na zmianie położenia źródeł światła lub parame-

trów stosowanego oświetlenia. W tym przypadku nie możemy zmieniać rodzaju
oświetlenia. Stosowane jest np. do symulacji zmian pory dnia.

3

4. Dynamika parametrów obserwacji

— polega na zmianie położenia kamery lub war-

tości jej parametrów. W wielu przypadkach, zmieniając wartości parametrów ka-
mery, można osiągnąć takie same rezultaty, jak przy wprawieniu jej w ruch (zmia-
na ogniskowej kamery daje takie same efekty, jak jej zbliżanie lub oddalanie).

Oprócz wyżej wymienionych sposobów dynamizowania sceny stosuje się także inne
metody opierające się na

zmianie metod obliczania efektów renderingu

(np. zmianie

sposobu obliczania efektów oświetlenia z metody śledzenia promieni na metodę
energetyczną).

Najczęściej wprowadzenie dynamiki sceny ma służyć:
1. Ukazaniu większej liczby szczegółów obiektów (jest to ważne zwłaszcza przy

strukturalnych modelach naukowych).

2. Ukazaniu zależności między elementami składowymi obiektów złożonych.
3. Uwypukleniu upływu czasu.
4. Wizualizacji dynamiki modelowanych procesów.

W procesie dynamizowania sceny konieczne jest zastosowanie się do wszystkich
praw fizyki w przypadku każdego elementu dynamizowanego obiektu. Do najczę-
ściej wykorzystywanych praw fizyki należą:
— równania ruchu,
— prawa dynamiki,
— zasady zachowania: pędu, momentu pędu i energii,
— prawa dynamiki bryły sztywnej (szczególnie przy ruchu obrotowym obiektów),
— prawo powszechnego ciążenia.

Dla podkreślenia niektórych paradoksalnych właściwości lub cech wybranych obiek-
tów stosuje się

dynamikę odwrotną

, tzn. sekwencje niepodlegające prawom fizyki.

Przykładem zastosowania dynamiki odwrotnej są niektóre zachowania bohaterów
popularnych filmów rysunkowych.

Bardzo ważną cechą sceny dynamicznej jest możliwość zastosowania

interakcyjnej

kontroli obserwatora

, która polega na wprowadzaniu — podczas wizualizacji obrazu

sceny — przez obserwatora zmian w cyfrowo zapisanych danych w modelu zasto-
sowań. Oczywiście, nie wszystkie sceny dynamiczne stwarzają takie możliwości, ale
wszyscy twórcy programów użytkowych (nie tylko graficznych) korzystają z możli-
wości wprowadzenia interakcji w interfejsach graficznych.

4

2. Symulacja zachowań elementów

sceny graficznej — animacja

W grafice komputerowej pod pojęciem

animacji

rozumiemy symulację dynamiki sce-

ny przez wyświetlanie sekwencji mało różniących się obrazów sceny w odpowied-
niej kolejności i z odpowiednią częstotliwością. Animacja jest sposobem wizualizacji
sceny dynamicznej.

Choć często myślimy o animacji jako o synonimie ruchu, pojęcie to obejmuje wszyst-
kie zmiany, które dają efekt wizualny.

Do zakresu pojęciowego animacji należą:
1. Wizualizacja zmian pozycji obiektów w czasie (animacja ruchu — ang. motion

animation).

2. Wizualizacja zmian kształtu i wielkości obiektów (ang. shape animation).
3. Wizualizacja zmian barwy obiektów.
4. Wizualizacja zmian struktury obiektów.
5. Wizualizacja zmian tekstury obiektów.
6. Wizualizacja zmian oświetlenia sceny.
7. Wizualizacja zmian położenia i właściwości kamery.
8. Wizualizacja zmian metod renderingu.

Istota animacji polega na wykorzystaniu właściwości oka, zwanej

bezwładnością

, po-

legającej na blokowaniu tego receptora przez pewien czas po zadziałaniu na niego
impulsu świetlnego. Czas tej blokady wynosi około 8–10 milisekund (jest to czas
potrzebny na przetworzenie impulsu świetlnego na impulsy elektryczne w synapsach
siatkówki), a obraz impulsu jest wygaszany po około 40 milisekundach (jest to czas
przesyłania informacji zakodowanej w postaci impulsów elektrycznych przez neuro-
ny i przetworzenia ich przez komórki mózgu).

Jeśli będziemy przesyłać ciąg statycznych obrazów, w którym każdy następny różni
się nieznacznie od poprzedniego, z odpowiednią częstotliwością (10 do 30 obrazów
na sekundę), to będziemy widzieć go jako film, w którym zmiany są płynne. Każdy
ze statycznych obrazów w ciągu nazywamy

klatką

.

Zostały przyjęte pewne standardy dotyczące częstotliwości wyświetlania klatek. Jed-
nostką tej częstotliwości jest liczba klatek wyświetlanych w ciągu jednej sekundy,
oznaczana w skrócie

fps

(ang. frame per second). Przyjmuje się, że już przy często-

tliwości 12 fps projekcja animacji będzie postrzegana jako płynna. Dla filmu kla-
sycznego częstotliwość wyświetlania klatek (filmowych) wynosi 24 fps. W standar-
dzie europejskim przesyłania obrazów telewizyjnych prędkość odtwarzania klatek
telewizyjnych wynosi 25 fps. W standardzie SECAM, zapożyczonym z kontynentu
amerykańskiego, prędkość odtwarzania wynosi 30 fps.

Każda z klatek (jak również każdy inny obraz rastrowy) może być przesyłana do
systemu graficznego i następnie do wyświetlacza rastrowego, raster po rastrze, po-
cząwszy od najwyższego. Taki sposób przesyłania obrazów jest związany z długim
okresem pojawiania się go na wyświetlaczu. Lepszym sposobem jest przesyłanie ob-
razu z przeplotem, czyli rozpoczynając od najwyższej linii pikseli, następnie linie

5

o numerach będących kolejnymi wielokrotnościami wybranej liczby parzystej (np.
dla 8 będą to linie: 8, 16, 24 itd.), a później odpowiednie uzupełnianie wyświe-
tlania o linie pośrednie (np. seria linii: 3, 6, 9, 12, 15, 18 itd., a później: 2, 4, 5, 7
itd.). Przesyłanie i wyświetlanie obrazów (klatek) z przeplotem w znaczący sposób
zmniejsza czas oczekiwania na pojawienie się całego obrazu, choć nie zmienia rze-
czywistego czasu jego projekcji — postrzegamy cały obraz, nie dostrzegając braku
niektórych rastrów.

Animację stosuje się obecnie prawie wszędzie. Do najważniejszych obszarów jej za-
stosowania należą:

1. Przemysł rozrywkowy

W przemyśle rozrywkowym najczęściej wykorzystuje się:
— efekty specjalne w filmach,
— spoty telewizyjne,
— samodzielne aplikacje.

2. Reklama

Trudno nawet wymienić wszystkie zastosowania animacji w tej dziedzinie. Najważ-
niejsze z nich to zastosowania w reklamie internetowej (np. banery, reklamówki
itp.).

3. Edukacja

Największy obszar zastosowań animacji w tej dziedzinie działalności człowieka to:
— transformacja klasycznych pomocy dydaktycznych na nowoczesne (np. zmiana

dawnych filmów animowanych na współczesne animacje),

— produkcja nowoczesnych pomocy (np. dodatki multimedialne do podręczników

szkolnych),

— budowa symulatorów i trenażerów (np. wirtualne laboratoria, multimedialne te-

sty itp.),

— przy projektowanie multimedialnych tutoriali.

4. Przemysł

W tej dziedzinie zastosowań animacja stosowana jest przede wszystkim do wizuali-
zacji przebiegu procesów produkcyjnych i technologicznych.

5. Badania naukowe

Animacje bardzo często wykorzystywane są do:
— wizualizacji wyników przetwarzania sygnałów,
— wizualizacji wyników otrzymywanych w geometrii obliczeniowej,
— wizualizacji zjawisk opartej na symulacji,
— wizualizacji zjawisk niemożliwych do obserwacji w naturze,
— wizualizacji struktur fizykochemicznych.

6

3. Podstawowe pojęcia animacji

Prawie wszystkie pojęcia animacji komputerowej zostały zapożyczone z filmu. Na-
turalnym „pośrednikiem” była przy tym technologia klasycznego filmu animowa-
nego.

W celu głębszego poznania zagadnień związanych z animacją musimy tutaj omó-
wić podstawowe pojęcia animacji komputerowej.

Wszystkie obiekty sceny graficznej nazywane są

aktorami

(ang. actors, players).

Sceną

(ang. scene) nazywamy fragment animacji powiązany jednością miejsca lub

czasu.

Ujęciem

(ang. shot) nazywamy wycinek animacji stanowiący ciągłą rejestrację akcji,

bez wyłączania kamery.

Sceny możemy grupować w ujęcia, z których można komponować filmy lub pre-
zentacje, ogólnie mówiąc —

projekcje

(ang. projection).

Scenariusz

(ang. screenplay) jest opisem przejść między poszczególnymi scenami,

zawierającym charakterystykę czasową tych przejść.

Recepta animacyjna

(ang. animation prescription) jest tabelą zawierającą informacje

o kolejności faz animacji, czasie ich trwania, dialogach, efektach dźwiękowych,
ruchach kamery itp. Recepta jest opisem kolejnych warstw projektu animacji.

Scenopis obrazkowy

(ang. storyboard) jest serią obrazów i szkiców będących wska-

zówkami przy filmowaniu dla reżyserów, scenografów, operatorów i montażystów.
Scenopis obrazkowy jest swoistym komiksem tworzącym scenopis.

Szablon animacji

(ang. layout), podobnie jak scenopis obrazkowy, jest ciągiem obrazków

i szkiców, na których rozrysowano dekoracje i pozycje postaci w ujęciach, a także
tego, co będzie się z nimi działo.

Na rysunku 1 przedstawiono schemat struktury projekcji oraz zaznaczono zasięg
najważniejszych pojęć związanych z animacją.

3. Podstawowe pojęcia animacji

7

Rysunek 1

Schemat struktury projekcji

8

4. Techniki animacji klasycznej

i komputerowej

Poprzednikiem animacji komputerowej był film animowany powstający w cyklu
produkcyjnym nazywanym

animacją klasyczną

, przy którym pracowały liczne zespo-

ły ludzi. Współczesne komputery pozwalają na osiągnięcie podobnych efektów jak
animacja klasyczna przy dużo mniejszych kosztach i zmniejszonych nakładach pracy.
Dlatego też, przez analogię, proces produkcyjny prowadzący do projekcji, nazywany
jest

animacją komputerową

, choć jest to nieprawidłowe użycie nazwy. Dzięki współ-

czesnemu oprogramowaniu wykonanie animacji staje się dużo prostsze. Mimo to,
większość animacji nadal powstaje przy użyciu technik klasycznych, komputer zaś
jest wykorzystywany jedynie jako narzędzie montażowe. Animacje wykonane tech-
niką komputerową rzadko są spotykane przy dużych produkcjach, choć ostatnio
możemy zaobserwować tendencję odwrotną.

W animacji klasycznej możemy wyróżnić następujące techniki projektowania i reali-
zacji filmu:

1. Rysunkowa

— technika rysunkowa animacji klasycznej może być realizowana na

kilka różnych sposobów:

— technika rysunkowa klasyczna wykonana na celuloidach,
— technika malarska na celuloidach,
— technika malarska na białym podkładzie,
— technika kombinowana.

Przykładami realizacji mogą być popularne kreskówki (np. Struś Pędziwiatr, Bolek
i Lolek).

2. Wycinankowa

— technika wycinankowa animacji klasycznej może być realizowana

na kilka różnych sposobów:

— technika rysunkowa,
— technika fotograficzna,
— technika kombinowana.

Przykładem realizacji może być polski serial animowany Pyza na polskich dróżkach.

3. Lalkowa

— technika lalkowa animacji klasycznej może być realizowana na dwa

sposoby:

— technika kukiełkowa,
— technika budowania postaci z materiałów o zmiennej strukturze.

Przykładami takiej realizacji może być przykład polsko-francuskiego serialu animo-
wanego Przygody misia Colargola lub czeski serial animowany Sąsiedzi.

4. Sypka

— w tej technice wykonywane są głównie filmy artystyczne.

5. Kombinowana

— technika polegająca na połączeniu dwóch lub większej liczby

technik omawianych poprzednio.

9

Animacja komputerowa może być realizowana tylko na trzy sposoby (choć można
w niej naśladować wszystkie techniki animacji klasycznej):

1. Animacja poklatkowa

— w technice poklatkowej każdą klatkę animacji musimy na-

rysować sami. Technika ta jest bardzo pracochłonna i rzadko stosowana (w ani-
macjach artystycznych). Do wykonania klatek wykorzystywane są graficzne pro-
gramy użytkowe, natomiast do złożenia wszystkich klatek w sceny, ujęcia i cał-
kowitą projekcję wykorzystuje się specjalizowane programy. Przykładem takiego
programu do składu projekcji (a także jej przekształcania) jest program Premiere
firmy Adobe.

Obecnie większość graficznych programów użytkowych (zarówno pracujących
w trybie wektorowym, jak i rastrowym) posiada wyspecjalizowane moduły realizu-
jące skład projekcji.

2. Animacja automatyczna

— posługując się techniką animacji automatycznej rysujemy

tylko

klatki kluczowe

(klatka kluczowa zawiera obraz sceny, w której następuje wy-

raźna zmiana w stosunku do poprzednich klatek), a pozostałe klatki dorysowuje
komputer przez interpolację parametrów wszystkich obiektów na scenie. Podsta-
wą interpolacji jest uzmiennienie wartości atrybutów obiektów sceny oraz kamer
i oświetlenia.

Do tego typu animacji wykorzystywane są specjalizowane programy pozwalające
modelować klatki kluczowe, budować klatki pośrednie w procesie interpolacji oraz
składać całość projekcji. Do takich programów można zaliczyć: Flash, After Effects
(stosowane do animacji 2D) oraz prawie wszystkie modelery (do animacji 3D).

Wszystkie takie programy posiadają moduły pozwalające modelować klatki kluczo-
we oraz moduły animacyjne pozwalające zaprogramować scenariusz.

3. Animacja programowana

— technika programowania animacji polega na wyko-

rzystaniu znanych języków programowania (w szczególności ich modułów gra-
ficznych) do zaprogramowania obiektów, świateł i kamer każdej graficznej sceny
statycznej (klatki) oraz dynamiki ujęć, a następnie zaprogramowaniu połączenia
ujęć w projekcję, zgodnie z założeniami scenariusza. Nie wymaga posługiwania się
programami użytkowymi grafiki komputerowej.

W tym miejscu warto jeszcze wspomnieć o pewnych analogiach między animacją
klasyczną i komputerową. Obie pozwalają realizować animację 2D i 3D. Odpowied-
nikiem techniki lalkowej animacji klasycznej jest jedynie animacja realizowana przez
programy modelerskie. W przypadku animacji 2D w obu rodzajach animacji symu-
lacja trzeciego wymiaru jest realizowana przez wykorzystanie takich efektów, jak:
— symulacja cieni rzucanych przez obiekty (popularnie zwane

cieniowaniem

),

— manipulacja

głębią ostrości obrazu

(rozmywanie dalszego planu),

— wykorzystanie zjawiska

przesłaniania

obiektów bardziej oddalonych od kamery

przez obiekty jej bliższe.

10

5. Techniki wizualizacji animacji

na wyświetlaczach

Projekcję należy wyświetlić. To trywialne stwierdzenie nie jest wcale proste do reali-
zacji. Stosowane są podstawowe cztery techniki wizualizacji animacji:

1. Technika poklatkowa

— to technika najprostsza, polegająca na wyświetlaniu wszyst-

kich klatek projekcji z odpowiednią częstotliwością. Jest ona podobna do techniki
wyświetlania filmu przez klasyczny projektor. Jest to metoda wyświetlania anima-
cji przez przygotowanie każdej klatki osobno i jej wyświetlenie.

2. Technika duszków

— to metoda polegająca na określeniu wewnątrz każdej klatki

małych obiektów graficznych o nieregularnych kształtach przesuwanych po obra-
zie. Najczęściej określa się tło duszka (teksturę prostokąta, w którym zawarta jest
cała postać duszka) jako czarne (wartość bitowa 000 000 000) i — wykorzystując
funkcje logiczne OR i AND — łączy się je z tłem obrazu, po którym porusza się
duszek.

3. Technika ścierania i odrysowywania

— polega na skasowaniu obiektu ze starej pozy-

cji na poprzedniej klatce i narysowanie go w nowym miejscu lub w starym miejscu
z nowymi właściwościami w następnej klatce.

Ciekawą odmianą tej techniki wyświetlania projekcji jest

metoda przemieszczania

bloków binarnych

(ang. bit blitting — binary block transfer), polegająca na szybkiej

zmianie bloków bitów (fragmentów obrazów). Kojarzona jest zazwyczaj ze zmianą
położenia obiektów, chociaż stosuje się ją także w innych przypadkach.

4. Technika ukrytych map bitowych

— to technika ukrytych map bitowych polegająca

na wykorzystaniu kilku stron pamięci ekranu. Różni się od techniki ścierania i od-
rysowywania tym, że nowy obraz zostaje narysowany na stronie ukrytej, która jest
zamieniana z aktualnie wyświetlaną stroną. Jeżeli prędkość wymiany stron jest
odpowiednio dobrana i różnice między klatkami są niezbyt wielkie, uzyskuje się
wrażenie płynności zmian (animacji).

W tym miejscu warto też wspomnieć, że projekcja jest jednym ze składników (naj-
częściej podstawowym) aplikacji

multimedialnych

(aplikacji, które przekazują infor-

mację wykorzystując kilka mediów, czyli oddziałują na więcej niż jeden receptor
człowieka). Obecnie potrafimy do grafiki (uaktywniającej zmysł wzroku) dodać je-
dynie dźwięk (uaktywniający zmysł słuchu).