Скелетная анимация - Skeletal animation
Скелетная анимация или риггинг - это метод компьютерной анимации, в котором персонаж (или другой шарнирный объект) представлен в двух частях: представление поверхности, используемое для рисования персонажа (называемое сеткой или кожей ), и иерархический набор взаимосвязанных частей (называемый кости , и все вместе образующие скелет или буровой установки ), виртуальный якорь Используется для анимации ( позы и ключевой кадр ) сетки. Хотя этот метод часто используется для анимации людей и других органических фигур, он служит только для того, чтобы сделать процесс анимации более интуитивным, и тот же метод можно использовать для управления деформацией любого объекта, например двери, ложки, здания. , или галактика. Когда анимированный объект является более общим, чем, например, гуманоидный персонаж, набор «костей» может не быть иерархическим или взаимосвязанным, а просто представлять высокоуровневое описание движения части меша, на которую он влияет.
Техника была представлена в 1988 году Надей Магненат Тельманн , Ришаром Лаперриером и Даниэлем Тельманном . Этот метод используется практически во всех анимационных системах, где упрощенный пользовательский интерфейс позволяет аниматорам часто управлять сложными алгоритмами и огромным количеством геометрии; особенно с помощью обратной кинематики и других «целенаправленных» методов. В принципе, однако, цель этого метода никогда не состоит в том, чтобы имитировать реальную анатомию или физические процессы, а только для управления деформацией данных сетки.
Техника
Как описано в обучающей статье Джоша Петти:
Такелаж дает нашим персонажам возможность двигаться. Процесс риггинга заключается в том, что мы берем эту цифровую скульптуру, начинаем строить скелет, мышцы, прикрепляем кожу к персонажу, а также создаем набор элементов управления анимацией, которые наши аниматоры используют, чтобы толкать и тянуть тело. около.
Этот метод создает серию костей (которые не обязательно должны соответствовать каким-либо анатомическим особенностям реального мира), иногда также называемые риггингом в смысле существительного. Каждая кость имеет трехмерное преобразование из стандартной позы привязки (которая включает ее положение, масштаб и ориентацию) и необязательной родительской кости. Таким образом, кости образуют иерархию . Полное преобразование дочернего узла является продуктом его родительского преобразования и его собственного преобразования. Таким образом, перемещение бедренной кости приведет к перемещению и голени. Когда персонаж анимирован, кости меняют свою трансформацию с течением времени под влиянием какого-либо контроллера анимации. Буровая установка обычно состоит из частей прямой и обратной кинематики, которые могут взаимодействовать друг с другом. Скелетная анимация относится к передней кинематической части оснастки, где полный набор конфигураций костей определяет уникальную позу.
Каждая кость в скелете связана с некоторой частью визуального представления персонажа ( сеткой ) в процессе, называемом скиннингом . В наиболее распространенном случае полигональной сетки кость связана с группой вершин ; например, в модели человека кость бедра будет связана с вершинами, составляющими многоугольники бедра модели. Части кожи персонажа обычно могут быть связаны с несколькими костями, каждая из которых имеет коэффициенты масштабирования, называемые весами вершин или весами смешивания . Таким образом, на движение кожи возле суставов двух костей могут влиять обе кости. В большинстве современных графических движков процесс создания скинов выполняется на графическом процессоре с помощью программы шейдеров .
Для многоугольной сетки каждая вершина может иметь вес смешивания для каждой кости. Чтобы вычислить окончательное положение вершины, для каждой кости создается матрица преобразования, которая при применении к вершине сначала помещает вершину в пространство кости, а затем возвращает ее в пространство сетки. После применения матрицы к вершине она масштабируется по соответствующему весу. Этот алгоритм называется скиннингом матричной палитры или скиннингом с линейным смешением , потому что набор преобразований костей (хранящихся в виде матриц преобразований ) формирует палитру для выбора вершины скина.
Преимущества и недостатки
Сильные стороны
- Кость представляет собой набор вершин (или какой-либо другой объект, который что-то представляет, например, ногу),
- Аниматору нужно управлять меньшим количеством характеристик модели,
- Аниматор может сосредоточиться на крупномасштабном движении,
- Кости подвижны независимо.
- Аниматору нужно управлять меньшим количеством характеристик модели,
- Анимация может быть определена простым перемещением костей, а не вершиной за вершиной (в случае полигональной сетки).
Недостатки
- Кость представляет собой только набор вершин (или какой-либо другой точно определенный объект) и не является более абстрактным или концептуальным.
- Не обеспечивает реалистичного движения мышц и кожи. Возможные решения этой проблемы:
- К костям прикреплены специальные регуляторы мышц.
- Консультации со специалистами по физиологии для повышения точности реализма опорно-двигательного аппарата с помощью более тщательного моделирования виртуальной анатомии .
- Не обеспечивает реалистичного движения мышц и кожи. Возможные решения этой проблемы:
Приложения
Скелетная анимация - это стандартный способ анимировать персонажей или механические объекты в течение длительного периода времени (обычно более 100 кадров). Он обычно используется художниками по видеоиграм и в киноиндустрии , а также может применяться к механическим объектам и любым другим объектам, состоящим из жестких элементов и соединений.
Захват производительности (или захват движения ) может ускорить разработку скелетной анимации, а также повысить уровень реализма.
Для движения, которое слишком опасно для захвата производительности, существуют компьютерные симуляции, которые автоматически вычисляют физику движения и сопротивления со скелетными каркасами. Свойства виртуальной анатомии, такие как вес конечностей, реакция мышц, прочность костей и ограничения суставов, могут быть добавлены для реалистичных эффектов подпрыгивания, изгиба, перелома и кувырка, известных как виртуальные трюки . Однако есть и другие приложения виртуального анатомического моделирования, такие как военное и чрезвычайное реагирование. Виртуальных солдат, спасателей, пациентов, пассажиров и пешеходов можно использовать для обучения, виртуального проектирования и виртуального тестирования оборудования. Технология виртуальной анатомии может быть объединена с искусственным интеллектом для дальнейшего совершенствования технологий анимации и моделирования.
Смотрите также
- 3D компьютерная графика
- Морфинг целевой анимации
- Интерактивное моделирование на основе скелетов
- Вырезанная анимация