3D Animation

Από τη Βικιπαίδεια, την ελεύθερη εγκυκλοπαίδεια
Μετάβαση σε: πλοήγηση, αναζήτηση

Animation[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Είναι η επαναλαμβανόμενα συνεχόμενη ταχεία προβολή σειρών από εικόνες--σκίτσα ή φωτογραφίες αντικειμένων, στιγμιότυπα αντικειμένων--οι οποίες εναλλάσσονται με ταχύτητα δίνοντας στο θεατή την ψευδαίσθηση ότι τα αντικείμενα της εικόνας κινούνται. Αυτή η οπτική οφθαλμαπάτη-ψευδαίσθηση που συμβαίνει οφείλεται στην ιδιότητα που έχει ο ανθρώπινος εγκέφαλος να διατηρεί "ζωντανή" στη μνήμη του για 1/12 του δευτερολέπτου καθετί που οπτικά αντιλαμβάνεται διατηρώντας έτσι την αίσθηση της συνέχειας και της εξέλιξης των όσων βλέπει. Το φαινόμενο αυτό ονομάζεται μεταίσθημα ή μετείκασμα και αποτελεί τη βάση του κινηματογράφου ιδίως στις ταινίες κινουμένων σχεδίων. Στις περισσότερες ταινίες κινουμένων σχεδίων του 20ού αιώνα η τεχνική απόδοσης της κίνησης ήταν η εξής: κάθε ξεχωριστό πλαίσιο μιας ταινίας, αποτελείται από μια φωτογραφία ή ένα σχέδιο, που σχεδιάζεται πρώτα σε ένα χαρτί και κάθε σχέδιο διαφέρει ελάχιστα από το προηγούμενο, κάθε σχέδιο αποτελεί την συνέχεια του προηγούμενού του. Τα σχέδια των animators αποτυπώνονται σε μια διαφάνεια εκτύπωσης που ονομάζεται κυψέλη, η οποία γεμίζεται με χρώματα προσδιορισμένων αποχρώσεων και τόνων από την πίσω πλευρά του σχεδίου. Οι ολοκληρωμένες διαφάνειες των χαρακτήρων φωτογραφίζονται μία προς μία σε φιλμ κινούμενης εικόνας με μια ραμφοειδή κάμερα, μπροστά από ένα ζωγραφισμένο φόντο. Σήμερα βέβαια, στον 21 αιώνα, η μέθοδος αυτή είναι εξαιρετικά ξεπερασμένη και οι περισσότερες ταινίες κινουμένων σχεδίων έχουν περάσει στην εποχή της τεχνολογικής εξέλιξης του 3D Animation. Αξίζει να αναφερθεί ότι οι αρχές του Animation σχηματίστηκαν από τους Animators της Disney τη δεκαετία του 1930. Αυτές οι αρχές αποτελούν και το θεμελιώδη λίθο κάθε επιτυχημένης σχεδιοκίνησης χαρακτήρων. Μπορεί ο William Fetter, υπάλληλος της Boeing, Co. vα εφηύρε το 1960 τον όρο “computer animation/graphics” αλλά τα πρώτα 3D CGI (computer generated images) παρουσιάστηκαν στο κοινό με την ταινία FutureWorld το 1976 των Ed Catmull και Fred Parke ενώ η πρώτη εξ’ ολοκλήρου τρισδιάστατη ταινία, το Toy Story, βγήκε στις κινηματογραφικές αίθουσες το 1995 με παραγωγό τον John Lasseter της Pixar και διανομή της Disney Animation.

Animation σε τρεις Διαστάσεις (3D Animation)[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Σε υλοποιήσεις Αnimation σε χώρους τριών διαστάσεων λαμβάνεται υπόψη η τρίτη διάσταση του βάθους πεδίου, δηλαδή η παράμετρος της μετατόπισης στο χώρο, σε αντίθεση με τα 2D μοντέλα όπου λαμβάνονται υπόψη μόνο οι παράμετροι του χρόνου και της μετατόπισης στο επίπεδο. Προκειμένου να παραχθούν τρισδιάστατα ρεαλιστικά εικονικά περιβάλλοντα απαραίτητος είναι ο σχεδιασμός μοντέλων. Τα τρισδιάστατα μοντέλα πρέπει να δημιουργηθούν και να τοποθετηθούν μέσα σε κάποιο σκηνικό συμπληρώνοντας όλες τις λεπτομέρειες όπως ο ρουχισμός των ηρώων και η φωνή τους, η μουσική υπόκρουση, η θέση της κάμερας, τα ειδικά εφέ. Το τελικό αποτέλεσμα είναι σε μία πλατφόρμα τρισδιάστατη με εικόνες με βάθος, φως, σκίαση και πολλαπλή προοπτική. Με τη βοήθεια διαφόρων λογισμικών στην αγορά για τη δημιουργία τρισδιάστατων εικόνων, που κυμαίνονται από τα φτηνότερα ως τα πιο επαγγελματικά, ο δημιουργός έχει το πλεονέκτημα ότι με 3D Animation μπορεί να κάνει ευκολότερα τις αλλαγές που χρειάζονται, να χρησιμοποιήσει μία μεγάλη γκάμα οπτικής τεχνοτροπίας και βεβαίως να περιορίσει τις εργατοώρες. Ενώ στα δισδιάστατα κινούμενα σχέδια η “ζωγραφιά” ή η κίνηση γίνεται σε επίπεδη επιφάνεια με οριζόντιες και κάθετες γραμμές, στα τρισδιάστατα το εικονικό περιβάλλον ελέγχεται από τον υπολογιστή και τον προγραμματιστή.

Γενικότερα η δημιουργία 3D Animation χωρίζεται σε τρία βασικά στάδια: Μοντελοποίηση (Modeling), Απόδοση Σχεδιοκίνησης (Animation) & Φωτορεαλιστική Απεικόνιση (Rendering)


Μοντελοποίηση (Modeling)

Είναι η διαδικασία κατά την οποία αναπτύσσεται μια μαθηματική εκπροσώπευση κάθε τρισδιάστατης επιφάνειας άψυχων ή έμψυχων αντικειμένων μέσω εξειδικευμένου λογισμικού παράγοντας ένα 3D μοντέλο.Τα 3D μοντέλα αντιπροσωπεύουν ένα επίσης 3D αντικέιμενο χρησιμοποιώντας μια συλλογή σημείων & άλλων πληροφοριών, στο τρισδιάστατο χώρο, τα οποία συνδέονται μεταξύ τους με διάφορες γεωμετρικές οντότητες όπως τρίγωνα, ευθύγραμμα τμήματα, καμπύλες, κλπ. Τα μοντέλα μπορούν να δημιουργηθούν είτε χειροκίνητα είτε με αλγοριθμικές διαδικασίες (procedural modeling) ή μέσω σάρωσης (model scanning).


Σχεδόν όλα τα 3D μοντέλα υπάγονται στις εξής δύο κατηγορίες:


Στερεά (Solid)

Χρησιμοποιούνται κυρίως για μη γραφικές προσωμοιώσεις όπως για παράδειγμα ιατρικές ή μηχανικές, για CAD και εξειδικευμένες οπτικές εφαρμογές όπως την ανίχνευση ακτινών και την εποικοδομητική στερεά γεωμετρία (constructive solid geometry). Τα μοντέλα αυτά καθορίζουν τον όγκο του αντικειμένου που αντιπροσωπεύουν.


Όρια (Shell/Boundary)

Είναι ευκολότερα στη χρήση από τα στερεά μοντέλα. Καθορίζουν την επιφάνεια, π.χ. το όριο του αντικειμένου, και όχι τον όγκο του. Σχεδόν όλα τα οπτικά υποδείγματα που χρησιμοποιούνται για παιχνίδια και ταινίες είναι shell models.


Παράθεση Διαδικασιών Μοντελοποίησης:

Polygonal Modeling

Σημεία,κορυφές σε 3D χώρο συνδέονται με γραμμικά τμήματα σχηματίζοντας πολύγωνα. Η φιλοσοφία των περισσότερων 3D μοντέλων σήμερα είναι χτισμένη πάνω σε πολυγωνικά μοντέλα επειδή είναι ευέλικτα και επειδή οι υπολογιστές μπορούν να τα επεξεργαστούν γραφικά σε πολύ μικρό χρόνο. Επειδή βέβαια, τα πολύγωνα είναι επίπεδες επιφάνειες, οι σύνθετες κυρτές επιφάνειες μοντελοποιούνται μόνο κατά προσέγγιση με τη χρήση πολλών πολυγώνων.

NURBS Modeling

Επιφάνειες NURBS ορίζονται από spline καμπύλες οι οποίες επηρεάζονται από σταθμισμένα σημεία ελέγχου (weighted control points). Η αύξηση του βάρους για ένα σημείο θα τραβήξει την καμπύλη πιο κοντά στο σημείο αυτό. Τα NURBS είναι πραγματικά λείες επιφάνειες και όχι απλές προσεγγίσεις χρησιμοποιώντας μικρές επίπεδες επιφάνειες και έτσι είναι ιδιαίτερα κατάλληλο για οργανικές μοντελοποιήσεις.

Primitives Modeling

Αυτή η διαδικασία θεωρεί τα πρωτογενή γεωμετρικά αντικείμενα όπως μπάλες, κυλίνδρους, κώνους, κύβους ως δομικά στοιχεία για πιο πολύπλοκα μοντέλα. Εδώ οι μορφές ορίζονται με μαθηματικό τρόπο με αποτέλεσμα να είναι απόλυτα ακριβείς όπως επίσης και η γλώσσα ορισμού τους μπορεί να είναι πολύ απλούστερη. Γενικότερα αποτελεί μια εύκολη και γρήγορη κατασκευή μοντέλων κατάλληλη για τεχνικές εφαρμογές.

Splines & Patches Modeling

Εξαρτώνται από καμπύλες γραμμές για να καθορίσουν την ορατή επιφάνεια. Σε ό,τι αφορά στην ευελιξία και στην ευκολία χρήσης βρίσκονται κάπου μεταξύ NURBS και polygonal.


Απόδοση Σχεδιοκίνησης (Animation)

Οι βασικές μέθοδοι εδώ είναι τρεις σε αριθμό:

Η μέθοδος key frames (σημαντικών καρέ): Χρησιμοποιείται στα περισσότερα προγράμματα κατασκευής 3D. Τα μοντέλα τοποθετούνται σε σημαντικά χρονικά σημεία σε συγκεκριμένες θέσεις του κόσμου και το πρόγραμμα αναλαμβάνει να συμπληρώσει τα ενδιάμεσα καρέ βάσει της τροχιάς της κίνησης που έχει οριστεί.

Η μέθοδος παραμετρικών key frames: Έχει την ίδια λογική με την προηγούμενη μέθοδο μόνο που εδώ η κάθε οντότητα (αντικείμενο, κάμερα, φως) χαρακτηρίζεται από παραμέτρους.

Η μέθοδος του διαδικαστικού (procedural) animation: Είναι μια αλγοριθμική μέθοδος στην οποία χρησιμοποιούνται χωρικές και χρονικές μετατροπές (περιστροφή, μετακίνηση κλπ), οι οποίες καθορίζονται από παραμέτρους (π.χ. γωνία περιστροφής) οι οποίες μπορούν να αλλάξουν κατά τη διάρκεια του Animation.


Γενικότερα έχουν αναπτυχθεί διάφορες τεχνικές τρισδιάστατης σχεδιοκίνησης όπως: η κινηματική (kinimatics), η οποία αφορά τις ιδιότητες των αντικειμέων όπως τη θέση, την ταχύτητα και την επιτάχυνση. Σε περιπτώσεις όπου το αντικείμενο είναι τεμαχισμένο σε περισσότερα κομμάτια τότε τα κομμάτια αυτά συνδέονται μεταξύ τους δημιουργώντας μια δενδρική ιεραρχία.

η δυναμική (dynamic), η οποία είναι αυτή που θα δώσει στο αντικείμενο τις φυσκές του ιδιότητες λαμβάνοντας της υπόψη τους νόμους της φυσικής και προσθέτοντας στην κίνηση του αντικειμένου χαρακτηριστικά ρεαλιστικότητας. Εδώ λαμβάνονται υπόψη στοιχεία όπως το υλικό, το βάρος, το μέγεθος, η πυκνότητα κλπ.

η καταγραφή της κίνησης πραγματικών μοντέλων (motion capture) όπου χρησιμοποιούνται εξειδικευμένοι αισθητήρες για να καταγράψουν την κίνηση ενός ανρώπου ή ζώου. Τα δεδομένα εξάγονται από τους αισθητήρες αυτούς και χρησιμοποιούνται σε ειδικά Animation για να δημιουργήσουν την κίνηση των χαρακτήρων.


Φωτορεαλιστική Απεικόνιση (Rendering)

Η Φωτορεαλιστική Απεικόνιση (Rendering) είναι η διαδικάσια ρεαλιστικής απόδοσης των χαρακτηριστικών ενός μοντέλου με τη χρήση χρωμάτων, υφών, φωτισμού και σκιάσεων. Ο απαιτούμενος χρόνος ολοκλήρωσης του μοντέλου αυξάνεται όσο αυξάνεται και η περιπλοκότητα του.

Το πρόγραμμα που είναι υπεύθυνο για να παράγει την τελική φωτορεαλιστικά απεικονισμένη σκηνή ονομάζεται renderer. Η διαδικασία παραγωγής της τελικής φωτορεαλιστικής απεικονισμένης σκηνής αποτελεί μια αρκετά σύνθετη διαδικασία μιας και οι παράμετροι που πρέπει να ληφθούν υπόψη προκειμένου να παραχθεί ένα ικανοποιητικό αποτέλεσμα που να προσεγγίζει αρκετά ρεαλιστικά την πραγματικότητα είναι πολλές. Η διαδικασία της φωτορεαλιστικής απεικόνισης μπορεί να διαρκέσει κλάσματα του δευτερολέπτου ως και μία ολόκληρη μέρα προκειμένου να παραχθεί μία ενιαία εικόνα ανά καρέ. Τα τρισδιάστατα μοντέλα πρέπει να δημιουργηθούν και να τοποθετηθούν μέσα σε κάποιο σκηνικό συμπληρώνοντας όλες τις λεπτομέρειες όπως ο ρουχισμός των ηρώων και η φωνή τους, η μουσική υπόκρουση, η θέση της κάμερας, τα ειδικά εφέ. Το τελικό αποτέλεσμα είναι σε μία πλατφόρμα τρισδιάστατη με εικόνες με βάθος, φως και σκίαση και πολλαπλή προοπτική. Με τη βοήθεια διαφόρων λογισμικών στην αγορά για τη δημιουργία τρισδιάστατων εικόνων, που κυμαίνονται από τα φθηνότερα ως τα πιο επαγγελματικά, ο δημιουργός έχει το πλεονέκτημα ότι με 3D Animation μπορεί να κάνει ευκολότερα τις αλλαγές που χρειάζονται, να χρησιμοποιήσει μία μεγάλη γκάμα οπτικής τεχνοτροπίας και βεβαίως να περιορίσει τις εργατικές ώρες. Ενώ στα δισδιάστατα κινούμενα σχέδια η "ζωγραφιά" ή η κίνηση γίνεται σε επίπεδη επιφάνεια με οριζόντιες και κάθετες γραμμές, στα τρισδιάστατα το εικονικό περιβάλλον ελέγχεται από τον υπολογιστή και το αποτέλεσμα είναι εφικτό με την προϋπόθεση ότι ο προγραμματιστής δώσει τις σωστές εντολές στο πρόγραμμά του.

Εργαλεία[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Γλώσσες όπως η Virtual Reality Modeling Language (VRML) που εμφανίστηκε το 1997 ενώ υπόσχονταν πολλά όταν πρωτοεμφανίστηκε, δεν μπορεί να καλύψει τις υπέρογκες ανάγκες των κινούμενων σχεδίων και των γραφικών. Με τη βοήθεια των δεδομένων για multimedia coding, MPEG και JPEG, θα δοθούν κίνητρα για περαιτέρω πρόοδο στον κόσμο της επικοινωνίας των multimedia. Τις επόμενες δεκαετίες η ψηφιακή τηλεόραση θα αντικαταστήσει την αναλογική και MPEG-4 θα χειρίζεται όχι μόνο video frames αλλά συνθετικά και φυσικά υλικά, κίνηση σώματος και προσώπου (FBA). Ο χώρος που απαιτείται για την αποθήκευση και τη μεταφορά τρισδιάστατων ταινιών και παιχνιδιών είναι εξαιρετικά μεγάλος, γι’ αυτό τεχνικές γεωμετρικής συμπίεσης αναπτύσσονται ενώ η ποιότητα παραμένει υψηλή. Η μνήμη και η μπάντα μετάδοσης αποτελούνται από μεγάλο αριθμό frames τα οποία ξεχωριστά είναι ένα μεγάλο στατικό 3D model. Έτσι η ταινία Shrek δεν χρειάζεται να αποθηκευτεί σε video frames αλλά η παράδοση της ταινίας γίνεται σε 3D model το οποίο χρησιμοποιεί τη μικρότερη σε εύρος μπάντα σε πραγματικό χρόνο. Ο θεατής μπορεί να απολαύσει την ταινία ακόμα και σε ένα περιβάλλον Εικονικής Πραγματικότητας, με υψηλή ανάλυση, από και προς κινητά ή και σε home cinema.

Εφαρμογές 3D Animation[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Κινηματογράφος

Παρατηρείται πολύ μεγάλη άνθηση στον αριθμό των κινηματογραφικών ταινιών που χρησιμοποιούν τρισδιάστατα γραφικά ή είναι και εξ‘ ολοκλήρου κατασκευασμένες με τη χρήση τρισδιάσατων γραφικών. Σήμερα, η τεχνολογία παραγωγής 3D Animation έχει ως αποτέλεσμα την γραφική αναπαράσταση ανθρώπινων χαρακτήρων με άκρως ρεαλιστικό αποτέλεσμα.

Εκπαίδευση

Η τεχνική των 3D Animation χρησιμοποιείται πολύ και για εκπαιδευτικούς σκοπούς μιας και έτσι οι μαθητές βοηθούνται στο να φανταστούν τα αντικείμενα και τις έννοιες κατανοώντας έτσι πολύπλοκες και δυσνόητες θεωρητικές έννοιες. Επιπλέον μέσω του Animation οι εκπαιδευτικοί μπορούν να δημιουργήσουν προσομοιώσεις καταστάσεων και διαδικασιών και να δείξουν στους μαθητές τα φαινόμενα που μελετούν όπως ακριβώς αυτά συμβαίνουν σε πραγματικό χρόνο.

Εφαρμογές 3D Animation διαδραματίζουν εξαιρετικά σημαντικό ρόλο και σε τομείς όπως η Αρχαιολογία, η Αρχιτεκτονική και η Μηχανική, η Ιατρική καθώς και σε όλες τις φυσικές επιστήμες όπως γεωλογία, γεωγραφία, χημεία, πυρηνική φυσική, αστρονομία κλπ.

Πηγές[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Γραφικά και Οπτικοποίηση. Αρχές και Αλγόριθμοι. Θ.θεοχάρης, Γ.Παπαϊωάννου, Ν.Πλατής, Ν.Μ.Πατρικαλάκης

Γραφικά Υπολογιστών με OpenGL. Hearn Baker

http://www.myholler.com/155online/lectures/history.pdf

http://dl.acm.org/citation.cfm?id=1185461

http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?arnumber=00871557

http://en.wikipedia.org/wiki/3D_modeling

http://www.tziola.gr/gr/PreviewBook.asp?ID=15

http://invenio.lib.auth.gr/record/124382

http://el.wikipedia.org/wiki/Animation

Εξωτερικοί σύνδεσμοι[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]