Pohyb je život -- žije Lara Croft?

Studium pohybu a touha po jeho pochopení je asi stará jako lidstvo samo. Nepochybuji o tom, že v dávnověku stál nějaký...


Studium pohybu a touha po jeho pochopení je asi stará jako lidstvo samo.
Nepochybuji o tom, že v dávnověku stál nějaký předchůdce dnešního člověka
zadumán nad krásou pohybu divokých stád, jež se pak snažil zaznamenat s pomocí
hlinky na kamennou stěnu. Z fyziky si asi všichni pamatujeme pokusy s Braunovým
pohybem. Mnozí z nás dnes zápasí s videokamerou, na kterou se snaží více či
méně úspěšně zaznamenat akční scény každodenního života, a někde mezi dnešními
videoamatéry a pračlověkem mohou být pokusy fotografů, kteří sériovým focením
běhu koně řešili spor, zda existuje okamžik, kdy se kůň nedotýká země žádnou
nohou. Doba ale pokročila a na scénu přicházejí snímače pohybu (motion capture).
Komu slouží snímače pohybu?
Pohyb... Až při přemýšlení nad těmito řádky mi přišlo na mysl, jak magické je
slovo pohyb. Koberec, na kterém sedím, je plný pohybu anorganických částic,
opodál stojící akvárium je plné ryb pohybujících se elegantně v proudící vodě,
a to vše se nachází na planetě Zemi, která se, jak je už pár století známo,
pohybuje po komplikovaných drahách nekonečně se pohybujícím vesmírem.
V tento moment možná plesá srdce mnohých animátorů, kteří si snímače svévolně
přivlastňují jako jejich technologii, a naopak méně fokusovaný čtenář uvažuje o
tom, zda mu vůbec stojí za to pokračovat. Myslím, že ano, protože cesta do
nedlouhé historie snímání pohybu odhalila mnohé zajímavosti.
Úplně původní aplikací snímačů pohybu je lékařství.
Zde sahá historie do začátku 80. let, kdy vznikly první systémy na snímání
pohybu primárně na bázi proprietárního hardwaru. Tato informace je překvapivá,
ale tradiční motion capture firmy mají skutečně základ v této oblasti a
množství instalovaných systémů v lékařství řádově převyšuje počet animačních
instalací. Vlastní nasazení je v oblasti sportovní medicíny, analýzy pohybu a
ve výzkumech s pohybem spojených, neurologii, pediatrii a s postupem času v
dalších oborech.
Motion capture: Technologie, která potopila TitanicZe všeho nejdříve je nutné
definovat si, co to jsou snímače pohybu v našem podání, jelikož bez tohoto
upřesnění lze za snímače pohybu považovat jakékoliv zařízení nějak reagující
nebo zaznamenávající pohyb, například i videokameru nebo prostorové čidlo
bezpečnostního zařízení. Snímače pohybu nebo 3D snímače pohybu jsou zařízení,
která přesně určují polohu množiny určených bodů v prostoru, tj. v souřadnicích
x, y, z, v závislosti na čase, a tyto informace pak zaznamenávají pro další
zpracování.
Osobně mne nejvíce zaujala následující aplikace z oblasti lékařství (odborníci
nechť mi prosím prominou laický popis problematiky): Existuje řada pacientů s
mentální disfunkcí, která se projevuje pohybovými problémy (nervový systém v
podstatě nesprávně ovládá jednotlivé prvky pohybového ústrojí). Znamená to
například, že jinak zdravě fyzicky vyvinutý jedinec není schopen správně
ovládat svoje končetiny, které postupem času trpí nadměrným zatížením a dochází
k jejich nevratné deformaci. Řešením tohoto problému (kromě rehabilitace) je
příslušně "přitáhnout a povolit" svaly, šlachy a vazy tak, aby "logika" jejich
řízení odpovídala "fyzickému" stavu. Po takové korekci je daný jedinec schopen
normálního pohybu.
K analýze stavu a k určení nutných zákroků se používají snímače pohybu ve
spojení s podlahovými tlakovými senzory. Pacient provede určitou sérii pohybů,
jejímž cílem je zaznamenat veškeré možné polohy kloubů, síly a tlaky působící
při jednotlivých pohybech, dynamiku pohybu. Po zaznamenání těchto informací
provede specializovaný software celkovou analýzu těchto dat, jejímž výsledkem
je algoritmus, který cestou operace a rehabilitace vede k napravení stavu.
Od Titanicu k Hvězdným válkám
Přestože je medicína oblastí, kde se mohou v nových aplikacích snímače pohybu
dotknout každého z vás, bude až do okamžiku, kdy na vás v některé z českých
nemocnic lékaři zavěsí pár desítek čidel, aby vám pomohli od vašeho neduhu, asi
mnohem zajímavější oblast zvaná entertainment, čili zábava.
Zábavní průmysl, do kterého spadá televize, film, reklama, počítačové hry a
virtuální zábavy, objevil snímače pohybu už v 90. letech, ale skutečného
seriózního a masového nasazení se dočkávají až nyní. Dejme si nejprve odpověď
na otázku "kde?".
Kasovní trhák Titanic je plný animací zařízených snímači pohybu. Pokud se
chystáte k opětovnému zhlédnutí filmu v kině nebo na videokazetě, zaměřte se
třeba na následující scény: Titanic pluje po moři a kamera prolétá nad lodí a
dává globální záběr jednotlivých palub a částí lodi. Samozřejmě, že celý model
lodi je virtuální stejně jako vlnící se moře a obloha, realističnost celému
záběru dává právě masa postav ladně a přirozeně se pohybujících po palubách,
které jsou oživeny kompletně snímači pohybu.
Toto řešení záběru není překvapivé, neb jediným vhodným modelem pro takový
záběr by byla maketa lodi 1 : 1. Větším překvapením mohou být záběry na
kapitánský můstek, kde kapitán je v některých scénách plně animovaná počítačová
loutka. A samozřejmě finální scéna potápějící se lodi dokumentuje masivní
nasazení snímačů pohybu jak v globálních záběrech, tak při "odpadávání"
pasažérů ze vztyčené zádi lodi, na které z posledních sil visí oba hrdinové.
Star Wars Epizoda 1 se taktéž hemží scénami tvořenými se snímači pohybu.
Typická scéna je vylodění droidů, kteří v tisících pochodují po pláních. Zlé
kuloární jazyky tvrdí, že podkladem pro tento jeden mnohokrát duplikovaný pohyb
je bláznění nejmenovaného animátora při oslavě ve studiu, který si rozverně
oblékl snímací dres a předváděl, jak by se to mělo udělat. Také postava Jar
Jara je snímaná, ovšem sejmutá data byla následně ručně korigovaná s cílem
dosáhnout kýženého pohybu.
Seznam aktuálních snímků by mohl pokračovat například novým zpracováním Mumie.
Pro doložení mého tvrzení, že boom snímačů pohybu nastává až teď, si ale
řekněme, že snímače pohybu nebyly použity třeba ve filmu 101 dalmatinů, kde se
použití nabízí a bylo testováno, ale nedošlo k němu, a ještě starší Casper byl
kromě jediného záběru animování obličeje uveden do života ručně.
Pokud vlastníte internetové připojení, nalaďte si server http://tv.visual.cz,
na kterém se nachází několikaminutový sestřih (showreel) scén vytvářených s
pomocí snímačů pohybu včetně scén z Titanicu, a to ve formátu RealVideo.
3D animace
Použití snímačů pohybu bezprostředně souvisí s rozvojem 3D animace. Tradiční
cesta 3D animace je keyframing čili ruční posouvání jednotlivých bodů objektu
do nových pozic na každém novém snímku (to znamená ve filmu 24 políček za
sekundu fps, video ve formátu PAL 25 fps a NTSC 30 fps).
Dalším pokrokovým činem, který poprvé uvedla do života společnost Softimage,
byla inverzní kinematika čili zavedení určité kostry (skeletonu) do animovaného
objektu a provázání této kostry s oblastmi povrchu objektu. Místo pohybu
tisícem bodů představujících končetinu mohl animátor pohybovat jen kontrolním
bodem kostry a jím určovat pohyb všech provázaných bodů.
Následovalo zavedení matematických výrazů (expressions) ve spojení se
skeletonem a povrchem, tj. určení úhlů, ve kterých se může daná kost pohybovat
tak, aby se nedostala do kolize s přirozenými možnostmi kloubu, případně
dalších vazeb. Kombinací inverzní kinematiky a expressions bylo umožněno
vytvořit loutku, která byla poměrně snadno animovatelná pouze s využitím
kontrolních bodů kostry bez hrozby, že dojde k nepřirozeným polohám nebo
prolnutí částí těla (ruka projede břichem).
Po dlouhou dobu (která ostatně přetrvává dodnes) se pak používalo ještě dalšího
propojení kontrolního bodu, matematického výrazu a externího zdroje signálu
(klávesnice, myš, píšťalka) k animaci loutky například tak, že stisku klávesy
byla přiřazena matematicky vytvořená chůze, pohybu myši pohyb rukou a pískání
na píšťalku snímaném přes mikrofon pohyb úst. Animátor pak dokázal vytvářet
poměrně složité animace s použitím těchto jednoduchých nástrojů.
Posledním krokem ke 3D snímačům bylo například v Softimage zavedení animačního
kanálu (channels) k jednotlivým kontrolním bodům spojitelného s externím
midizařízením, které dává možnost jedním ovladačem nastavovat 128 stupňů
pohybu. Taková technologie byla použita například ve filmu Dračí srdce k
animaci křídel draka, kde byly jednotlivé spáry (respektive jejich kostra
inverzní kinematiky) provázány s midizařízením a ručně pak vznikala velmi
složitá animace.
Pokud sami animujete a používáte kteroukoliv z výše uvedených technik, víte, že
finální efekt obrovským způsobem závisí na tom, co animujete. První filmoví
"sauři" z Jurského parku byli zajisté animováni kombinací výše uvedeného
způsobu a jejich úspěchu a pocitu reality napomohlo to, že nikdo nikdy žádného
saura v pohybu neviděl. Pokud však místo ještěra zvolíte jako objekt animace
ženu jdoucí do schodů, jste v koncích, protože tento denně vídaný pohled, o
kterém mají všichni jasnou představu, ručně jen stěží provedete. Tady přichází
na řadu skutečné 3D snímače pohybu, jimiž sejmutá data provážete na kontrolní
body kostry, a hle, virtuální žena reálně kráčí.
Používané technologie
Dnes používané technologie snímačů pohybu je možno rozdělit podle provedení na
mechanické, magnetické a optické. Každá z technologií má své výhody, nevýhody a
liší se výrazně i cenou.
Mechanické snímače pohybu jsou nejjednodušší variantou. Používají se pouze pro
snímání pohybu lidské postavy. Základem je oblek vytvořený v podstatě na míru
figurantovi, který je osazený mechanickými díly umístěnými v kloubech a
klíčových bodech těla. Při pohybu se mechanicky mění nastavení jednotlivých
čidel a tato nastavení se pak snímají. Podle provedení mohou tyto snímače
zaznamenávat nejen polohu, ale i rotace jednotlivých částí. Dres bývá často
doplněn ještě piezoelektrickým pásem podél páteře, který snímá prohnutí a
pohyby páteře.
Takto zkonstruované snímače jsou sice nejlevnější (kompletní řešení stojí cca
50 000 dolarů), ale jsou omezeny pouze na figuranty s vhodnou tělesnou
konstitucí. Jejich provedení a váha omezují figuranta a některé pohyby nejde
provést (např. plížení došlo by ke zničení snímačů a možná i úrazu figuranta).
Výhodou může být ale odolnost proti jakémukoliv rušení.
Kategorií vyšší jsou snímače magnetické. Jejich princip je založen na pohybu
aktivních bodů (v podstatě antén) v elektromagnetickém poli, které si samy
generují. Oproti mechanickým podstatně méně omezují pohyb figuranta svým
provedením, ale vzhledem k nutnosti zůstávat v generovaném poli neumožňují
snímat pohyb ve velké prostoře. Snímají souřadnice i rotace, a to velmi přesně
a v případě nutnosti i s velkou samplovací frekvencí. Počet čidel je ale omezen
a s přidáváním jejich počtu roste lineárně cena systému. Komplikace při práci
může přinést rušení generovaného pole (třeba kovovou konstrukcí budovy nebo GSM
telefonem) a nehomogenita pole, která se kompenzuje softwarově. Cena takových
snímačů je někde kolem 100 000 dolarů nabízejí podobná zařízení. Úplně první
popud ke vzniku tohoto řešení daly projekty NASA.
Nejvyšší třídu tvoří pak snímače optické. Princip je velmi jednoduchý: na těle
figuranta, který je v libovolném obleku, jsou umístěny pasivní reflexní značky
v libovolném množství. Tyto značky jsou snímány vysokofrekvenčními kamerami ve
viditelném nebo infra spektru. Kamer musí být minimálně 6, běžné množství je
však 12, aby pokryly určitý prostor a zabezpečily viditelnost značek alespoň na
2 kamerách zároveň.
Vzhledem k optickému řešení dochází k zákrytu značek, ale tento problém je
eliminován počtem kamer a řídicím softwarem. Software taktéž dopočítává rotace,
které nejde odvodit z primárních dat. Systém není limitován ani počtem
figurantů (běžné je snímání několika osob), tvarem figurantů (je možno snímat
zvířata), nejsou zde problémy s rušením nebo omezením pohybu figuranta. Cena
takového systému se ale pohybuje na úrovni 150 000 dolarů a výše.
Specifickým problémem je snímání pohybu prstů a obličeje. Pro snímání prstů se
používají výhradně systémy elektro-mechanické v provedení rukavice, která
obsahuje zabudovaná čidla. Snímání obličeje je naopak doménou optických
snímačů: na obličej je nalepeno do kontrolních bodů množství optických terčíků,
které jsou snímány kamerou zabudovanou v jakési otevřené helmě. Takto nasnímaná
sekvence je pak analyzována softwarově.
Co s daty?
Volbou systému snímačů a provedením vlastního snímání celá legrace nekončí, ale
naopak začíná. Získaná data jsou takzvaná hrubá (raw) a je nutno je zpracovat,
pročistit, ručně doplnit vypadlá místa, provést zacyklení pohybů a pak teprve
probíhá import do animačního softwaru. Touto krátkou větou popsaný proces může
být velmi časově náročný, třeba 100násobek času stráveného vlastním snímáním.
Výsledný produkt pak putuje do komerčního 3D balíku jako Softimage, 3DS MAX
nebo Maya, který ale často nesplňuje požadavky projektu (pokud se nejedná
zrovna o tančící GSM přístroj), a nastává programování vlastního řešení.
Každopádně dobře zvládnutý výsledek je úžasný a virtuální realita přestává být
virtuální. Jedinečné výsledky dnes vidíte ve všech dobrých počítačových hrách,
ať se již jedná o sport, bojová umění nebo adventury. V titulku zmiňovaná Lara
Croft už tedy možná žije, protože čím je starší (rozumějte vývojově), tím je
dokonalejší, a zdokonalování se nevyhnulo ani jejímu pohybu. Možná nejdále jsou
dnes Japonci, kteří fenomén počítačové animace dotáhli tak daleko, že stvořili
virtuální ženu, která běžně vystupuje v televizi, dává interview, a kdyby
nebyla jen počítačová, pravděpodobně by měla šanci vystupovat i jako aktivní
politik. Jen to skutečné tělo jí chybí zatím.
Motion capture v Čechách
Snímače pohybu nejsou v naší zemi věcí neznámou, naopak se můžeme pyšnit
pravděpodobně jednou z prvních světových instalací motion capture systému firmy
Ascension ve studiu Renovim někdy kolem roku 1996. Renovim se zaobíral mimo
jiné 3D počítačovou animací a tvorbou animovaných filmů pro pohyblivá kina.
Firma byla vybavena hardwarem firmy Silicon Graphics a pro 3D animaci používala
systém Softimage 3D.
Snímače firmy Renovim si možná pamatujete z Cinema Hall na Invexu 1997, kde ve
spolupráci s Visual Connection obšťastňovala po celou výstavu návštěvníky 3D
realtime animovaná tančící myš oživovaná pohyby tanečnice na pódiu.
Oficiální historie tohoto zařízení skončila někdy v roce 1998 při krádeži ve
studiu UPP, při které byla část systému ukradena, část zničena. Pokud vám tedy
bude někdo u nás nabízet snímače pohybu za podezřele výhodnou cenu, zamyslete
se nad tím.
Z mezidobí je známo několik pravděpodobně neúspěšných pokusů o sestrojení
českého motion capture systému, které ztroskotaly na financování vývoje a
hlavně softwarové části celého zařízení.
Novodobá aktivita je ale naprosto bombastická: vývojový tým společnosti Bohemia
Interactive, který programuje naprosto unikátní realtime vojenskou strategickou
hru s propracovanou grafikou i animacemi, dospěl do stadia nutnosti nahradit
ručně zpracovávané animace figur ve hře reálnými pohyby. Tato nutnost vyúsťuje
v těchto dnech k otevření Východoevropského centra snímání pohybu (Eastern
European motion capture centre), které je vybaveno optickým systémem firmy
Oxford Metrics jak pro počítačové animace, tak pro lékařské nasazení. Je
pravděpodobné, že práci tohoto studia uvidíte nejen ve vlastní hře, ale i v
dalších počítačových animacích, které hojně v regionu vznikají.
Byli jsme se nasnímat
Ve spojení s otevřením Východoevropského centra snímání pohybu (Eastern
European motion capture centre) podnikl tříčlenný tým ve složení Marek Španěl,
Jan Hovora a Tomáš Petrů rozsáhlý průzkum a současně i zkoušku bojem v oblasti
snímačů pohybu. Videozáznam nejzajímavějších okamžiků akce najdete na
http://tv.visual.cz, malá reportáž následuje.
Evropské centrum snímačů pohybu se nachází v Oxfordu, kam jsme se v lednu
tohoto roku vypravili zažít si na vlastní kůži slasti a strasti snímání pohybu.
Po krásách Oxfordu následovalo okouzlení technologií. Stanuli jsme v rozlehlé
hale, které v centru vévodil magickými značkami pokreslený koberec a po
stranách desítka neobvyklých kamer, roztodivné konstrukce a spleť kabelů
nepočítaje.
Po obvyklé počítačové magii, která obnášela zapnutí přístrojů, začalo kouzlení
s uvedením a kalibrací systému do provozu, které obstarával Steve, hlavní
inženýr a vývojář stojící za snímači společnosti Oxford Metrics. S pravoúhlou
konstrukcí vybavenou reflexními terčíky vstoupil do středu haly, přesně ji dle
jemu známých předpisů umístil a vrátil se ke klávesnici počítače. Systém chvíli
pracoval a kalkuloval střed souřadnic tak, aby byl pro všechny kamery stejný.
Druhým krokem byla prostorová kalibrace systému prováděná magickou hůlkou,
kterou Steve po vzoru šamanů kroužil v celém prostoru mezi kamerami. Během této
procedury proběhla kalibrace kamer tak, aby byl shodný nejen střed souřadnic,
ale také orientace os.
Systém byl připraven a čekal jen na figuranta, který daruje svůj pohyb
počítačové postavě. Vybrán byl Marek Španěl, který po chvíli práce zářil pod
světly reflektorů tak, že by se jím pro Star Wars inspiroval určitě i
Spielberg. Jelikož náš výzkum směřoval k zajištění technologie pro bojovou hru,
vybavili jsme figuranta i maketou M16, aby iluze byla věrná. A pak to začalo.
Marek Španěl byl také nakalibrován a následně probíhal mezi kamerami všemi
směry, zdatně na nás mířil a střílel, a v přestávkách mezi jednotlivými záběry
jsme svorně sledovali nasnímaný pohyb, který se v reálném čase objevoval v
systému.
Snímání bylo otázkou desítek minut, vlastní práce začala až po přesunu do
laboratoře, kde se začal hrubě zpracovaný pohyb zkulturňovat s pomocí systém
Mobius. Tento software na první pohled ukazuje roky vývoje a silný matematický
aparát na pozadí, který umožnil, abychom si ve večerních hodinách odnesli
disketu s cyklickým pohybem vojáka, který byl v Praze následně zakomponován do
jádra vyvíjené hry.
0 0794 / wep









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