Dynamika i animacja (suplement) Znaczenie ruchu
Przez pojęcie dynamiki rozumiemy zmiany, które występują w sekwencji obrazów, włączając w to zmiany pozycji, wielkości, właściwości materiałów, oświetlenia i parametrów obserwacji - w istocie zmiany dowolnej części sceny albo wykorzystanych metod. Korzyści z dynamiki mogą być sprawdzone niezależnie od postępu w kierunku bardziej realistycznych obrazów statycznych.
Być może, najpopularniejszym rodzajem dynamiki jest dynamika ruchu, poczynając od prostych przekształceń wykonywanych pod kontrolą użytkownika do złożonych animacji. Ruch jest ważnym elementem grafiki komputerowej od początku jej rozwoju. Początkowo, gdy sprzęt grafiki komputerowej był wolny, możliwość ruchu była jednym z silniejszych argumentów komercyjnych systemów grafiki wektorowej. Jeżeli szybko wyświetli się ciąg rzutów tego samego obiektu, przy czym każdy jest z nieco innego punktu obserwacji wokół obiektu, to uzyskuje się wrażenie obrotu obiektu. Integrując informację z rzutów, obserwator tworzy hipotezę o obiekcie.
Na przykład rzut perspektywiczny obracającego się sześcianu dostarcza różnego rodzaju informaq'i. Jest tu ciąg różnych rzutów, z których każdy niezależnie jest użyteczny. Ta informacja jest uzupełniana przez efekt ruchu, w którym maksymalna prędkość liniowa punktów w pobliżu środka obrotu jest mniejsza niż prędkość punktu odległego od środka obrotu. Ta różnica może pomóc wyjaśnić względną odległość punktu od środka obrotu. Zmienia również wielkości różnych części sześcianu wraz ze zmianą odległości, przy rzucie perspektywicznym daje dodatkowe wskazówki co do głębokości. Ruch staje się jeszcze ważniejszy, gdy znajdzie się pod interakcyjną kontrolą obserwatora. Dokonując selektywnego obracania obiektu, użytkownik może szybciej utworzyć hipotezę na temat obiektu. W przeciwieństwie do stosowania prostych przekształceń w celu poznania złożonych modeli zaskakująco proste modele wyglądają bardzo przekonująco, jeżeli poruszają się w realistyczny sposób. Na przykład zaledwie kilka punktów umieszczonych w kluczowych punktach modelu człowieka, przy starannym poruszaniu, może dać przekonujące złudzenie ruchu osoby. Same punkty nie wyglądają jak osoba, informują natomiast obserwatora o jej obecności. Wiadomo również, że ruchome obiekty mogą być odtwarzane za pomocą mniejszej liczby szczegółów, niż to jest potrzebne do reprezentowania obiektów statycznych, ponieważ obserwator ma znacznie większe trudności w wyławianiu szczegółów, jeżeli obiekt jest w ruchu. Na przykład telewidzowie są często zaskoczeni stwierdzając, jak źle i ziarniście wygląda jedna ramka telewizyjna.
Animacja
Animować to w dosłownym znaczeniu ożywiać. Chociaż często myśli się o animacji jako synonimie ruchu, pojęcie to obejmuje wszystkie zmiany, które dają efekt wizualny. Obejmuje więc ono zmiany pozycji w czasie (dynamika ruchu), kształtu, barwy, przezroczystości, struktury i tekstury obiektu (dynamika uaktualniania) i zmiany oświetlenia, położenia kamery, jej orientacji i ustawienia ostrości, a nawet zmiany metody renderingu. Animacja jest używana powszechnie w przemyśle rozrywkowym, a także w edukacji, zastosowaniach przemysłowych, np. sterowanie systemami, i w hełmach z monitorami, symulatorach lotu i w badaniach naukowych. Naukowe zastosowania grafiki komputerowej, a zwłaszcza zaś animacji są określane jako wizualizacja naukowa. Jednak wizualizacja to coś więcej niż tylko zastosowanie grafiki w nauce i inżynierii; obejmuje również takie dziedziny jak przetwarzanie sygnałów, geometria obliczeniowa i teoria baz danych. Często animacje w wizualizacji naukowej są generowane na podstawie symulacji zjawisk fizycznych. Wynikami symulacji mogą być ogromne zbiory danych 2D i 3D (na przykład w przypadku symulacji przepływu cieczy); te dane są zamieniane na obrazy, które potem tworzą animację. Symulacja może jednak generować położenia i miejsca obiektów fizycznych, które muszą być potem poddane jakiegoś rodzaju renderingowi w celu utworzenia animacji. Tak jest na przykład w symulacjach chemicznych, gdzie położenie i orientacja różnych atomów w reakcji mogą być generowane za pomocą symulacji, ale animacja może pokazać widoki składające się z kul i odcinków każdej cząsteczki albo może pokazać nakładające się gładko pocieniowane kule reprezentujące poszczególne atomy. W niektórych przypadkach program symulacji może zawierać w sobie język animacji i procesy symulacji oraz animacji mogą przebiegać równocześnie.
Jeżeli jakiś element animacji zmienia się zbyt szybko w stosunku do liczby animowanych ramek wyświetlanych w ciągu sekundy, to pojawia się efekt zakłócania czasowego. Klasyczny przykład to koła wagonu, które obracają się do tyłu albo gwałtowny ruch obiektu, który przesuwa się przez duże pole widzenia w krótkim czasie. Taśma wideo jest pokazywana z szybkością 30 ramek na sekundę, a film z szybkością 24 klatek na sekundę i w obu przypadkach uzyskuje się dobre wyniki dla wielu zastosowań. Oczywiście po to, żeby móc skorzystać z zalet takich szybkości, musimy tworzyć nowy obraz dla każdej ramki wideo albo filmu.
Jeżeli zamiast tego animator rejestruje każdy obraz na dwóch ramkach taśmy wideo, to efektywnie będzie 15 ramek na sekundę i ruch będzie poszarpany.
Tradycyjna animacja (to znaczy niekomputerowa) jest sama w sobie dyscypliną i tutaj omówione zostanie tylko kilka z jej aspektów. Zajmiemy się natomiast podsumowaniem podstawowych koncepcji animacji komputerowej. Zaczniemy od omówienia konwencjonalnej animacji i metod stosowania komputerów do tworzenia tej tradycyjnej animacji. Następnie przejdziemy do animacji wytwarzanej w zasadzie przez komputer. Ponieważ w większości jest to animacja 3D, wiele z metod tradycyjnej animacji 2D już bezpośrednio nie da się zastosować. Ponadto sterowanie przebiegiem animacji jest trudniejsze, gdy animator nie rysuje sam obrazów animacji; często jest trudniej opisać, jak coś zrobić, niż samemu to wykonać. Dlatego po omówieniu języków animacji zajmiemy się kilkoma metodami sterowania animacją. Na końcu omówimy kilka ogólnych zasad animacji i problemów charakterystycznych dla animacji.
Animacja tradycyjna i wspomagana komputerem. Animacja tradycyjna jest tworzona w dość stałej sekwencji: jest pisany scenariusz animacji (albo przynajmniej szkicowany), a następnie jest projektowana sekwencja zmian. Tą sekwencją jest zarys animacji -sekwencja szkiców wysokiego poziomu pokazująca strukturę i ideę animacji. Następnie jest rejestrowana ścieżka dźwiękowa (jeżeli występuje), jest tworzony dokładny plan (z rysunkami dla każdej sceny w animacji) i jest czytana ścieżka dźwiękowa - to znaczy są rejestrowane kolejne chwile, w których pojawiają się istotne dźwięki. W kolejnym kroku dokonuje się korelacji szczegółowego planu i ścieżki dźwiękowej. Następnie są rysowane określone ramki kluczowe - są to ramki, w których animowane obiekty są w swoich ekstremalnych albo charakterystycznych pozycjach; z ramek tych można wywnioskować o pośrednich położeniach. Następnie są wstawiane ramki pośrednie i jest tworzony próbny film. Ramki z tego próbnego filmu są przenoszone na klisze (arkusze filmu na podłożu acetylocelulozowym) albo na zasadzie ręcznego kopiowania tuszem, albo w wyniku fotokopiowania bezpośrednio na te klisze. Z kolei są one kolorowane albo zamalowywane i łączone w odpowiednią sekwencję; następnie są filmowane. Ze względu na korzystanie z ramek kluczowych i z ramek pośrednich ten typ animacji jest określany jako animacja z ramkami kluczowymi. Ta nazwa jest również stosowana w systemach komputerowych, które naśladują ten proces.
Wiele etapów animacji tradycyjnej wydaje się idealnie nadawać do wspomagania przez komputer, zwłaszcza do wyznaczania ramek pośrednich i kolorowania, które może być wykonywane metodą wypełniania wnętrza ze znanym punktem początkowym. Zanim jednak komputer będzie mógł być użyty, rysunki muszą zostać przedstawione w postaci cyfrowej.
Można to zrobić za pomocą skanowania optycznego, śledzenia oryginalnych rysunków za pomocą tabliczki z odpowiednim wskaźnikiem albo wykorzystania programu rysującego do utworzenia oryginalnych obrazów. Może zaistnieć potrzeba wykonywania przetwarzania końcowego (na przykład filtrowania) w celu usunięcia zakłóceń, które mogły powstać w czasie procesu wprowadzania (zwłaszcza przy optycznym skanowaniu) i w celu pewnego wygładzenia konturów.
Języki animacji. Do opisywania animacji opracowano wiele różnych języków poczynając od specjalizowanych rozwiązań, a kończąc na pakietach proceduralnych do wykorzystania z konwencjonalnymi językami. Niektóre języki animacji są łączone z językami modelowania i opisywanie obiektów w animacji oraz animowanie obiektów wykonuje się w tym samym czasie.
Metody sterowania animacją. Sterowanie animacją jest w pewnym sensie niezależne od języka używanego do jej opisu - większość mechanizmów sterujących może być adaptowana do wykorzystania z różnymi rodzajami języków. Wśród mechanizmów sterujących animacją są takie, które umożliwiają animatorowi bezpośrednie opisywanie położenia i atrybutów każdego obiektu w scenie za pomocą przesunięć, obrotów i innych operatorów zmieniających położenie i atrybuty, jak i takie z wysoce zautomatyzowanym sterowaniem zapewnianym przez systemy z bazą wiedzy, które na podstawie opisu animacji na wysokim poziomie („niech postać wyjdzie z pokoju") generują bezpośrednie sterowanie, które wywołuje zmiany potrzebne do uzyskania animacji.
Podstawowe zasady animacji. Tradycyjna postać przemysłowej animacji powstała w studio Walta Disneya między 1925 rokiem a późnymi latami trzydziestymi. Na początku animacja nie wymagała wiele więcej niż narysowania sekwencji statycznych obrazów, które razem tworzyły obrazy animowane. W miarę tworzenia metod animacji powstały pewne podstawowe zasady, które stały się zasadniczymi regułami animacji postaci i są wciąż używane. Wiele z zasad filmowej animacji postaci równie dobrze stosuje się do realistycznej animacji 3D. Trzeba jednak zauważyć, że te reguły nie są obligatoryjne. Tak jak wiele z nowoczesnej sztuki odbiega od tradycyjnych reguł rysowania, tak wielu współczesnych animatorów odeszło od tradycyjnych reguł animacji, często ze wspaniałymi wynikami. Wśród reguł są takie jak: zgniataj i rozciągaj, która pokazuje fizyczne właściwości obiektu dzięki zniekształcaniu jego kształtu; ruchy typu zwolnij i przyspiesz w celu uzyskania gładkich przejść; i właściwa inscenizacja albo wybieranie rzutu, który pokazuje większość informacji o zdarzeniach występujących w czasie animacji.
Specyficzne problemy animacji. Tak jak przejście od grafiki 2D do grafiki 3D wprowadziło wiele nowych problemów i możliwości, zmiana z 3D na 4D (jest dodany wymiar czasu) również stwarza problemy. Jednym z tych problemów są zakłócenia czasowe. Podobnie jak problemy zakłóceń w grafice 2D i 3D są częściowo rozwiązywane przez zwiększenie rozdzielczości ekranu, problemy zakłóceń czasowych w animacji mogą być częściowo rozwiązane przez zwiększenie rozdzielczości czasowej. Oczywiście innym aspektem rozwiązania 2D są metody antyzakłóceniowe; odpowiednikiem takiego rozwiązania w 3D są czasowe metody antyzakłóceniowe.