Materiały studenckie
Dodatek1. ANIMACJA KOMPUTEROWA
Animacja komputerowa jest sztuką tworzenia poruszających się obrazów z wykorzystaniem
komputerów. W coraz większym zakresie jest ona realizowana jako animacja 3D (trójwymiarowa),
choć w zastosowaniach dysponujących niską przepustowością sprzętową i wymagających
przetwarzania obrazów w czasie rzeczywistym cały czas ważną pozycję utrzymuje animacja 2D
(dwuwymiarowa, płaska). Czasami docelowym medium animacji jest sam system komputerowy, ale
zdarza się, ze animacja przeznaczona jest dla innych mediów, takich jak film. Animację komputerową
czasami określa się skrótem CGI ( ang. Computer Generated Imagery, lub Computer Generated
Imaging) - szczególnie w zastosowaniach kinematograficznych.
By stworzyć iluzję ruchu, na ekranie komputera wyświetlany jest określony obraz, po czym
szybko zamienia się go na następny - podobny do poprzedniego, lecz z nieznacznymi zmianami
wpozycji obiektów. Technika ta jest identyczna z zastosowaniami telewizyjnymi i kinowymi.
Animacja komputerowa jest ogólnie biorąc cyfrowym spadkobiercą sztuki animacji
nieruchomych obiektów trójwymiarowych (np. kukiełek) i animacji poklatkowej ilustracji płaskich.
W przypadku animacji 3D, obiekty (modele) budowane (modelowane) są na ekranie komputera, po
czym trójwymiarowe figury otrzymują wirtualny szkielet. W przypadku animacji płaskich, korzysta się z
oddzielnych obiektów (ilustracji) i oddzielnych przezroczystych warstw, nie zawsze zaś z wirtualnych
szkieletów. Kończyny, oczy, usta, czy ubrania modelu są następnie poruszane przez animatora w
kolejnych klatkach kluczowych. Różnice wyglądu między klatkami kluczowymi są następnie
przeliczane przez komputer, korzystając z procesów tweeningu1 i morphingu2. Ostatnim stadium prac
jest rendering3.
1
Tweening-automatyczne przejścia. Jeżeli umieściliśmy na tej samej warstwie dwa ujęcia kluczowe oddzielone ujęciami
zwykłymi, to możemy pomiędzy nimi wstawid przejście (Tween). Przejście może dotyczyd obiektów albo dowolnych
kształtów. Na rysunku P1 widzimy tweening obliczony dla dwóch położeo zielonego prostokąta. W pierwszym ujęciu
kluczowym umieszczono wąski, wysoki prostokąt, w drugim prostokąt ten obrócono i przesunięto w prawo. Piętnaście ujęd
zwykłych pomiędzy obu kluczami wypełnia stopniowe przejście pomiędzy tymi dwoma położeniami.
Rysunek P1. Zasada działania automatycznych przejśd pomiędzy obiektami lub kształtami.
Aby uniknąd problemów z obliczaniem pośrednich klatek, we Flashu wprowadzono pewne ograniczenia. Kiedy wstawiamy
do filmu tweening, musimy określid jego typ:
o Tweening typu Shape może byd stosowany tylko do animacji kształtów. Teoretycznie nie musi to byd pojedynczy
kształt, ale lepiej, by był. Inaczej animacja może mied niespodziewany przebieg.
o Tweening typu Motion służy do animacji pojedynczego obiektu. Mogą to byd grupy, symbole lub obiekty
rysunkowe.
Oczywiście, można animowad kilka obiektów jednocześnie, lecz trzeba do tego użyd kilku warstw z osobnymi
automatycznymi przejściami.
2 Morphing - technika przekształcania obrazu polegająca na płynnej zmianie jednego obrazu w inny, stosowana w filmie i
animacji komputerowej. Początkowo morphing wykonywany był w technice filmowej poprzez zastosowanie nakładania
dwóch klatek obrazu ze stopniowym przejściem z jednej klatki do drugiej. Płynnie zmieniając udział poszczególnych klatek w
składanym obrazie można było uzyskad prosty efekt morphingu. Takie rozwiązanie nie pozwalało jednak na bardziej złożone
przekształcenia i zawsze pozostawiało wrażenie sztuczności. Obecnie morphing przeprowadzany jest przy użyciu
komputerów. Odpowiednie algorytmy i oprogramowanie pozwalają na dowolne przekształcenia jednego obrazu w inny.
Jednym z pierwszych filmów w których wykorzystano tę technikę jest Willow z 1988 roku. Innym filmem, w którym szeroko
ją zastosowano jest Terminator II.
3
Rendering, renderowanie - to w grafice 3D przeliczenie danej sceny i utworzenie pliku wyjściowego w formie obrazu
statycznego lub animacji. Podczas renderingu wyliczane są m.in. odbicia, cienie, załamania światła, mgła, atmosfera, efekty
wolumetryczne. Jest to bardzo czasochłonna operacja nie wymagająca, poza przygotowaniem, żadnej ingerencji ze strony
1
Materiały studenckie
Czym jest klatka kluczowa?
W procesie animacji klatka kluczowa (key frame) stanowi element łączący klatki pośrednie.
Zawiera ona kluczową dla danej sekwencji ruchu informację na temat pozy (w przypadku animacji
człowieka) lub rozmieszczenia elementów danej sceny (w przypadku animacji obiektów). Klatka
kluczowa występuje co określoną, ale nie koniecznie stałą, liczbę zwykłych klatek pośrednich -
uwarunkowane jest to typem danej animacji. Oryginalnie klatki kluczowe rysowane były tylko przez
głównego animatora (reżysera filmu animowanego), a klatki pośrednie dorysowywali zwykli
animatorzy. Ten rozkład pracy pozwalał na wierne odwzorowanie wizji ruchu reżysera i jednocześnie
na rozłożenie pracy pomiędzy wielu animatorów. Obecnie operowanie klatkami kluczowymi to jedna z
metod animacji komputerowej. W programach do animacji pojęcie to oznacza praktycznie to samo, co
w animacji tradycyjnej, z tą jednak różnicą, że klatki pośrednie tworzone są (poprzez odpowiednie
algorytmy) automatycznie (tweening).
Klatki kluczowe na listwie czasowej i obszar roboczy popularnego programu Adobe Flash CS3
W przypadku animacji trójwymiarowych konieczny jest rendering wszystkich klatek po
zakończeniu modelowania. W pracach nad dwuwymiarowymi animacjami wektorowymi, proces
renderingu jest tożsamy ze stworzeniem każdej klatki kluczowej, zaś klatki pośrednie są renderowane
w razie potrzeb. W przypadku prezentacji, które są przeznaczone do póz
niejszego odtworzenia,
wyrenderowane klatki są przenoszone do postaci filmu cyfrowego, lub na zewnętrzne medium
(np. film). Poszczególne klatki mogą również być renderowane w czasie rzeczywistym, w trakcie
przeprowadzania prezentacji materiału wideo. Animacje przesyłane przez Internet i zadowalające się
niską przepustowością łącza (dwuwymiarowe animacje Flash, X3D) często korzystają
z oprogramowania zainstalowanego na komputerze klienta, które renderuje materiał w czasie
rzeczywistym, co stanowi przeciwwagę dla materiału przygotowanego wcześniej i przesyłanego
strumieniowo przez łącza o dużej szybkości.
człowieka. Rendering może przeprowadzid praktycznie każdy program do grafiki 3D. Najczęściej wykorzystywaną metodą
renderingu w programach do grafiki 3D typu 3D Studio Max jest ray tracing (śledzenie promieni).
2
Materiały studenckie
By oko i mózg dały się nabrać na iluzję gładko poruszającego się obiektu, kolejne klatki
animacji (kompletne obrazy) powinny się pojawiać z częstotliwością co najmniej 12 razy na sekundę.
Jeśli zmiany będą następować szybciej, niż 70 razy na sekundę, widz nie odczuje zwiększonego
realizmu, czy gładkości animacji, co jest związane ze specyfiką przetwarzania obrazu przez oczy
i mózg. Gdy częstotliwość pojawiania się nowych klatek spada poniżej 12 razy na sekundę, większość
obserwatorów odczuwa "rwanie" się animacji i zauważa proces pojawiania się kolejnych klatek, co
psuje iluzję realistycznie płynnego ruchu. Tradycyjnie animowane kreskówki podają widzowi w ciągu
sekundy 15 nowych klatek obrazu, by możliwa była oszczędność w ilości niezbędnych do wykonania
rysunków. Takie rozwiązanie jest jednak najczęściej do zaakceptowania, ze względu na samą naturę
filmów rysunkowych. Przez fakt, że animacja komputerowa przedstawia widzom o wiele bardziej
realistyczne efekty, w celu osiągnięcia zamierzonego efektu płynności wymagana jest większa ilość
klatek przedstawianych w ciągu sekundy.
Przyczyna tego, że oko ludzkie nie odczuwa  rwania się animacji przy wyższych
częstotliwościach odświeżania obrazu leży w efekcie powidoku 4. Od czasu do czasu oko pracujące
razem z mózgiem przechowuje obserwowane obrazy przez ułamek sekundy i wygładza
automatycznie pomniejsze przeskoki. Filmy wyświetlane w kinach najczęściej w ciągu sekundy
prezentują 24 klatki, co jest ilością absolutnie wystarczającą do stworzenia złudzenia ciągłego ruchu.
Wiele osób daje się "nabrać" na efekt poruszania się obrazów właśnie ze względu na dużą szybkość
ich prezentacji.
Tworzenie postaci i obiektów przy użyciu komputera
Animacja komputerowa stanowi połączenie grafiki wektorowej i zaprogramowanego ruchu.
Punktem wyjścia do stworzenia animacji jest najczęściej szkielet figurki, który w każdym ważniejszym
punkcie (kończyny, usta, itd.) definiowany jest przy użyciu tzw. Avars (ang. animation variables,
zmienne animacyjne).
Woody, jeden z bohaterów filmu Toy
Story opisany został na przykład za pomocą
700 zmiennych animacyjnych, z których 100
znajduje się na jego twarzy. Poszczególne
zestawy zmiennych kontrolują poruszanie się
postaci od jednej klatki filmu do drugiej. Gdy
szkielet postaci porusza się już
w zadowalający sposób, zmienne przenosi się
na model siatkowy postaci, złożony z
wielokątów. Na końcu do modelu dodawane
są powierzchnie, a po długim procesie
renderingu powstaje scena.
By otrzymać realistyczne wrażenie
ruchu istnieje kilka metod ustalania zmiennych
"Avar". Metoda śledzenia ruchu wykorzystuje
Popularny program 3D Studio MAX, w którym jest tworzona
umieszczone na żywym modelu światełka lub
duża ilość gier i filmów animowanych.
czujniki. Aktor odgrywa scenę, przy czym
obserwowany jest przez kamerę. "Avary"
można dodawać również za pomocą joysticka, lub innego urządzenia do wprowadzania danych.
W filmie "Toy Story" nie wykorzystywano metody śledzenia ruchu, najprawdopodobniej z tego
powodu, że tylko wprawny animator był w stanie oddać skomplikowane ruchy, niemożliwe do
odegrania przez żywych aktorów.
4
Powidok (obraz następczy)  zjawisko optyczne polegające na tym, że po wpatrywaniu się w jakiś kształt w jednym z
kolorów podstawowych, a następnie odwróceniu wzroku, w oczach pojawia się na chwilę ten sam, zamazany kształt w
barwie dopełniającej, np. czerwone zachodzące słooce pozostawi w oczach swój okrąg w barwie zielono-niebieskiej.
3
Materiały studenckie
Na czym tworzone są animacje komputerowe?
Animację komputerową stworzyć można za pomocą
komputera wyposażonego w odpowiednie oprogramowanie.
Niektóre tytuły to: Art of Illusion, Poser, Ray Dream Studio,
Bryce, Maya, Blender, TrueSpace, Lightwave, 3D Studio Max,
SoftImage XSI i Adobe Flash (animacje 2D). Ich ceny różnią się
w zależności od sugerowanego odbiorcy programu.
Spektakularne efekty można oczywiście osiągnąć również przy
użyciu podstawowych programów, jednak proces renderowania
sceny może się wydłużyć, jeśli wykorzystujemy do animacji
zwykły domowy komputer. Z tych przyczyn projektanci grafiki w
grach komputerowych skłaniają się raczej ku prostszym
animacjom, opartym o mniejszą ilość wieloboków, by nawet
komputery domowe były w stanie renderować zaprojektowane
animacje w czasie rzeczywistym. Animacja o jakości
fotorealistycznej byłaby w takich kontekstach niepraktyczna.
Stacja robocza SGI O2
Profesjonalni animatorzy sekwencji filmowych wykorzystywanych w grach tworzą animacje
fotorealistyczne o dużej szczegółowości. Wyrenderowanie sekwencji nasyconej do takiego stopnia
szczegółami mogłoby zając w warunkach domowych dziesiątki, nawet setki lat. Dlatego w pracach
tego typu wykorzystywane są stacje robocze5. Są one wyposażone w dwa do czterech procesorów, co
znacznie zwiększa ich moc, ich konstrukcja również odzwierciedla specjalistyczne zastosowania
tworzenia grafiki. Istnieją również zestawy stacji roboczych, tak zwane  farmy , które połączone w sieć
działają jak jeden potężny komputer.
Efektem takich działań jest możliwość wyrenderowania filmu w okresie od jednego roku do
5 lat - oczywiście nie cały ten czas poświęcony jest na renderowanie kolejnych klatek. Ceny stacji
roboczych wahają się najczęściej w przedziale 3600-24000 złotych i więcej, przy czym oczywiście
droższe stacje są w stanie prowadzić obliczenia o wiele szybciej, dzięki zastosowaniu
nowocześniejszych komponentów. Profesjonalni twórcy filmów animowanych komputerowo posługują
się w swojej pracy takimi zdobyczami techniki, jak kamery, urządzenia motion capture6, niebieskie
ekrany, oprogramowanie do edycji materiału wideo, rekwizyty i inne narzędzia właściwe animacjom
kinowym.
Sprzętowa strona techniki animacyjnej
Gdy  komputer ma zamiar wyświetlić na ekran jakiś obraz, najczęściej tworzony jest on w tak
zwanym buforze tylnym. W tym miejscu komputer może swobodnie rysować obraz i wprowadzać
wszystkie niezbędne zmiany. Podczas, gdy komputer wykonuje prace w buforze tylnym, ekran
pokazuje zawartość tak zwanego bufora głównego, lub przedniego.
Po zakończeniu przeliczeń związanych z renderowaniem, komputer przesyła do ekranu
polecenie wyrysowania zawartości bufora tylnego. Może się to odbyć na jeden z dwóch sposobów:
zawartość bufora tylnego można skopiować do bufora głównego (którego zawartość jest aktualnie
wyświetlana), lub komputer może dokonać przełączenia i ustawić bufor tylny w roli bufora przedniego.
W takim wypadku bufor przedni automatycznie staje się buforem tylnym. Osobą, która wymyśliła to
podejście jest John MacArthur. Proces zwykle nazywa się podwójnym buforowaniem, albo
5 W fachowej terminologii stacja robocza to wysokiej klasy komputer o Wyższej wydajności niż komputer osobisty,
szczególnie ze względu na możliwośd przetwarzania grafiki komputerowej, moc obliczeniową i wielowątkowośd.
6
Motion capture  technika stosowana w filmach i grach komputerowych, polegająca na "przechwytywaniu"
trójwymiarowych ruchów aktorów i zapisywaniu przez komputer. Dzięki niej zarejestrowane postacie poruszają się bardzo
naturalnie i realistycznie, a przechwycone dane są gotowe do dalszej obróbki. Technologia ta nie zastępuje w pełni pracy
animatora, wnosi jednak znaczące wsparcie do procesu animacji. Aby stworzyd animacje za pomocą tej techniki potrzebne
są kamery oraz markery (czujniki). Aktor zakłada na siebie czarną kamizelkę po czym mocuje się markery. Jeśli kamery są już
rozstawione można przystąpid do pracy. Kiedy człowiek się poruszy jego ruchy przekierowywane są do komputera i
podlegają dalszej obróbce (między innymi czyszczeniu animacji).
4
Materiały studenckie
nieoficjalnie  prztyczkiem (ang. flip), gdyż komputer dokonuje jednym  prztyczkiem zamiany
miejscami obydwu buforów.
Przełączenie to powinno nastąpić w sposób niewidoczny dla użytkownika. Dogodnym do tego
momentem jest sygnał synchronizacji pionowej. W klasycznych monitorach CRT następuje on, gdy
działko elektronowe dociera do prawego dolnego rogu ekranu i musi przenieść wystrzeliwany strumień
elektronów do lewego górnego rogu. Odbywa się to bardzo szybko, a w tym czasie obraz naświetlony
na kineskopie pozostaje widoczny. Podczas powrotu działek elektronowych do pozycji umożliwiającej
rozpoczęcie rysowania w lewym górnym rogu ekranu, komputer ma wystarczająco dużo czasu, by
dokonać przełączenia i by zawartość bufora przedniego mogła być wyrysowana na ekranie podczas
kolejnego odświeżenia. Obraz pozostanie na ekranie do czasu kolejnej zamiany buforów.
Jeśli  komputer nie może zamienić obrazów podczas sygnału powrotu plamki, pojawia się
zjawisko przełamania duszka, lub przełamania obrazu (z ang. sprite breakup/image breakup). Jest to
efekt wysoce niepożądany i powinno się go unikać wszelkimi sposobami, by nie udaremnić efektu
płynnej animacji.
Szczegółowy przykład wraz z pseudokodem
W animacji dwuwymiarowej poruszające się po scenie obiekty nazywane są duszkami.
Duszek jest obrazkiem, do którego przypisane jest odpowiednie położenie. Położenie to jest z każdą
kolejną klatką filmu nieco zmieniane, by uzyskać wrażenie poruszania się duszka. Cytowany niżej
pseudokod powoduje przesuwanie się duszka w prawo:
var int x := 0, y := wysokośćEkranu ÷ 2;
while x < szerokośćEkranu
rysujTło()
rysujDuszkaWPozycjiXY(x, y) // rysowanie duszka na wierzchu tła
x := x + 5 // przesunięcie w prawo
Nowoczesne techniki animacji (stosowane od roku 2001) tworzą sekwencje w zupełnie inny
sposób. Najczęściej odbywa się to w drodze skomplikowanych obliczeń matematycznych
przeprowadzanych na trójwymiarowych płaszczyznach, na które nakłada się tekstury, dodaje
oświetlenie i inne efekty, a na koniec renderuje całość. W tworzeniu animacji i ustawianiu jej
choreografii przydatny jest skomplikowany graficzny interfejs użytkownika. Inna z wykorzystywanych
technik o angielskiej nazwie  constructive solid geometry 7 definiuje obiekty na podstawie obliczeń
algebry Boolea stosowanych do regularnych figur. Jej zaletą jest umożliwienie tworzenia dokładnych
animacji w dowolnej skali.
Prześledz
my proces renderowania prostej sceny - zawiera ona pokój o płaskich drewnianych
ścianach, w którego centrum umieszczona jest szara piramida. Scena oświetlona jest przez reflektor.
Każda ściana, sufit i podłoga to prosty wielokąt, w tym przypadku prostokąt. Narożnik każdego
z czworoboków zdefiniowany jest przy pomocy trzech wartości o symbolach X, Y i Z. X oznacza
położenie punktu na osi lewo-prawo, Y na osi dół-góra, zaś Z na osi blisko-daleko. Ściana najbliższa
obserwatorowi zdefiniowana więc będzie przez cztery punkty, z których każdy podano w zapisie
(X, Y, Z) w następujący sposób:
7
CSG (ang. Constructive Solid Geometry)  w grafice komputerowej i zastosowaniach CAD technika definiowania nowych
brył poprzez łączenie innych brył regularyzowanymi działaniami boolowskimi: sumą, częścią wspólną i różnicą.
Regularyzowane operatory tym różnią się od zwykłych działao na zbiorach punktów, że gwarantują, iż wynikiem działania
będzie nadal bryła, a więc obiekt posiadający objętośd. Wynikiem regularyzowanej operacji nie będzie zatem nigdy punkt,
odcinek lub płaszczyzna.
Działania CSG mogą byd wykonywane na reprezentacji siatkowej  wówczas otrzymywane są nowe obiekty, które następnie
mogą zostad poddane innym przekształceniom geometrycznym, bądz
stad się przedmiotem np. symulacji komputerowej.
Operacje boolowskie mogą również zostad przeprowadzone dopiero przy wyświetlaniu sceny trójwymiarowej  jest to
możliwe gdy wykorzystywany jest bufor Z, lub gdy obraz jest tworzony metodą śledzenia promieni.
5
Materiały studenckie
(0, 10, 0) (10, 10, 0)
(0,0,0) (10, 0, 0)
Ścianę najbardziej oddaloną od obserwatora opisać można następująco:
(0, 10, 20) (10, 10, 20)
(0, 0, 20) (10, 0, 20)
Piramida stojąca w środku pokoju składa się z pięciu wielokątów: czworokątnej podstawy
i czterech trójkątnych ścian. W celu narysowania obrazka, komputer musi dokonać przeliczeń
trójwymiarowych danych na postać dającą się wyświetlić na dwuwymiarowym ekranie.
Po pierwsze, niezbędne jest ustalenie punktu, z którego obserwowana jest cała scena.
Ustalmy go wewnątrz pokoju, nieco nad podłogą i skierujmy w stronę piramidy. najpierw komputer
przeliczy więc, które ze zdefiniowanych przez nas w scenie wielokątów są dla nas widoczne. Ściana
znajdująca się z przodu sceny (pierwsza z opisanych współrzędnymi powyżej) nie będzie na przykład
rysowana, gdyż znajduje się zapunktem obserwacyjnym. Podobnie tylna ścianka piramidy, zasłonięta
przez resztę bryły.
Następnie komputer dokonuje rzutu każdego punktu obrazu na ekran. Fragmenty ściany
leżącej najdalej od punktu widzenia będą wydawać się mniejsze od ścian leżących blisko, ze względu
na zastosowanie perspektywy. By upodobnić ściany do drewna, jest na nie nakładany odpowiedni
wzór, nazywany teksturą. W tym celu bardzo często wykorzystuje się technikę mapowania tekstur.
Niewielki obrazek przedstawiający drewnianą powierzchnię, który można wielokrotnie nałożyć na
zestaw wielokątów (podobnie jak ma to miejsce z klasycznymi tapetami) jest rozciągany
i dopasowywany do ostatecznego kształtu ścian. Piramida wykonana jest z jednolicie szarego
materiału, więc jej ścianki można wyrenderować również w jednolitym szarym kolorze. Pozostaje
jeszcze kwestia reflektora. W miejscach, gdy jego światło pada na obiekty, ich kolory są rozjaśniane,
zaś w miejscach, które są zasłonięte innymi obiektami, kolory są przyciemniane.
Następnie całość sceny rysowana jest na ekranie. Gdybyśmy teraz zmienili liczby opisujące
pozycje poszczególnych wierzchołków piramidy i ponownie wyrenderowali scenę, piramida zdawałaby
się poruszać.
Aktualnie wykorzystywane techniki animacyjne
W dzisiejszych czasach programy wykorzystywane do tworzenia animacji komputerowej są
potężnym narzędziem w rękach sprawnego grafika cyfrowego. Pomimo olbrzymich możliwości
w standardowej wersji, aplikacje te posiadają mnóstwo wtyczek (tzw. pPluginów), które rozszerzają
możliwości programów, co daje animatorom praktyczne nieograniczone możliwości w symulacji
bardzo realistycznych zjawisk.
Generalnie animacja zarówno w grafice 2D jak i 3D polega na wykorzystaniu klatek
kluczowych, które są fundamentem symulacji ruchu na ekranie monitora. Jak już wcześniej zostało
wspomniane ilość owych kluczy w przeliczeniu na jedną sekundę ma swoje odbicie w płynności
animacji. Tworzenie grafiki i wprawianie jej w ruch w środowisku 2D różni się jednak od metod
wykorzystywanych w 3D. Umiejętności wykorzystywane przy tworzeniu animacji w obu tych
dziedzinach różnią się. Zacznijmy zatem od przedstawienia technik po stronie grafiki dwuwymiarowej.
Praktycznie każdy dobry program do tworzenia animacji umożliwia tworzenie jej metodą
 klatka po klatce . Jest to bardzo tradycyjny sposób, który polega na tworzeniu każdej kolejnej klatki.
Gdyby miało się wykorzystywać tę metodę do tworzenia całych filmów, z pewności byłaby to bardzo
żmudna i ciężka praca  której dodatkowym minusem byłby ogromny rozmiar pliku wynikowego.
Profesjonaliści stosują tę technikę wtedy, gdy chcą uzyskać pewne efekty specjalne niemożliwe do
wykonania innymi technikami.
6
Materiały studenckie
Kolejną powszechnie stosowaną techniką jest automatyczna animacja ruchu i kształtu.
Animacja automatyczna dotyczy obliczeń (na przykład zmiany właściwości lub kształtu obiektu)
między ustalonymi stanami obiektu (klatkami kluczowymi). Gdy na przykład stosuje się automatyczną
animację ruchu między zbiorem klatek kluczowych, program sam tworzy ruch, wypełniając przestrzeń
między klatkami kluczowymi odpowiednimi przejściami. Automatyczna animacja kształtu służy do
modyfikacji wektorowych linii lub krzywych (na przykład do zamiany kwadratu w okręg). Automatyczna
animacja ruchu zmienia właściwości obiektu, na przykład może przesuwać obiekt po scenie. Można
też wykorzystywać automatyczną animację ruchu do poruszania animowanego obiektu wzdłuż ścieżki.
Obiekt  doczepia się w programie graficznym do jednego z końców ścieżki poczym definiuje się ruch.
Prosty przykład, który możemy między innymi zastosować w programie FLASH: narysowany obiekt
samochodu chcąc przemieścić po ścieżce (nawet krzywej) z punktu A do punktu B umieszczamy w
początkowym punkcie ścieżki (A) definiujemy szybkość ruchu (ilość klatek potrzebnych na przebycie
całej drogi) a program sam wygeneruje nam ruch pojazdu. Na ścieżce można zdefiniować dowolne
klatki kluczowe  co daje nam możliwość symulacji  przyspieszania bądz
 zwalniania naszego
samochodu.
Aby stworzyć profesjonalną animację 2D profesjonaliści często stosują różne języki
programowania aby uzyskać określone efekty. Przykładem może być powszechne stosowanie
tzw. ActionScriptu (najnowsza wersja to 3.0)  który jest wbudowanym językiem w programie FLASH.
Umożliwia on tworzenie zaawansowanych animacji, trójwymiarowych wykresów, efektów falistości a
wszystko to w programach do tworzenia animacji 2D. Dzięki temu grafik ma możliwość tworzenia
efektów, które będąc tworzone technikami tradycyjnymi, zajęłyby bardzo dużo czasu i energii.
Animacja komputerowa ewoluuje, więc w dzisiejszych czasach mamy możność cieszyć się
pełną interaktywnością z animacją, np.: kiedy widzimy animację z obracającymi się kulkami na ekranie
monitora, możemy przemieścić wskaz
nik myszy w dowolny róg ekranu a kulki będą podążać za
wskaz
nikiem (dalej się obracając). To wszystko jest możliwe dzięki połączeniu animacji z językami
programowania  w dodatku całe środowisko (programistyczne i graficzne) to jedna aplikacja  dzięki
czemu nie musimy wychodzić z programu aby to wszystko stworzyć.
Panel do
programowania w
ActionScript w
programie Flash,
zintegrowane
środowisko graficzne
i programistyczne
7
Materiały studenckie
Animacja w 2D jest bardziej manualna, więcej rzeczy musi zrobić grafik aby uzyskać ciekawy
efekt. Oczywistą sprawą jest, iż wtyczki (pluginy) znacznie ułatwiają tę sprawę, jednak aby tworzyć
wyśmienite, realistyczne efekty przy niewielki nakładzie pracy ze strony człowieka (w porównaniu do
uzyskania podobnych efektów w grafice 2D) zagłębmy się w tajniki tworzenia animacji w świecie
grafiki trójwymiarowej.
Po omówieniu głównych technik animacyjnych grafiki dwuwymiarowej możemy przejść do trój-
wymiaru  co jest bardzo ekscytującym doświadczeniem. Programy do grafiki 3D dają nam ogromne
możliwości w zakresie szybkiej zmiany parametrów (tekstur, oświetlenia, warunków otoczenia). Jest to
o tyle dobre, że tworzymy (modelujemy) obiekt tylko raz po czym możemy go w nieskończoność
dostosowywać do swoich potrzeb. Z doświadczenia wiemy, że przy pomocy programów takich jak 3D
Studio Max można w łatwy sposób uzyskać oszałamiające efekty, których nie sposób uzyskać w
programie do grafiki 2D. Aplikacje takie mają olbrzymią ilość opcji i parametrów, które możemy
dowolnie modyfikować aby uzyskać zadowalający nas efekt&
Podstawową techniką jest animowanie transformacji  animowane mogą być trzy
podstawowe typy transformacji: przemieszczanie, obrót, skalowanie. Bardzo prosty przykład: aby
animować daną transformację , należy zdefiniować na liście czasowej8 punkt startu i o ileś klatek
odległy punkt zakończenia. W punkcie zakończenia wystarczy przetransformować obiekt (np.: zmienić
jego wielkość, albo kształt). Nasz obiekt powinien zostać płynnie transformowany zgodnie
z oczekiwaniami. Jednym z bardziej zaawansowanych zastosowań animowanych transformacji jest
wykorzystanie ich do przedstawienia ruchów nóg pająka czy ramienia dz
wigu  takie efekty możemy
często zauważyć w grach komputerowych.
Animowanie za pomocą kontrolerów ruchu  zarządzają one między innymi sposobem
interpolacji parametrów między ujęciami kluczowymi. Dzieje się to za sprawą różnych typów krzywych
na wejściu i wyjściu z klucza. Popularne kontrolery to między innymi: kontroler zarządzania ruchem po
ścieżce (zasada jego działania jest zbliżona do animacji po ścieżce, z jaką spotkaliśmy się wcześniej
przy opisywaniu technik w grafice dwuwymiarowej). Bardzo interesującym typem kontrolera jest
popularnie zwany Look At  jak można się domyślić, służy on do automatycznej zmiany orientacji
obiektu, tak aby był on ciągle skierowany w kierunku żądanego elementu, niezależnie od położenia
wskazanych obiektów: popularnym przykładem zastosowania są oczy śledzące latającą muchę albo
chociażby działo przeciwlotnicze skierowane na przelatujący samolot itd.
Kolejnym godnym uwagi kontrolerem jest procedura do nadawania dowolnej ścieżce
nierówności. Jego zastosowanie może być bardzo różnorodne. Można przykładowo stymulować
trzęsący się obiekt, niestabilną kamerę, migające światło. Jest to kontroler parametryczny, co
oznacza, że nie tworzy on żadnych kluczy, a jedynie generuje ścieżkę za pomocą zdefiniowanych
parametrów.
Dość niezwykłym kontrolerem jest kontroler, który potrafi modyfikować ścieżki obiektów za
pomocą pliku dz
więkowego WAV. Wartość śledzonego parametru zależy od amplitudy fali
dz
więkowej. Kontroler ten jest bardzo przydatny, gdy nasza scena musi być zsynchronizowana ze
z
ródłem dz
więku. Procedura nie nadaje się co prawda do animowania ludzkiej mowy, gdyż układ ust
człowieka nie zależy jedynie od amplitudy dz
więku, jednak z powodzeniem można za pomocą Audio
symulować na przykład zachowanie szczekającego psa.
Na szczególną uwagę zasługuje kontroler równań matematycznych. Daje on możliwość
precyzyjnego sterowania ruchem obiektu za pomocą równań matematycznych. Taka precyzja może
być niekiedy konieczna, poza tym umiejętność napisania odpowiedniego równania pozwala często
zaoszczędzić sporo czasu. Nie trzeba bowiem zmieniać wartości dla całej serii kluczy, gdy okaże się,
że animacja przebiega w niewłaściwym tempie  w przypadku kontrolera równań najczęściej
wystarczy zmodyfikować parametr równania. Opisywany kontroler pozwala nawet wykorzystywać
wartości generowane przez inne kontrolery. Dzięki temu możemy na przykład uzależnić prędkość
obrotu kół pojazdu od szybkości jego przemieszczania, a odchylenie krzesełek karuzeli od jej
8
Listwa czasowa  popularne narzędzie, które można znalez
d w praktycznie każdym programie do tworzenia animacji 
służy do manipulowania czasem i osadzania klatek kluczowych.
8
Materiały studenckie
prędkości obrotowej. Jednak, aby korzystać z kontrolera równań, trzeba mieć jasno określony cel
działania, czyli wiedzieć, co osiągniemy dzięki temu modułowi.
Innym sposobem animowania obiektów jest wykorzystanie do tego celu operacji modyfikacji
(deformacji). W zasadzie większość parametrów modyfikacji może być animowana w czasie.
W zależności od typu obiektu dostępne jest użycie w tym celu modyfikacji na poziomie wierzchołków,
powierzchni (face), krawędzi, itd.
Bardzo ciekawym zagadnieniem są pola sił (Space Warp) i systemy cząsteczek. Istnieją dwa
rodzaje pól sił. Mechanizmy należące do pierwszej grupy służą do deformacji przestrzeni i animowania
systemów cząsteczek. Zasada ich działania polega na tym, że obiekty przyłączone do pola sił
podlegają deformacjom zgodnym z jego kształtem lub parametrami. Drugi ze wspomnianych
zestawów tworzą pola sił służące do animowania cząsteczek. Symulują one takie zjawiska fizyczne,
jak wiatr, grawitacja, spadający śnieg, pchnięcie obiektu czy deflektory (elementy ograniczające ruch
cząsteczek). Trajektoria ruchu cząsteczek zmienia się automatycznie, co pozwala śledzić efekty
w czasie rzeczywistym.
Jedną z technik animacji geometrii jest tak zwany morfing. Polega on na przekształcaniu
jednego obiektu w inny o podobnym wyglądzie i takiej samej topologii, tzn. układzie wierzchołków
i powierzchni (face). Technika ta jest najczęściej wykorzystywana do animowania mimiki twarzy oraz
mowy.
Physique i Bones Pro  są to złożone systemu deformacji siatki za pomocą kości. Pozwalają
określić wpływ poszczególnych elementów szkieletu na otaczającą go siatkę. Mogą być używane
z dowolnym rodzajem szkieletu utworzonego na podstawie modelu hierarchicznego  szkielety te
stosowane są do animowania postaci organicznych dwu-lub wielonożnych.
Profesjonalne programy do tworzenia animacji 3D wyposażone są w moduł dynamiki 
pozwala on na przeprowadzenie obliczeń toru ruchu ciał sztywnych, biorąc udział w kolizjach z innymi
obiektami znajdującymi się w scenie. Obliczenia te wykonywane są zgodnie z prawami fizyki.
Poszczególnym obiektom przypisywane są rzeczywiste, fizyczne parametry, takie jak ciężar,
współczynnik sprężystości czy współczynnik tarcia statycznego czy poślizgu. Efekty tego typu
modułów są bardzo często wykorzystywane w grach komputerowych nowej generacji, gdzie fizyka
świata rzeczywistego jest wręcz doskonale odwzorowana.
W programach do grafiki 3D animacji może podlegać nie tylko geometria. Animowane mogą
być też parametr materiałów, oświetlenia, kamer, efektów specjalnych. Ogólne zasady animacji są
takie same jak dla geometrii. Dzięki temu lista możliwości wykorzystania programu 3D jest wręcz
nieskończona i zależy jedynie od naszej wyobraz
ni.
Wirtualne Kamery
Od prowadzenia kamery w dużej mierze zależy efekt filmu. Nawet dobrze wymodelowana,
oświetlona i wyrenderowana scena może, nie wzbudzić bowiem żadnego zainteresowania widza, jeśli
ujęcia są przypadkowe, chaotyczne i nie tworzą przemyślanej całości. Sceny takie można porównać
do filmu nakręconego przez osobę, która pierwszy raz w życiu pełniła funkcję operatora. Kamery służą
do odwzorowania przestrzeni trójwymiarowej na dwuwymiarową płaszczyznę. Zasada działania kamer
jest dokładnie taka sama jak ludzkiego oka. W obu przypadkach mamy do czynienia z układem
soczewek skupiających światło na płaszczyz
nie światłoczułej. Od czasu wynalezienia kamery filmowej
przez J.E. Mareya w 1988 roku aż do dzisiaj nie wymyślono lepszej metody obrazowania przestrzeni.
Nie jest więc przypadkiem, że świat oglądany okiem kamery wydaje nam się naturalny wtedy, kiedy
obraz przypomina to, co zazwyczaj widzimy gołym okiem.
O ile kamery rzeczywiste wykorzystują prawa fizyki i optyki, o tyle kamery wirtualne dają obraz
będący często matematycznym odwzorowaniem symulowanej w pamięci komputera przestrzeni.
Z tego faktu wynikają nie tylko pewne podobieństwa, ale i różnice.
9
Materiały studenckie
Ostatnio można zauważyć, że coraz częściej w
animacjach komputerowych stosuje się efekty rozmycia 
można rozróżnić dwa rodzaje: Still Blur i Motion Blur. Ten
pierwszy to rozmycie spowodowane zwykłą nieostrością
obiektywu. W rzeczywistości najczęściej unika się nieostrości
tego typu. Jedyne jego praktyczne zastosowanie to
generowanie przejść między scenami. Motion Blur powstaje
na zupełnie innej zasadzie. Jest on wynikiem szybkiego
poruszania się obiektów umieszczonych w scenie lub samej
kamery. Czas naświetlania pojedynczej klatki jest ściśle
określony kilkoma parametrami. Wynosi on od 1/16000 w
Wykorzystanie efektu rozmycia w grach
kamerach wideo do wielu minut, a nawet godzin dla
komputerowych.
tradycyjnej fotografii. W kamerach filmowych czas
naświetlania może być dłuższy niż czas trwania pojedynczej
klatki. Jeżeli podczas ekspozycji obiekt przemieści się wystarczająco szybko, a na zdjęciu pojawi się
on jako nieostra smuga, podczas gdy pozostałe, nieruchome obiekty pozostaną ostre.
Zasady prowadzenia kamery wirtualnej nie różnią się specjalnie od tych obowiązujących
w przypadku prawdziwego narzędzia filmowego. Możliwości wykonywania ruchów niemożliwych
w świecie rzeczywistym bardzo jednak kuszą. Skutkuje to nadużywaniem szybkich przelotów kamery,
tzw. hiperzoomów itd. Nie zwiększa to bynajmniej realizmu scen. Dlatego, ogólnie rzecz biorąc, jest
taka zasada, że nie należy poruszać kamery w sposób niemożliwy do uzyskania w rzeczywistości,
chyba że takie jest zamierzenie reżysera i ma to konkretny cel. Prędkość ruchu kamery typowych scen
nie powinna przekraczać szybkości chodu człowieka. O ile w świecie rzeczywistym uzyskanie
stabilnego obrazu w niektórych przypadkach jest trudne, o tyle ruch wirtualnej kamery jest aż nazbyt
płynny i stabilny  można czasem powiedzieć, że czasami uzyskany obraz bywa  mdły . Dlatego też
profesjonalni graficy urozmaicają nieco tor ruchu kamery, choćby często zmieniając ujęcie. Używają
też często kontrolera do nadawania nierówności.
Ewolucja animacji komputerowej ujawniła zastosowanie tej dziedziny w tworzeniu interfejsów
użytkownika. Ostatnimi czasy zauważa się znaczny wzrost wykorzystania animacji w tej dziedzinie.
Bardzo dobrym przykładem są liczne strony internetowe, gdzie szeroko stosuje się technologię Flash
w celu uzyskania efektownej nawigacji na witrynie webowej. Użytkownik najeżdżając na dany przycisk
nie spotyka już statycznego guzika  ma on do czynienia z w pełni animowanym i interaktywnym
środowiskiem. Animowane menu, przyciski, wyświetlające się i efektownie poruszające napisy,
slogany reklamowe, czy chociażby bannery promujące jakąś witrynę. Wszędzie tam znajduje
zastosowanie animacja komputerowa (w przeważającej mierze 2D  prawdopodobnie ze względu na
wielkość plików wynikowych nie stosuje się tak powszechnie grafiki 3D  chociaż i ten stan rzeczy
ulega ostatnio zmianie).
Kolejnym ciekawym zastosowaniem są animowane menu w telefonach komórkowych,
palmtopach, w komputerach pokładowych. Trzeba wspomnieć o grach komputerowych, o branży,
która jest niesamowicie dynamicznie się rozwija, a gdzie animacja komputerowa jest fundamentem
Jednym z otwartych wyzwań rzuconych technice animacji komputerowej jest fotorealistyczna
animacja postaci ludzkich. W chwili obecnej większość filmów stworzonych techniką animacji
komputerowej korzysta w roli postaci albo ze zwierząt (Gdzie jest Nemo), fantastycznych stworów
(Shrek, Potwory i Spółka), albo z celowo zbliżonych do kreacji kreskówkowych bohaterów ludzkich
(Iniemamocni). Jako pierwszy tytuł, którego twórcy dołożyli starań, by stworzyć realistycznie
wyglądające postacie ludzkie dość często cytowany jest Final Fantasy The Spirit Within. Jednak z
uwagi na wielką złożoność ciała ludzkiego, jego mechanizmów poruszania się i warunków
biomechanicznych realistyczna animacja postaci ludzkich nadal pozostaje kwestią otwartą, stanowiąc
swego rodzaju  świętego Graal animacji. Punktem dążeń jest udostępnienie programu, który dałby
animatorowi możliwość wyprodukowania sekwencji filmowej z realistycznie wyglądającą postacią
ludzką, poruszającą się w naturalny sposób (wliczywszy w to zachowanie ubrań i włosów) w
skomplikowanym środowisku naturalnym, pożądana byłaby również możliwość interakcji stworzonej
postaci z innymi bohaterami sekwencji. Całość powinna być wygenerowana w sposób
10
Materiały studenckie
uniemożliwiający widzowi stwierdzenie, czy oglądana przez niego sekwencja została stworzona za
pomocą komputera, czy odegrana przez żywych aktorów występujących przed kamerą filmową.
Osiągnięcie takiego efektu oznaczałoby, że do nakręcenia filmu nie są już niezbędni aktorzy  z krwi i
kości , a technikami animacji komputerowej da się zrealizować każdy film, nie tylko animowany.
Oczywiście aktorzy nadal będą niezbędni w produkcjach filmowych, choćby na etapie udz
więkowienia
produkcji, czy podczas prac techniką przechwytywania ruchu (ang. motion capture). Całkowitego
realizmu najprawdopodobniej nie da się osiągnąć szybko, ale przedstawione powyżej koncepcje na
pewno czynią pewne założenia co do filozofii przyszłości przemysłu filmowego.
Naturalnie istnieją studia filmowe, które nie wykazują zainteresowania realistyczną animacją
komputerową, lub dokładniej rzecz ujmując cenią sobie wolność wyboru i wybierają odpowiednie
techniki prac, w zależności od charakteru realizowanego przedsięwzięcia. W chwili obecnej wydaje
się, że trójwymiarowa animacja generowana komputerowo da się podzielić na dwa główne nurty -
fotorealistyczny i niefotorealistyczny. Pierwsza z tak stworzonych kategorii da się podzielić jeszcze
bardziej szczegółowo - prawdziwy fotorealizm (gdzie podczas tworzenia wirtualnych aktorów
stosowane są techniki typu przechwytywanie ruchu) oraz stylizowany fotorealizm.
Klatka filmu  Final Fantasty   w całości wyrenderowany w 3D
Wspomniany wyżej film  Final Fantasty starał się osiągnąć fotorealizm pierwszego podtypu,
który w przyszłości prawdopodobnie umożliwi stworzenie postaci takich, jak bohaterowie filmu
 Ciemny kryształ bez potrzeby uciekania się do technik pracy z lalkami i animatroniki.
Przykładem stylizowanego fotorealizmu jest  Mrówka Z (w przyszłości stylizowany
fotorealizm ma szansę zastąpić animację poklatkową, taką jak choćby zastosowana w filmie  Gnijąca
panna młoda . Stylizowany fotorealizm i tradycyjnie "kreskówkowa" animacja powinny być raczej
traktowane jak rozszerzona i poprawiona wersja tradycyjnej animacji, jako próba spowodowania, by
animacja uzyskała trzeci wymiar. Ten trend ciągle wykorzystuje i usprawnia kanony animacji
wytyczone przez "dziewięciu starców", takie, jak zgniatanie i rozciąganie bohaterów. Jeśli chodzi
o jakość generowanego materiału - wprawdzie pojedyncza klatka sekwencji filmowej zrealizowanej
w myśl fotorealizmu jest w stanie przypominać zdjęcie (pod warunkiem, ze jest solidnie wykonana),
lecz pojedyncza klatka animacji  kreskówkowej będzie zawsze wyglądać, jak rysunek (efektu tego nie
należy utożsamiać z techniką  cel-shading , której efekty są jeszcze prostsze).
11