Počítačová vizualizace a animace ve 3D

Hry, zábava, prezentace, design, vizualizace, reklama, film, umění, virtuální realita. To je jen několik hlavních proud...


Hry, zábava, prezentace, design, vizualizace, reklama, film, umění, virtuální
realita. To je jen několik hlavních proudů 3D počítačových animací. Jejich
počátky jsou v 70. letech a po dlouhou dobu byly výsadou silných počítačů téměř
nepřístupných běžným lidem. Dnes je ovšem situace úplně jiná a svět 3D je
otevřen pro každého.
Slovo animace znamená oživování. Proto jsou animace tak magické a přitažlivé
animátoři vdechli život a čas mrtvým věcem. Není to jenom pasivní kopírování
světa na způsob fotografie a videa. Animace má svou identitu a vlastní zákony,
proto bude mít vždy úspěch v reklamě a je tak důležitá pro design. Písmena či
zkratka 3D se v naší kultuře stala symbolem pro nový prostor, pro hloubku a
komunikaci. Znamená aktivní přístup ke světu.
Techniky modelování s polygony
Modelování je činnost, kterou práce na animaci začíná. Přístup 3D vznikl v
podstatě ze strojírenských a architektonických programů, v nichž se nejdříve
jen kreslily technické výkresy. Přibyl třetí rozměr, možnost vizualizace
hotového výrobku... Podobně se konstruují i modely pro animace.
Základem jsou jednoduché geometrické útvary (koule, krychle, válec), ze kterých
se staví složitější objekty. Vzniká drátěný model, což je síť bodů spojených
hranami. Vypadá jako pletivo a říká se mu mesh nebo wireframe. Jsou i mnohem
pokročilejší techniky, než stavět krychle a koule na sebe. Například
"organické" metody, nazývané metaballs nebo clay. Více se dočtete na str. 2.
Michal Klodner
Základem počítačové vizualizace a animace ve 3D jsou 3D modely. Metody jejich
tvorby jsou různé. Např. metaballs nebo clay vypadá tak, že máte několik
geometrických objektů, jimž přiřadíte vzlínavost a získáte pružný 3D tvar,
který na rozdíl od strohé přímkovité geometrie vypadá mnohem přirozeněji.
Editování polygonálního objektu znamená různé způsoby pohybování s označenými
vrcholy, hranami a ploškami. Existuje nepřeberné množství nástrojů, kterými to
lze provádět, od jednoduchých po promyšlené simulace sochařské práce. Velmi
často používané jsou tzv. volné deformace (freeform deformations) za pomoci
obálky, jejíž tvar mění i tvar objektu.
Stejně jako u vektorových obrázků existují ohromné galerie clipartů, jsou i pro
3D animace vytvořeny banky modelů. Pokud vám nabídka vyhovuje, zaplatíte si a
hotové modely můžete rovnou použít. Některé jsou až kýčovitě jednoduché,
setkáte se však i s profesionálně digitalizovanými reálnými objekty včetně
lidí. 3D skenování a digitalizace je rozhodně zajímavý způsob, jak získat věrný
model. Stačí, když existující maketu obkroužíte perem upevněným na kloubovém
stojanu se snímači pohybu a do scény dosadíte její dokonalou trojrozměrnou
kopii.
Modelování s NURBS
Neuniformní racionální B-Spline křivky tvoří hladké, matematicky definované
plochy na základě několika kontrolních bodů. Z matematických popisů se
používají i Béziérovy plochy nebo spline plochy jiných typů, záleží na aplikaci
a použití, některé jsou např. lepší pro organické modelování apod. Čisté NURBS
jsou však standardem pro všechny náročnější konstrukční práce. Netvoří tisíce
vrcholů a plošek, protože jsou definovány rovnicí. Lze konstruovat jejich tečny
a normály a práce s nimi je velmi přesná. Editování spline ploch a křivek je
samozřejmě jiné než u polygonů a spočívá především v úpravě kontrolních bodů.
NURBS a polygony mezi sebou lze naštěstí převádět.
Většinou se převádějí objekty vymodelované pomocí splinů na polygony kvůli
dalšímu jemnému doladění tvaru, exportu do formátu, který vyžaduje polygony
(VRML), nebo zrychlení renderování. Vykreslovací a renderovací algoritmy i
hardware grafických karet pracují jenom s polygony, takže poslední fáze
modelování bývá převod na co nejjednodušší tvar s nízkým počtem plošek. Program
jinak pro každý snímek animace provádí konverzi znovu a znovu, což někdy zabírá
převážnou část renderovacího času.
Materiály a textury, videotextury
Definice optických vlastností, jako je barva, jas, index lomu, průhlednost
apod. je první možností, jak objekty ve scéně vizualizovat. Vlastností
materiálu je celá řada a na jejich úplnosti v animačním softwa-ru a kvalitě
implementace závi-sí výsledná podoba obrázků, jejich realističnost a věrnost.
Jednoduché materiály tvoří pouze jednolité barevné plochy, přirozený vzhled se
docílí až použitím textur.
Textura může být jakákoli bitová mapa (zobrazující např. povrch dřeva, kamene,
mnohdy však vůbec nemá reálný původ), nebo algoritmus, který texturu počítá.
Bitové mapy jsou rychlejší při zobrazování, nevýhodou je ale jejich omezené
rozlišení. Počítané textury zůstávají jemné při jakémkoli zvětšení, ovšem za
cenu časových ztrát při renderování.
Místo statických textur se někdy používají celé videosekvence, díky nimž lze
vytvořit např. virtuální pokoj, ve kterém běží televize, světla vrhající
pohyblivé projekce a další zajímavé akce.
Animace klíčovými snímky
V mnoha případech nám stačí statický obrázek, např. abychom uviděli design
výrobku nebo architekturu domu. Pojďme však dále. Modely jsou vytvořeny,
pokryty materiály a nyní jim přibývá další rozměr, a tím je čas. Nejjednodušší
animování je vytvoření klíčových snímků, mezi nimiž animační program
automaticky interpoluje. Každý klíčový snímek odpovídá určitému časovému
okamžiku a kombinaci objektů ve scéně s jejich polohou a transformacemi. Postup
zvaný blending nebo také morphing je metoda, kdy se mezi klíčovými snímky mění
i tvar objektu. Musí jít o polygonální síť, která si v čase zachovává stejný
počet vrcholů a většina animačních programů pak dokáže animovat i změny jejího
tvaru.
Animace postav
Definováním kloubových vazeb mezi objekty začíná animování postav a složitých
mechanismů. Hlavní slovo zde má inverzní kinematika, takže stačí tahat za konce
rukou a nohou a zbytek se dopočítá automaticky. Díky tomu, že v každém kloubu
lze zadat limity volnosti otáčení, se nestane, že by nějaká poloha vypadala
nepřirozeně. Ještě dokonalejší je práce s kostmi. Uvnitř jednolitého objektu je
několik kostí spojených klouby a jejich ohyb deformuje vnější tvar. Podle
tohoto ohybu se dá podle potřeby nastavit další deformace, která simuluje
vyboulení svalů.
Ani s inverzní kinematikou a kostmi však není vytvoření reálně vypadajícího
pohybu lidí a zvířat jednoduché. Na to je jediný lék a ten má název mocap,
motion capture, zaznamenání pohybu. Pokusná osoba si na tělo upevní několik
snímačů a pak běhá, skáče a tančí podle toho, jaký pohyb potřebujete. Počítač
zaznamenává souřadnice čidel a podle nich potom animuje virtuální kostru.
Existují i zařízení schopná zaznamenat grimasy tváře snímáním asi 32
kontrolních bodů na obličeji...
Particles a dynamika
Particle systémy částic byly zavedeny kvůli generování jevů, založených na
proudění částic. Umožňují realisticky zobrazit déšť, oheň, výbuchy, kouř a
další jevy. Jakýkoli objekt může být emitorem částic a ty se potom chovají
podle nastavených fyzikálních zákonů. Částice jsou většinou jednoduché malé
plošky, obecně se dá použít cokoli, třeba malá rybička. Většinou jsou spojeny s
gravitačním polem, magnetickým polem, působí na ně vítr apod. Těmto fyzikálním
silám se říká dynamika a podle schopností softwaru se dá využít i na pevné
objekty nebo metaballs a automaticky je rozhýbat na způsob simulace skutečných
jevů.
Renderování a efekty
A nakonec vykreslení obráz-ku. Na renderovacích algoritmech, kterými se z
rozmístění těles a světel ve scéně vypočítá viditelnost jednotlivých ploch,
jejich osvětlení a dopadající stíny, záleží, jak bude animace vypadat a také
jak dlouho bude trvat, než se vypočítá. Slovo render neznamená nic zvláštního.
Učinit něco něčím, vylíčit, popsat, ale také splácet. Při renderování se totiž
splácí všechna ta práce, protože už stačí stisknout jediný knoflík a čekat.
Pro zvýšení rychlosti se mnoho světelných efektů obchází. Místo skutečných
stínů máme shadow mapping, odrazy a lomy světla se pouze simulují. Raytracing,
sledování chodu světelných paprsků a radiozitu, simulaci světelného vyzařování
ploch lze kvůli rychlosti většinou použít jenom na statické obrázky. Nakonec se
do animace vloží efekty jako pohybové rozostření (motion blur), zářivý kruh
okolo objektu (glow), odrazy na skle kamery, prostě cokoli vás napadne.
Animace v reálném čase programované animace
Z různých důvodů se někdy animace nerenderuje, ale počítá se až při zobrazení.
Zabere méně místa a zůstává možnost interaktivních zásahů do jejího běhu. Při
programování také odpadá úmorná ruční animace klíčových obrázků. Typická jsou
amatérská dema, se kterými se programátorský underground ukazuje na soutěžích,
jako je prestiž-ní Assembly. Programovaná je i nekonečná ornamentální grafika,
dokreslující atmosféru hudby na koncertech a tanečních party.
S živě generovaným obrazem se zde pojí i živý střih. Jako vstup se k počítači
připojí MIDI klávesy, které ovšem nevydávají tóny, ale každé je přiřazena
vizuální sekvence, takže stisknuté klávesy na výstupním projektoru okamžitě
vytvoří pohyblivý obraz. Videodiskžokejové tak pracují i s více počítači,
klíčují jejich signály apod.
Realtime zpracování
videa a 3D
3D grafika v reálném čase oživuje poměrně často také televizní přenosy. V mnoha
živých vstupech umožňuje dynamicky spojovat grafický design s daty. Do
připravených tabulek a schemat se doplňují výsledky zápasů, statistická data, a
další informace. Stačí je zadat do databáze nebo je přijmout elektronickou
cestou a v tom okamžiku se objeví na obrazovce. Zpracování TV obrazu je závislé
na vysokém procesorovém výkonu, rychlosti grafiky a vstupně/výstupní
propustnosti počítače, protože tu nejde jen o vzhled pořadů, ale i schopnosti
renderovat vysílání v nějakém HDTV standardu.
Virtuální TV studia
Virtuální studio je špičková ukázka hned několika technologií 3D grafiky v
reálném čase. Nevýhodou klasických moderátorských studií s modrou klíčovací
stěnou, na kterou se v produkci doplní pozadí, je svazující nemožnost pohybu.
Ve studiu nemůže být téměř žádné zařízení, protože kamera je napevno zaostřena
a nesmí se hýbat, jinak by vkládané pozadí, které se nepohybuje, působilo
nereálně. Řešením je studio, které kompletně vzniká v reálném čase v počítači
kombinací živých záběrů herce s trojrozměrnou scénou, statickými obrázky a
dalšími videovstupy. Pohyby kamery jsou snímány a moderátor se tak může volně
procházet nejen před 3D dekoracemi, ale i mezi nimi a vše působí naprosto
věrohodně.
Trojrozměrná scéna má daleko více vizuálních možností a je tak ve vysílání
mnohem zajímavější. Pokud stačí výkon, mohou v ní účinkovat i virtuální herci,
maskoti živě ovládaní pomocí snímačů pohybu.
Interaktivita a virtuální realita
Když už máme trojrozměrný svět, chceme jej také trojrozměrně vnímat. Vstoupit
do něho, projít se navrženou budovou a prohlédnout si zařízení, zasahovat do
něj. Jednoduchou virtuální realitou je VRML ve webovém prohlížeči. Zobrazuje se
dvourozměrně, ale má všechny ovládací prvky pro pohyb, reaguje na události
pomocí senzorů vzdálenosti, dotykových a časových senzorů, všechny reakce lze
programovat v jazyce Java a prostředí tak může být velmi inteligentní.
Nejoblíbenější jsou asi 3D interaktivní chaty (rozhovory), kdy se v
internetových městech uživatelé mezi sebou baví prostřednictvím svých
virtuálních persón, avatarů. Pro vstup do plné virtuální reality už jsou
potřeba minimálně 3D brýle a speciální druh projekce, který střídavě zobrazuje
pohled levým a pravým okem. Pokročilejší je typická helma se stereodisplejem a
stereozvukem, kdy oboje reaguje na pohyb hlavy, navíc datové rukavice pro
snímání polohy rukou a prstů, s nimiž lze dokonale manipulovat např. s
prototypem výrobku při strojírenských simulacích. Možnosti virtuální reality
jsou závratné, stejně jako ceny, se kterými se zde setkáte.
9 0830 / pen









Komentáře
K tomuto článku není připojena žádná diskuze, nebo byla zakázána.