48 Â

WIAT

N

AUKI

Maj 1998

M

amy wrodzonà ∏atwoÊç do-
strzegania niuansów ruchu
cia∏a ludzkiego. Cz´sto na

przyk∏ad z daleka rozpoznajemy znajo-
mych wy∏àcznie po sposobie chodze-
nia. To w∏aÊnie jest powodem, ˝e sta-
wiamy du˝e wymagania animacjom,
w których wyst´pujà postacie ludzkie.
Aby ruch cia∏a wytworzony przez kom-
puter wyglàda∏ prawdziwie, wirtualni
aktorzy muszà poruszaç si´ w sposób
naturalny.

Ruch sztucznego cz∏owieka jest nie-

zb´dny w takich zastosowaniach, jak ani-
macje, wirtualne Êrodowiska i gry wi-
zyjne. Animatorzy chcieliby w filmach
w stylu Toy Story uczyniç dzieci posta-
ciami nie mniej wa˝nymi ni˝ ich zabaw-
ki. Trenerzy mogliby uczyç i motywo-
waç sportowców, organizujàc im spa-
ringi z wirtualnymi przeciwnikami.
Twórcy wideo obmyÊlaliby gry z posta-
ciami ˝ywo reagujàcymi na decyzje u˝yt-
kownika. Symulacja ruchu cia∏a ludzkie-
go znajduje tak˝e wa˝ne zastosowania
w ergonomice, sporcie i rehabilitacji.

Choç zastosowaƒ jest tak du˝o, po-

danie komputerowi charakterystyki ru-
chu cz∏owieka sprawia niema∏e k∏opoty.
Nawet proste odbijanie pi∏ki mo˝e byç
trudne do realistycznej symulacji, cz´-
Êciowo dlatego, ˝e oglàdajàcy szybko
dostrzegajà ka˝dà nienaturalnoÊç, choç
cz´sto nie potrafià powiedzieç, na czym
ona polega. Symulacja ruchu cia∏a ludz-
kiego jest szczególnie czasoch∏onna, po-
niewa˝ musi dodatkowo uwzgl´dniaç
osobowoÊç i nastrój poruszajàcej si´ po-
staci. Techniki animacji komputerowej
mo˝na podzieliç na trzy g∏ówne kate-
gorie: technik´ klatek kluczowych, re-
jestracj´ ruchu i symulacj´. Wszystkie
one sà wynikiem kompromisu mi´dzy

stopniem kontroli szczegó∏ów ruchu
przez twórc´ a obliczeniami, które kom-
puter wykonuje samodzielnie. Technika
klatek kluczowych pozwala na szcze-
gó∏owà weryfikacj´, obarcza jednak ani-
matora odpowiedzialnoÊcià za natu-
ralnoÊç ruchu. W przypadku rejestra-
cji ruchu i symulacji ruchomy obraz
powstaje ca∏kowicie automatycznie, ale
mo˝liwoÊci dopracowania detali sà
niewielkie.

Klatki kluczowe i rejestracja ruchu

W pierwszej z wymienionych technik,

której nazwa nawiàzuje do tradycyjnych
„r´cznych” metod animacji, twórca okre-
Êla podstawowe po∏o˝enia przedmio-
tów, komputer natomiast wype∏nia bra-
kujàce klatki filmu, stosujàc interpolacj´.
W ten sposób byli animowani bohatero-
wie filmu Toy Story; ka˝da z g∏ównych
postaci mia∏a 700 punktów kontrolnych
– szeÊç z nich na przyk∏ad umo˝liwia∏o
ruszanie brwiami.

Specyfikacj´ klatek kluczowych daje

si´ cz´Êciowo zautomatyzowaç za po-
mocà technik komputerowych. JeÊli na
przyk∏ad r´ka ma si´ znaleêç w zada-
nym po∏o˝eniu, maszyna obliczy odpo-
wiednie kàty ustawienia stawu barko-
wego i ∏okciowego. Mimo ˝e ca∏y proces
staje si´ prostszy, to i tak wymaga od
twórcy szczegó∏owej znajomoÊci po-
szczególnych faz ruchu, a ponadto ta-
lentu, który pozwoli mu je prze∏o˝yç na
sekwencje klatek kluczowych. Nie s∏ab-
nàca popularnoÊç tej techniki wynika
z tego, ˝e pozwala ona animatorowi
w znacznym stopniu kontrolowaç prze-
bieg animacji ruchu.

Innà metodà jest rejestracja ruchu

cz∏owieka lub zwierz´cia w trzech wy-

miarach za pomocà czujników magne-
tycznych lub optycznych. Na podsta-
wie uzyskanych w ten sposób danych
komputer dokonuje animacji. Dzi´ki za-
stosowaniu tej techniki znani zawodni-
cy u˝yczajà swojego sposobu porusza-
nia si´ bohaterom sportowych gier
wideo. Metoda staje si´ coraz powszech-
niejsza, poniewa˝ wiele prostych co-
dziennych czynnoÊci daje si´ rejestro-
waç stosunkowo ∏atwo. Jednak pewne
ograniczenia sprawiajà, ˝e nie nadaje
si´ ona do wszystkich zastosowaƒ.

Po pierwsze, dok∏adny pomiar ruchu

cia∏a ludzkiego jest trudny, poniewa˝
czujniki przymocowane do skóry lub
ubrania przesuwajà si´ w czasie ruchu,
co prowadzi do b∏´dów. Po drugie, êró-
d∏em k∏opotów mogà byç ró˝nice w bu-
dowie lub wzroÊcie postaci modelowej
i wirtualnej. JeÊli na przyk∏ad zarejestro-
wano, jak cz∏owiek dotyka sto∏u, a wir-
tualny model jest ni˝szy, to komputer
poka˝e r´ce „zanurzajàce si´” w blacie.
Na koniec dodajmy, ˝e stosujàc wspó∏-
czesne techniki, napotykamy du˝e trud-
noÊci z rejestracjà pewnych rodzajów
aktywnoÊci. Systemy magnetyczne cz´-
sto wymagajà, aby cz∏owiek by∏ po∏à-
czony z komputerem za pomocà kabli,
co ogranicza jego swobod´; metalowe
przedmioty natomiast, takie jak sztucz-

Zaludniç Toy Story

Animacje komputerowe stajà si´

coraz bardziej realistyczne. Stosujàc symulacje

oparte na prawach fizyki, badacze stworzyli

wirtualnych ludzi, którzy potrafià biegaç,

jeêdziç na rowerze i skakaç do wody

Jessica K. Hodgins

JESSICA K. HODGINS

Â

WIAT

N

AUKI

Maj 1998 49

na bie˝nia u˝ywana do filmowania bie-
gu, sà przyczynà zak∏óceƒ. Systemy
optyczne nie radzà sobie, kiedy jedna
cz´Êç cia∏a przes∏ania drugà. Mimo tych
wad w wi´kszoÊci animacji komercyj-
nych korzysta si´ z danych uzyskanych
dzi´ki rejestracji ruchu, odpowiednio
zmodyfikowanych, aby pasowa∏y do
wirtualnego bohatera.

Symulacja

W odró˝nieniu od poprzednich tech-

nik w symulacji do o˝ywienia postaci i
przedmiotów wykorzystuje si´ prawa fi-
zyki. Wirtualny cz∏owiek jest zwykle
zbiorem sztywnych elementów. I tak dol-
na cz´Êç cia∏a mo˝e sk∏adaç si´ z korpu-
su, uda i podudzia oraz stóp po∏àczonych
ze sobà za pomocà stawów: biodrowe-
go, kolanowego i skokowego. Aby stwo-
rzyç dok∏adne modele, wraz z moimi stu-
dentami u˝yliÊmy danych biomecha-
nicznych uzyskanych na wiele sposo-
bów, m.in. dzi´ki pomiarom dokonanym
post mortem. Na przyk∏ad przedrami´ na-
szego wirtualnego m´˝czyzny wa˝y nie-
co ponad kilogram, ma 24 cm d∏ugoÊci
i Êredni obwód 25 cm.

Mimo ˝e wiarygodne z fizycznego

punktu widzenia, modele sà jednak tyl-
ko przybli˝eniem ludzkiego cia∏a. Roz-

patrujàc zestaw sztywnych cz´Êci cia∏a,
nie bierzemy pod uwag´ ruchu mi´Êni
wzgl´dem koÊci, a choç staw barkowy
jest cz´sto modelowany jako pojedyn-
czy przegub z trzema stopniami swo-
body, to i tak ludzki obojczyk i ∏opatka
dajà mo˝liwoÊç bardziej z∏o˝onych ru-
chów, takich jak wzruszenie ramionami.
Ostatnio badacze zacz´li tworzyç bar-
dziej skomplikowane modele, dzi´ki
czemu symulacje b´dà coraz bardziej
realistyczne.

Kiedy modelujemy przedmioty nie-

o˝ywione, takie jak ubranie lub woda,
komputer mo˝e obliczyç ich zachowa-
nie, rozwiàzujàc równania ruchu wy-
prowadzone z praw fizyki. W przypad-
ku toczàcej si´ z góry kulki symulacja
polega na obliczeniu toru ruchu z
uwzgl´dnieniem si∏y cià˝enia i tarcia
pomi´dzy kulkà a pod∏o˝em. Ludzie
majà wewn´trzne êród∏a energii i nie
mo˝na ich traktowaç jak biernych, nie-
o˝ywionych obiektów. Wirtualne po-
stacie potrzebujà wi´c „mózgu”, który
wydawa∏by rozkazy mi´Êniom – syste-
mu sterowania. Aby uzyskaç po˝àda-
ny ruch, program oblicza i przyk∏ada
momenty si∏ do ka˝dego stawu. Na
przyk∏ad system sterowania dla biegu
musi wyznaczyç momenty si∏ koniecz-
ne do spowodowania wymachu nogi

w przód w taki sposób, aby wirtualny
biegacz si´ nie potknà∏.

Wraz z moimi studentami stwo-

rzy∏am systemy sterowania dla biegu,
skoku do wody, jazdy na rowerze i çwi-
czeƒ na koêle. Chocia˝ to czynnoÊci bar-
dzo ró˝ne, opracowane przez nas sys-
temy dzia∏ajà w istocie tak samo i sà
zbudowane z identycznego zestawu
elementów.

ZastosowaliÊmy w nich tzw. automat

stanów wirtualnego cz∏owieka: algo-
rytm, który wyznacza, co ka˝dy staw
powinien robiç w danej chwili, i który
podobnie jak dyrygent orkiestry gwa-
rantuje, ˝e wykona to dzia∏anie we w∏a-
Êciwym czasie. Na przyk∏ad bieg jest
czynnoÊcià cyklicznà, która ma faz´
podparcia, kiedy ca∏y ci´˝ar cia∏a spo-
czywa na jednej nodze, i faz´ lotu, kie-
dy ˝adna z nóg nie styka si´ z ziemià.
Podczas tej pierwszej fazy staw skoko-

BIEG mo˝emy symulowaç, opierajàc si´
g∏ównie na prawach fizyki. W celu wytwo-
rzenia powy˝szej sekwencji (dolny rzàd)
komputer obliczy∏ momenty si∏ konieczne
do wymachu prawej nogi, zanim dotknie
ona ziemi – aby biegnàcy si´ nie potknà∏.
Wykonujàc wiele takich obliczeƒ, kompu-
ter potrafi odtworzyç ruch cia∏a biegacza
(rzàd górny). Zdj´cia rzeczywistego i symu-
lowanego biegu robiono co 66 ms.

wy, kolanowy i biodrowy nogi, która
dotyka ziemi, muszà zapewniç podpar-
cie i równowag´ ca∏emu cia∏u. Gdy no-
ga znajdzie si´ ju˝ w powietrzu, staw
biodrowy ma innà funkcj´: wyrzuca jà
do przodu, aby by∏a gotowa do nast´p-
nego zetkni´cia z pod∏o˝em. Automat
stanów wybiera jednà z funkcji stawu
biodrowego, w∏aÊciwà dla odpowiedniej
fazy ruchu.

Z ka˝dà fazà zwiàzane sà regu∏y ste-

rowania, na podstawie których oblicza
si´ kàty dla wszystkich 30 stawów wir-
tualnego cia∏a. Sà to równania, z któ-
rych mo˝na wyliczyç, jak ka˝da cz´Êç
cia∏a musi si´ ustawiç w danej fazie ru-
chu. Aby cz´Êci cia∏a przesun´∏y si´ do
zamierzonych pozycji, system sterowa-
nia musi obliczyç odpowiednie momen-
ty si∏ z równaƒ symulujàcych dzia∏anie
spr´˝yn, dà˝àcych do ustawienia sta-
wów pod ˝àdanymi kàtami. Tak wi´c
równania opisujà wirtualne musku∏y.

W celu uproszczenia problemu spe-

cyfikacji regu∏ sterowania cz´sto kilko-
ma koƒczynami steruje si´ na zasadzie
wspó∏dzia∏ania. Na przyk∏ad aby odbiç
cia∏o od pod∏o˝a w czasie fazy podpar-
cia, staw skokowy i kolanowy wirtual-
nego biegacza wspó∏pracujà ze sobà.
JeÊli to tylko mo˝liwe, regu∏y sterowa-
nia wykorzystujà pasywne zachowanie
systemu. Zak∏adamy, ˝e cz∏owiek dzia-
∏a efektywnie, a wi´c bierne, energo-
oszcz´dne zachowania b´dà wyglàdaç
bardziej naturalnie. I tak w czasie fazy
podparcia kolano biegacza pe∏ni funkcj´
spr´˝yny, która ÊciÊni´ta magazynuje
energi´, a nast´pnie wyzwala jà w trak-
cie rozpr´˝ania.

Symulowany ruch b´dzie bardziej na-

turalny, gdy pos∏u˝ymy si´ dodatkowo
koƒczynami, które w danej fazie ruchu
nie uczestniczà, aby zmniejszyç zak∏ó-
cenia spowodowane ruchem innych
cz´Êci cia∏a. W przypadku symulacji bie-
gu regu∏y sterowania powodujà, ˝e r´-

ce biegacza poruszajà si´ w przeciwfa-
zie do nóg, zmniejszajàc ko∏ysanie si´
ca∏ej postaci.

Wady i zalety

W porównaniu z technikà klatek klu-

czowych i rejestracjà symulacja ruchu
ludzkiego cia∏a, metoda oparta na syn-
tezie, ma dwie ogromne zalety. Po
pierwsze, pozwala ∏atwo wytworzyç
nieznacznie ró˝niàce si´ od siebie se-
kwencje i zachowaç jednoczeÊnie re-
alizm fizyczny, na przyk∏ad zmieniç
pr´dkoÊç biegu z 4 do 5 m/s. Proste
przyspieszenie lub zwolnienie szybkoÊci
odtwarzania ruchu w innych rodzajach
animacji mo˝e popsuç wra˝enie natu-
ralnoÊci. Po drugie, symulacje w czasie
rzeczywistym pozwalajà uzyskaç inter-
aktywnoÊç – istotnà w przypadku wir-
tualnych Êrodowisk i gier wizyjnych,
w których postacie muszà reagowaç na
posuni´cia rzeczywistego gracza. W
aplikacjach opartych na klatkach klu-
czowych lub rejestracji wybiera si´ i mo-
dyfikuje obrazy ruchu zgromadzone
uprzednio w bibliotece.

Jednà z wad symulacji jest to, ˝e stwo-

rzenie odpowiedniego systemu stero-
wania jest trudne i czasoch∏onne. Pró-
bowa∏am temu zaradziç, piszàc wraz
z moimi studentami modu∏y oprogra-
mowania, które mo˝na ∏àczyç w celu
tworzenia nowych ruchów. Opracowa-
liÊmy mianowicie zestaw czterech pod-
stawowych systemów sterowania dla
wyskoku, salta, làdowania na nogach
i chwytania równowagi. Komputer mo-
˝e je ∏àczyç, tworzàc bardziej z∏o˝one,
na przyk∏ad do symulacji çwiczeƒ na
koêle lub skoku do wody.

Zacz´liÊmy tak˝e badania nad ada-

ptacjà istniejàcych algorytmów do opi-
su zachowaƒ nowych postaci. Jest to
trudne, poniewa˝ systemy sterowania
sà dopasowane do dynamicznych w∏a-

ÊciwoÊci konkretnego modelu. Ogólnie
rzecz bioràc, taki system stworzony dla
doros∏ego nie nadaje si´ do symulacji
ruchu dziecka. W celu dopasowania
wzorców do postaci znacznie ró˝nià-
cych si´ od pierwotnych, opracowali-
Êmy techniki optymalizacji systemów
sterowania. Na przyk∏ad po zmianie
masy poszczególnych cz´Êci cia∏a oraz
wielu innych parametrów system opra-
cowany dla biegnàcego m´˝czyzny uda-
∏o nam si´ przystosowaç do opisu ru-
chu biegnàcej kobiety i czteroletniego
dziecka.

W ostatnich latach opracowuje si´

oparte na symulacji metody, które nie
wymagajà „r´cznego” tworzenia syste-
mu sterowania. Kilku naukowców pod-
chodzi do syntezy ruchu jak do zagad-
nienia optymalizacji trajektorii. Rów-
nania oraz istotne parametry po˝àda-
nego dzia∏ania odgrywajà rol´ wi´zów
– symulowany ruch musi spe∏niaç te za-
∏o˝enia i jednoczeÊnie wymagaç jak naj-
mniejszej energii. W przypadku symu-
lacji skoku wi´zy mog∏yby okreÊlaç, ˝e
animowana postaç powinna zaczynaç
i koƒczyç ruch na ziemi, a w po∏owie je-
go trwania znajdowaç si´ w powietrzu.
Program optymalizacyjny obliczy∏by,
˝e aby osiàgnàç maksymalnà wysokoÊç,
wydatkujàc jednoczeÊnie jak najmniej
energii, cz∏owiek musi przed skokiem
zgiàç nogi w kolanach.

Inne podejÊcie to automatyczne po-

szukiwanie najlepszego systemu stero-
wania w ramach dopuszczalnych para-
metrów. Najogólniej, nale˝y wówczas
okreÊliç, jak postaç mo˝e z dowolnej po-
zycji przejÊç do jakiejkolwiek innej. Po-
niewa˝ w metodzie tej rozwiàzuje si´
bardziej ogólne zadanie ni˝ znalezienie
najlepszej trajektorii dla zadanego punk-
tu poczàtkowego i koƒcowego, jest ona
najbardziej skuteczna w przypadku pro-
stych symulacji i problemów, które ma-
jà wiele rozwiàzaƒ, dzi´ki czemu praw-

50 Â

WIAT

N

AUKI

Maj 1998

Trzy techniki animacji

Z tej w∏aÊnie techniki korzystano g∏ównie podczas realizacji Toy Story.
Animator okreÊla kluczowe pozycje obiektów. Nast´pnie komputer au-
tomatycznie tworzy brakujàce klatki, stosujàc interpolacj´.

Technika klatek kluczowych

EVERETT COLLECTION

dopodobieƒstwo, ˝e komputer znajdzie
jedno z nich, jest wi´ksze. OczywiÊcie
wolimy techniki w pe∏ni automatyczne,
jednak w przypadku tak z∏o˝onych sys-
temów jak ludzkie cia∏o nie zdo∏ano na
razie opracowaç metod, które nie wy-
maga∏yby wczeÊniejszego dog∏´bnego
poznania natury symulowanego ruchu.

Mimo ˝e systemy sterowania tworzy

si´ trudno, sà one stosunkowo ∏atwe
w u˝yciu. Mo˝emy zastosowaç symula-
cj´, nie poznawszy wczeÊniej ani natury
danego ruchu, ani opisujàcych go rów-
naƒ. Taka metoda umo˝liwia ogólne ste-
rowanie akcjà, nie pozwala jednak do-
k∏adnie ustaliç szczegó∏ów. Na przyk∏ad
potrafimy dzi´ki niej okreÊliç drog´, ja-
kà ma przebyç rower, ale ju˝ nie styl jaz-
dy cyklisty. To ograniczenie mo˝na cz´-
Êciowo przezwyci´˝yç, stosujàc symu-
lacj´ do automatycznej generacji pierw-
szego przybli˝enia ruchu; do odtworze-
nia subtelnoÊci natomiast, na przyk∏ad
mimiki, trzeba u˝yç techniki klatek klu-
czowych lub rejestracji.

Symulowany ruch b´dzie bardziej re-

alistyczny, gdy dodamy bierne elemen-
ty, które poruszajà si´ pod wp∏ywem
dzia∏ania postaci. Na skutek odbicia
skoczka ugina si´ trampolina. Piasek
musi ust´powaç pod naciskiem stóp,
aby widaç by∏o Êlady biegnàcego po
pla˝y. Ubranie – które mo˝na modelo-
waç jako zbiór punktów po∏àczonych
spr´˝ynkami – równie˝ powinno od-
powiednio si´ uk∏adaç.

Innà zaletà symulacji ruchu jest to, ˝e

pozwala ona na sterowanie grupà. Do-
datkowa warstwa oprogramowania,
nadrz´dna w stosunku do poszczegól-
nych systemów sterowania, umo˝liwia
wirtualnym osobom poruszanie si´

w t∏umie bez wpadania na siebie. Pro-
gram ten oblicza wymaganà pr´dkoÊç
ka˝dej postaci na podstawie jej oddalenia
od innych ludzi i przeszkód na drodze.
Informacj´ t´ poszczególne systemy ste-
rowania wykorzystujà do generowania
ruchu poszczególnych osób.

Wraz ze studentami zdecydowaliÊmy

si´ na badania ruchu zwiàzanego z
uprawianiem sportów, takich jak bieg
lub jazda na rowerze, poniewa˝ ich dy-
namika nak∏ada wi´zy na zachowanie
wirtualnych postaci, a to z kolei u∏atwia
tworzenie systemów sterowania. Naj-
wyraêniej widaç to w przypadku salta.

Gimnastyk prawie ca∏y czas znajduje si´
w powietrzu i prawa sterowania mogà
mieç wp∏yw na ruch jego stawów, ale
ju˝ nie na ca∏kowity moment p´du cia-
∏a, który musi zostaç zachowany. Bieg
jest bardziej skomplikowany, poniewa˝
wirtualny biegacz przez wi´kszoÊç cza-
su ma kontakt z pod∏o˝em i obroty sta-
wów kierowane systemem sterowania
bezpoÊrednio oddzia∏ujà na wiele roz-
maitych szczegó∏ów ruchu. Tak wi´c
o wiele wi´cej pracy trzeba w∏o˝yç
w dopracowanie symulacji ruchu bie-
gacza ni˝ gimnastyka. Podobnie jest
w przypadku postaci ludzkich, u któ-

Â

WIAT

N

AUKI

Maj 1998 51

Rejestracja ruchu

Symulacja

Wiele ruchomych scen w animacjach komercyjnych tworzy si´ na podsta-
wie zapisu ruchów cz∏owieka. Komputer mo˝e pos∏u˝yç si´ uzyskanà w ten
sposób informacjà do animowania wirtualnej postaci.

W symulacji do animowania ruchu
wirtualnych osób i przedmiotów wy-
korzystuje si´ prawa fizyki.

KOMPUTEROWE MODELE cz∏owieka sk∏adajà si´
ze sztywnych cz´Êci cia∏a po∏àczonych przegubami,
umo˝liwiajàcymi obrót wokó∏ jednej, dwóch lub
trzech osi uk∏adu wspó∏rz´dnych.

Za zgodà MICROSOFT MOTION CAPTURE GROUP

(z

lewej i

poÊrodku)

; JAMES O’BRIEN i

VICTOR ZORDAN

(z prawej)

JESSICA K. HODGINS

¸OKIEå

1 STOPIE¡ SWOBODY (Y)

PAS

3 STOPNIE SWOBODY (X,Y,Z)

KOSTKA

1 STOPIE¡

SWOBODY (Y)

Y

PALEC U NOGI

1 STOPIE¡

SWOBODY (Y)

KOLANO

1 STOPIE¡ SWOBODY (Y)

X

BIODRO

3 STOPNIE SWOBODY (X,Y,Z)

Z

SZYJA

3 STOPNIE SWOBODY (X,Y,Z)

BARK

3 STOPNIE SWOBODY (X,Y,Z)

PRZEGUB R¢KI

2 STOPNIE SWOBODY (X,Z)

WIDOK Z BOKU

WIDOK Z PRZODU

Y

X

Z

rych wa˝nà rol´ odgrywa gestykula-
cja i charakterystyczne dla danej oso-
by lub sytuacji niewielkie ruchy cia∏a.
JeÊli za pomocà praw fizyki nie ogra-
niczy si´ ogólnej charakterystyki ruchu,
komputer mo˝e oczywiÊcie dokonaç
syntezy, ale wirtualny cz∏owiek nie b´-
dzie si´ wtedy porusza∏ naturalnie.
W takich przypadkach niezb´dne sà

prawa sterowania zawierajàce dodat-
kowe zasady opracowane na podstawie
obserwacji i pomiarów.

Czy wystarczajàco realistycznie?

Kryteria oceny symulowanego ludz-

kiego ruchu zale˝à od zastosowania.
Tworzenie wirtualnego otoczenia, któ-

re ma s∏u˝yç nauce, rozrywce
lub wspólnej pracy, wymaga
ruchu zró˝nicowanego, eks-
presyjnego i wystarczajàco re-
alistycznego, aby u˝ytkownik
mia∏ wra˝enie uczestnictwa w
scenie. Niektóre wirtualne
Êrodowiska wymagajà wi´k-
szego realizmu. Wówczas po-
wa˝nym sprawdzianem jest
test Turinga – czy symulowa-
ny ruch jest równie naturalny

jak prawdziwy, wtedy gdy w obu przy-
padkach zastosowano ten sam rodzaj
przedstawienia graficznego? Wst´pne
eksperymenty wskazujà, ˝e na razie od-
powiedê brzmi: nie. Gdy jednak nie wi-
daç ludzkich cia∏, a tylko punkty w miej-
scu stawów, niektóre z osób porów-
nujàcych oba sposoby poruszania si´
wskazujà na ruch symulowany jako na
bardziej naturalny.

W przeciwieƒstwie do zastosowaƒ ta-

kich jak tworzenie wirtualnych Êrodo-
wisk, w których najwi´ksze znaczenie
ma efekt wizualny, symulowany ruch na
potrzeby nauki i techniki powinien Êci-
Êle odpowiadaç rzeczywistemu. Jednym
z prostych sposobów oceny jest porów-
nanie dwóch nagraƒ: z ruchem symulo-
wanym i rzeczywistym. Naukowcy ko-
rzystajà tak˝e ze znanych danych bio-
mechanicznych, takich jak si∏a reakcji

Alan Alda spotyka Alana Ald´ 2.0

S

ynteza mimiki, dostarczajàca megabajtów informacji na temat
nastroju, uczuç i osobowoÊci cz∏owieka, stanowi dla kompute-

rów olbrzymià trudnoÊç. Jednak najnowsze animacje „wirtualnych”
osób, które mówià i okazujà podstawowe emocje, otwierajà nowe
intrygujàce perspektywy. Jesienià ub. r. firma Lamb & Company
z Minneapolis zajmujàca si´ animacjà komputerowà zacz´∏a two-
rzyç na zamówienie Scientific American wirtualnego sobowtóra Ala-
na Aldy – aktora, zdobywcy nagrody Emmy. Alda i jego wirtualny
sobowtór mieli si´ spotkaç w programie telewizyjnym Frontiers –
syntetyczny aktor mia∏ wyg∏aszaç zdania, których prawdziwy nigdy
nie wypowiedzia∏.

W celu realizacji tego ambitnego przedsi´wzi´cia firma Lamb stwo-

rzy∏a na podstawie pomiarów dokonanych skanerem laserowym
komputerowy model g∏owy Aldy. Jest to „druciana” siatka sk∏adajà-
ca si´ z 12 tys. ma∏ych wieloboków, które odwzorowujà geometri´ g∏o-
wy aktora. Na model na∏o˝ono nast´pnie map´ tekstury, zawiera-
jàcà m.in. informacje o barwie i g∏adkoÊci skóry.

Pomiarów laserowych dokonano dla czterech przypadków: twa-

rzy nie wyra˝ajàcej ˝adnych emocji, twarzy uÊmiechni´tej, na wpó∏
uÊmiechni´tej i wykrzywionej. Na podstawie tych danych zrekon-
struowano inne „miny”, ∏àczàc ró˝ne kombinacje zarejestrowanych
uj´ç i retuszujàc je. Animatorzy opracowali tak˝e statyczne obrazy
wirtualnego Aldy wymawiajàcego ró˝ne fonemy. Prac´ t´ wykona-
no w zasadzie r´cznie, choç komputer stanowi∏ pewnà pomoc w mo-
dyfikacji modeli programowych. Koniec koƒców, stworzono biblio-
tek´ oko∏o 60 uj´ç, których kombinacje pozwoli∏y uzyskaç jeszcze inne
wyrazy twarzy.

Aby „o˝ywiç” model, firma pos∏u˝y∏a si´ syntetycznà mowà stwo-

rzonà w laboratorium w Japonii – dokonano rozbicia mowy praw-
dziwego Aldy na poszczególne fonemy, które pos∏u˝y∏y nast´pnie
za materia∏ wyjÊciowy do syntezy. ˚mudnym zadaniem okaza∏a si´
synchronizacja mowy z ruchami warg wirtualnego aktora.

Wymaga∏o to dok∏adnego przejrzenia taÊm wideo. „Obserwowali-

Êmy, jak Alda porusza ustami wymawiajàc «o» i «oo». ChcieliÊmy si´
nauczyç, jak powinna poruszaç si´ jego twarz” – mówi Jim Russell,
dyrektor techniczny przedsi´wzi´cia. Równie pomocne by∏y lustra,

ALAN ALDA i jego „wirtualny” sobowtór majà wystàpiç w odcinku
audycji telewizyjnej Frontiers. Cyfrowy Alda (wstawka z prawej) to
komputerowy model g∏owy aktora i syntetyczny g∏os. Na planie (powy-
˝ej) u˝yto atrapy (poÊrodku), z którà prawdziwy Alda rozmawia∏ pod-
czas nagrywania programu (skrajnie z prawej). Podczas miksowania na-
grania na ˝ywo z komputerowà symulacjà atrap´ zastàpi Alda wirtualny.

52 Â

WIAT

N

AUKI

Maj 1998

BIEG m´˝czyzny, kobiety i dziecka.
W symulacji komputerowej trzeba braç
pod uwag´ ró˝nice w masie koƒczyn,
a tak˝e wiele innych parametrów cia∏a
ludzkiego.

SKOK PRZEZ KOZIO¸ jest ruchem sto-
sunkowo prostym do symulacji, ponie-
wa˝ gimnastyk pozostaje przez wi´k-
szoÊç czasu w powietrzu, a wtedy jego
cia∏o zachowuje sta∏y moment p´du.

NANCY POLLARD

pod∏o˝a, czas przebywania w powietrzu,
pr´dkoÊç czy d∏ugoÊç kroku, z parame-
trami ruchu uzyskanego w wyniku sy-
mulacji, sprawdzajàc w ten sposób, w ja-
kim stopniu to, co otrzymali, odpowiada
rzeczywistoÊci.

JeÊli naukowcy pog∏´bià wiedz´

o systemach sterowania, z czasem za-
cznà rozwiàzywaç wa˝ne zagadnienia

naukowe i techniczne. SpecjaliÊci od te-
rapii ruchu b´dà mogli lepiej poznaç
patologie towarzyszàce konkretnym
uszkodzeniom cia∏a. Projektanci rowe-
rów zechcà prawdopodobnie szacowaç
sprawnoÊç nowych pojazdów bez bu-
dowania kosztownych prototypów, tre-
nerzy skoków do wody natomiast oce-
niaç, czy ich zawodnik jest dostatecznie

silny, aby wykonaç nowà akrobacj´. Mi-
mo ˝e systemy sterowania sà trudne
w projektowaniu ze wzgl´du na swojà
z∏o˝onoÊç, ich solidne podstawy nauko-
we sprawià, ˝e z pewnoÊcià przydadzà
si´ jeszcze w wielu innych naukowych
zastosowaniach.

T∏umaczy∏

Aleksy Bartnik

których animatorzy u˝ywali do obserwacji w∏asnych
twarzy podczas wymawiania pewnych s∏ów.

Proces tworzenia ka˝dego uj´cia by∏by nies∏ychanie

czasoch∏onny, gdyby nie technika klatek kluczowych;
animator okreÊla tylko te z nich, które zawierajà naj-
wa˝niejsze po∏o˝enia obiektów, a komputer wype∏nia
luki, stosujàc interpolacj´. Aby zsyntetyzowaç sekwen-
cj´, w której postaç mówi „sell”, animator u˝ywa∏ nie-
ruchomych uj´ç osoby wymawiajàcej s, e i l, a kom-
puter automatycznie dorabia∏ brakujàce klatki. Firma
Lamb zastosowa∏a t´ technik´ tak˝e do innych ruchów twarzy, na
przyk∏ad mrugni´cia oczami. „Dzi´ki temu r´cznie wystarczy∏o wyko-
naç zaledwie 20% uj´ç” – szacuje Russell.

Jednak automatyczne techniki nie dawa∏y gwarancji, ˝e wirtualny

Alda b´dzie si´ zachowywa∏ naturalnie. Konieczne by∏y tygodnie

pracy doÊwiadczonych animatorów. „Mowa
i mimika ludzi wykazujà tak wiele nieregu-
larnoÊci – mówi Russell, który ma ponad 10
lat doÊwiadczeƒ w animacji komputerowej.
– Zajmujà one 10 razy wi´cej czasu ni˝ wy-
tworzenie podstawowego ruchu.”

Synteza koƒcowego nagrania, sk∏adajàce-

go si´ z 2500 klatek, zabra∏a firmie Lamb
wiele miesi´cy. Tak ci´˝ka praca, zarówno lu-
dzi, jak i komputerów, by∏a potrzebna, aby

o˝ywiç wirtualnego Ald´ na nieca∏e dwie minuty czasu antenowego
– ga˝a prawdziwego aktora jest w porównaniu z kosztami symula-
cji Êmiesznie ma∏a. Dodajmy jeszcze, ˝e jak si´ okaza∏o, wirtualny
Alda musi nad sobà intensywnie popracowaç, zanim b´dzie móg∏
pretendowaç do nagrody Emmy.

Informacje o autorze

JESSICA K. HODGINS jest adiunktem w College of Comput-

ing w Georgia Institute of Technology. W 1989 roku uzyska∏a

doktorat z informatyki w Carnegie Mellon University, a na-

st´pnie odby∏a sta˝ w Artificial Intelligence Laboratory w MIT

i IBM Thomas J. Watson Research Center. W pracy skupia si´

na koordynacji dynamicznych systemów fizycznych, zarów-

no naturalnych, jak i sztucznych, oraz sterowaniu nimi. Bada

techniki, które byç mo˝e w przysz∏oÊci pozwolà robotom i po-

staciom wirtualnym planowaç i kontrolowaç swoje zachowa-

nie w z∏o˝onych i nieprzewidywalnych sytuacjach. Hodgins

otrzyma∏a Science Foundation Young Investigator Award, jest

stypendystkà Packarda i Sloana.

Â

WIAT

N

AUKI

Maj 1998 53

Literatura uzupe∏niajàca

SPACETIME CONSTRAINTS

. Andrew Witkin i Michael Kass, Proceedings of

SIGGRAPH 88; ACM, 1988.

SPACETIME CONSTRAINTS REVISITED.

J. Thomas Ngo i Joe Marks

,

Proceedings of

SIGGRAPH 93; ACM, 1993.

ANIMATING HUMAN ATHLETICS

. Jessica K. Hodgins, Wayne L. Wooten, David

C. Brogan i James F. O’Brien, Proceedings of SIGGRAPH 95; ACM, 1995.

DIGITAL CHARACTER ANIMATION

. G. Maestri; New Riders Publishing, 1996.

ADAPTING SIMULATED BEHAVIORS FOR NEW CHARACTERS

. Jessica K. Hodgins i

Nancy S. Pollard, Proceedings of SIGGRAPH 97; ACM, 1997.

Przyk∏ady symulacji ruchów cia∏a ludzkiego mo˝na obejrzeç w WWW

pod adresem http://www.cc.gatech.edu/gvu/animation/ Strona ta za-

wiera prace autorki i jej studentów, a tak˝e stypendystów po doktoracie.

Zdj´cia we wn´trzach MUSEUM OF FINE ARTS, BOSTON – SAM OGDEN;

„wirtualny Alan” LAMB & COMPANY

WAYNE WOOTEN