Компьютерная анимация — это процесс, используемый для создания движущихся изображений в цифровом формате. Более общий термин «компьютерные изображения» (CGI) охватывает как неподвижные , так и движущиеся изображения , тогда как компьютерная анимация относится только к движущимся изображениям. Современная компьютерная анимация обычно использует компьютерную 3D-графику .
Компьютерная анимация является цифровым преемником покадровой и традиционной анимации . Вместо физической модели или иллюстрации покадрово обрабатывается цифровой эквивалент. Кроме того, компьютерная анимация позволяет одному художнику-графику создавать такой контент без использования актеров, дорогостоящих декораций или реквизита . Для создания иллюзии движения изображение выводится на монитор компьютера и неоднократно заменяется новым аналогичным изображением, но немного сдвинутым во времени (обычно со скоростью 24, 25 или 30 кадров в секунду). Эта техника идентична тому, как иллюзия движения достигается с помощью телевидения и кино .
Чтобы заставить зрительную систему увидеть плавно движущийся объект, изображения следует рисовать со скоростью около 12 кадров в секунду или быстрее ( кадр — это одно полное изображение). [1] При частоте кадров выше 75–120 кадров в секунду никакого улучшения реализма или плавности не наблюдается из-за того, как глаз и мозг обрабатывают изображения. При частоте ниже 12 кадров в секунду большинство людей могут обнаружить рывки , связанные с рисованием новых изображений, которые отвлекают от иллюзии реалистичного движения. [2] В традиционной рисованной мультипликационной анимации часто используется 15 кадров в секунду, чтобы сэкономить количество необходимых рисунков, но обычно это допускается из-за стилизованного характера мультфильмов. Для создания более реалистичных изображений компьютерная анимация требует более высокой частоты кадров.
Фильмы, которые идут в кинотеатрах США, идут со скоростью 24 кадра в секунду, чего достаточно, чтобы создать иллюзию непрерывного движения. Для высокого разрешения используются адаптеры.
Компьютерная анимация — это общий термин для трехмерной ( 3D ) анимации и компьютерной 2D-анимации. Сюда также входят такие подкатегории, как анимация, основанная на ресурсах , гибридная и цифровая рисованная анимация. Создатели анимируют, используя код или программное обеспечение, а не рисунки карандашом на бумаге. В компьютерной анимации существует множество техник и дисциплин, некоторые из которых представляют собой цифровые представления традиционной анимации, например, анимация по ключевым кадрам , а некоторые из них возможны только с помощью компьютера, например, плавное моделирование .
Компьютерные аниматоры могут нарушать физические законы, используя математические алгоритмы для обмана массы , силы , гравитации и многого другого. По сути, компьютерная анимация — это мощный инструмент, который может улучшить качество анимации, используя вычислительные возможности для раскрытия воображения аниматора. Это связано с тем, что компьютерная анимация позволяет использовать такие вещи, как снятие шкуры , которая позволяет 2D-аниматорам видеть весь ход своей работы одновременно, и интерполяцию , которая позволяет 3D-аниматорам автоматизировать процесс промежуточных изображений .
Для компьютерной 3D-анимации объекты (модели) строятся на мониторе компьютера (моделируются), а 3D-фигуры оснащаются виртуальным скелетом . Затем конечности, глаза, рот, одежда и т. д. фигуры аниматор перемещает по ключевым кадрам . Обычно различия между ключевыми кадрами рисуются в процессе, известном как анимация . Однако в компьютерной 3D-анимации это делается автоматически и называется интерполяцией . Наконец, анимация визуализируется и компонуется .
Прежде чем стать конечным продуктом, компьютерная 3D-анимация существует только как серия движущихся форм и систем в 3D-программном обеспечении и должна быть визуализирована . Это может происходить как отдельный процесс для анимации, разработанной для фильмов и короткометражных фильмов, или в реальном времени при анимации для видеоигр. После рендеринга анимации ее можно скомпоновать в конечный продукт.
Для 3D-моделей атрибуты могут описывать любую характеристику объекта, который можно анимировать. Сюда входят трансформация (перемещение от одной точки к другой), масштабирование, вращение и более сложные атрибуты, такие как последовательность плавных переходов (преобразование одной формы в другую). Каждый атрибут получает канал, для которого можно установить ключевые кадры . Эти ключевые кадры можно использовать более сложными способами, такими как анимация в слоях (объединение нескольких наборов данных ключевых кадров) или наложение ключей на объекты управления для деформации или управления другими объектами. Например, к рукам персонажа может быть применен скелет, а к суставам могут быть установлены ключевые кадры трансформации и вращения. Движение суставов рук приведет к деформации формы руки.
Программное обеспечение для 3D-анимации интерполирует ключевые кадры, создавая сплайн между ключами, нанесенный на график, который представляет анимацию. Кроме того, эти сплайны могут следовать кривым Безье, чтобы контролировать изгиб кривых сплайна относительно ключевых кадров. Использование интерполяции позволяет 3D-аниматорам динамически изменять анимацию без необходимости переделывать всю промежуточную анимацию. Это также позволяет создавать сложные движения, такие как эллипсы, всего с несколькими ключевыми кадрами. Наконец, интерполяция позволяет аниматору изменять частоту кадров, время и даже масштаб движений в любой момент процесса анимации.
Другой способ автоматизации 3D-анимации — использование процедурных инструментов, таких как 4D- шум . Шум — это любой алгоритм, который отображает псевдослучайные значения в многомерном пространстве. [10] 4D-шум можно использовать, например, для перемещения роя пчел; первые три измерения соответствуют положению пчелы в пространстве, а четвертое используется для изменения положения пчелы с течением времени. Шум также можно использовать как дешевую замену моделирования . Например, дым и облака можно анимировать с помощью шума.
Анимация на основе узлов полезна для анимации органических и хаотичных форм. Используя узлы, аниматор может создать сложный набор правил анимации, которые можно применять либо ко многим объектам одновременно, либо к одному очень сложному объекту. Хорошим примером может служить настройка движения частиц в соответствии с ритмом песни.
Существует множество различных дисциплин 3D-анимации, некоторые из которых включают совершенно отдельные формы искусства. Например, моделирование волос для компьютерных анимированных персонажей само по себе является карьерой, которая включает в себя отдельные рабочие процессы [11] и различное программное обеспечение и инструменты. Комбинация всех или некоторых дисциплин компьютерной 3D-анимации в анимационной индустрии обычно называется конвейером 3D-анимации. [12]
2D-компьютерная графика по-прежнему используется для стилистических целей, низкой пропускной способности и более быстрого рендеринга в реальном времени .
Компьютерная анимация, по сути, является цифровым преемником методов покадровой анимации, но с использованием 3D-моделей и традиционных методов анимации с использованием покадровой анимации 2D-иллюстраций.
Для анимации 2D-фигур используются отдельные объекты (иллюстрации) и отдельные прозрачные слои с виртуальным скелетом или без него.
В компьютерной 2D-анимации движущиеся объекты часто называют « спрайтами ». Спрайт — это изображение, с которым связано местоположение. Местоположение спрайта слегка меняется между каждым отображаемым кадром, чтобы спрайт выглядел движущимся. [16] Следующий псевдокод перемещает спрайт слева направо:
var int x:= 0, y:= screenHeight/2; в то время как x < ширина экранарисовать фон()drawSpriteAtXY (x, y) // рисуем поверх фона x := x + 5 // перемещаемся вправо
Компьютерная анимация обычно классифицируется как двухмерная ( 2D ) анимация. Рисунки рисуются либо от руки (карандашом на бумаге), либо в интерактивном режиме (на компьютере) с использованием различных вспомогательных устройств и помещаются в специальные пакеты программного обеспечения. В программном пакете создатель помещает рисунки в разные ключевые кадры , которые по сути создают схему наиболее важных движений. [17] Затем компьютер заполняет «промежуточные кадры» — процесс, широко известный как Tweening . [18] Компьютерная анимация использует новые технологии для создания контента быстрее, чем это возможно при традиционной анимации , сохраняя при этом стилистические элементы традиционно нарисованных персонажей или объектов. [19]
Примерами фильмов, созданных с использованием компьютерной анимации, являются «Русалочка» , «Спасатели внизу» , «Красавица и чудовище» , «Аладдин» , «Король Лев» , «Покахонтас» , «Горбун из Нотр-Дама» , «Геркулес» , «Мулан » , «Тарзан» , «Мы вернулись!». История динозавра , Балто , Анастасия , Титан AE , Принц Египта , Дорога в Эльдорадо , Дух: Жеребец Симаррона и Синдбад: Легенда семи морей .
A stylish woman walks down a Tokyo street filled with warm glowing neon and animated city signage. She wears a black leather jacket, a long red dress, and black boots, and carries a black purse. She wears sunglasses and red lipstick. She walks confidently and casually. The street is damp and reflective, creating a mirror effect of the colorful lights. Many pedestrians walk about.Ранняя цифровая компьютерная анимация была разработана в Bell Telephone Laboratories в 1960-х годах Эдвардом Э. Заджаком, Фрэнком В. Синденом, Кеннетом К. Ноултоном и А. Майклом Ноллом. [22] Другая цифровая анимация также практиковалась в Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса . [23]
В 1967 году Чарльз Цури и Джеймс Шаффер создали компьютерную анимацию под названием «Колибри». [24] В 1968 году на БЭСМ -4 Николай Константинов создал компьютерную анимацию под названием «Котенок» , изображающую передвигающуюся кошку. [25] В 1971 году была создана компьютерная анимация под названием «Метаданные», показывающая различные формы. [26]
Ранним шагом в истории компьютерной анимации стало продолжение фильма 1973 года «Мир Дикого Запада» , научно-фантастического фильма об обществе, в котором роботы живут и работают среди людей. [27] В продолжении, «Мир будущего» (1976), использовались каркасные 3D- изображения, на которых были изображены компьютерно-анимированные рука и лицо, созданные выпускниками Университета Юты Эдвином Кэтмаллом и Фредом Парком . [28] Эти изображения первоначально появились в их студенческом фильме «Компьютерная анимационная рука» , который они завершили в 1972 году. [29] [30]
О разработках в технологиях CGI сообщается каждый год на SIGGRAPH , [31] ежегодной конференции по компьютерной графике и интерактивным методам, которую ежегодно посещают тысячи компьютерных специалистов. [32] Разработчики компьютерных игр и 3D-видеокарт стремятся добиться на персональных компьютерах в реальном времени того же визуального качества, которое возможно для CGI-фильмов и анимации. С быстрым развитием качества рендеринга в реальном времени художники начали использовать игровые движки для рендеринга неинтерактивных фильмов, что привело к появлению художественной формы машинимы .
Короткометражные компьютерные фильмы производятся как независимая анимация с 1976 года . аниме -фильм «Голго 13: Профессионал» (1983). [35] VeggieTales — первый американский полностью трехмерный компьютерный анимационный сериал, продаваемый напрямую (сделанный в 1993 году); его успех вдохновил другие анимационные сериалы, такие как ReBoot (1994) и Transformers: Beast Wars (1996), принять полностью компьютерный стиль.
Первым полнометражным компьютерным анимационным телесериалом стал ReBoot , [36] дебютировавший в сентябре 1994 года; В сериале рассказывается о приключениях персонажей, живших внутри компьютера. [37] Первый полнометражный компьютерный анимационный фильм — «История игрушек» (1995), снятый Disney и Pixar : [38] [39] [40] после приключения, сосредоточенного вокруг антропоморфных игрушек и их владельцев, этот новаторский фильм. был также первым из многих полностью компьютерных анимационных фильмов. [39]
Популярность компьютерной анимации (особенно в области спецэффектов ) резко возросла в современную эпоху анимации в США . [41] В таких фильмах, как «Аватар» (2009) и «Книга джунглей» (2016), большую часть времени используется компьютерная графика, но при этом в состав актеров по-прежнему входят люди. [42] Компьютерная анимация в эту эпоху достигла фотореализма до такой степени, что компьютерные анимационные фильмы, такие как «Король Лев» (2019), могут продаваться так, как если бы они были игровыми. [43] [44]
В большинстве систем компьютерной 3D-анимации аниматор создает упрощенное представление анатомии персонажа, которое аналогично скелету или фигурке . [45] Они расположены в положении по умолчанию, известном как поза привязки или Т-поза. Положение каждого сегмента скелетной модели определяется переменными анимации, или сокращенно аварами . В персонажах людей и животных многие части модели скелета соответствуют реальным костям, но скелетная анимация также используется для анимации других вещей с чертами лица (хотя существуют и другие методы анимации лица ). [46] Например, персонаж «Вуди» в «Истории игрушек» использует 712 аваров (212 только на лице). Компьютер обычно не отображает модель скелета напрямую (она невидима), но он использует модель скелета для расчета точного положения и ориентации определенного символа, который в конечном итоге преобразуется в изображение. Таким образом, изменяя значения аваров с течением времени, аниматор создает движение, заставляя персонажа перемещаться из кадра в кадр.
Существует несколько методов генерации значений Avar для получения реалистичного движения. Традиционно аниматоры-мультипликаторы напрямую манипулируют аварцами. [47] Вместо того, чтобы устанавливать авары для каждого кадра, они обычно устанавливают авары в стратегические точки (кадры) во времени и позволяют компьютеру интерполировать или анимировать между ними в процессе, называемом ключевым кадром . Ключевые кадры передают контроль в руки аниматора и имеют корни в традиционной рисованной анимации . [48]
Напротив, новый метод, называемый захватом движения , использует кадры живых выступлений . [49] Когда компьютерная анимация основана на захвате движения, настоящий исполнитель разыгрывает сцену так, как если бы он был персонажем, которого нужно анимировать. [50] Их движение записывается на компьютер с помощью видеокамер и маркеров, а затем эти характеристики применяются к анимированному персонажу. [51]
Каждый метод имеет свои преимущества, и по состоянию на 2007 год в играх и фильмах в производстве используется один или оба этих метода. Анимация по ключевым кадрам может создавать движения, которые было бы сложно или невозможно воспроизвести, а захват движения может воспроизводить тонкости работы конкретного актера. [52] Например, в фильме 2006 года «Пираты Карибского моря: Сундук мертвеца » Билл Найи сыграл персонажа Дэви Джонса . Несмотря на то, что Найи сам не появляется в фильме, его игра пошла на пользу фильму, поскольку были записаны нюансы его языка тела, позы, выражения лица и т. д. Таким образом, захват движения уместен в ситуациях, когда требуется правдоподобное, реалистичное поведение и действия. но типы требуемых персонажей превосходят то, что можно сделать в обычных костюмах.
Компьютерная 3D-анимация сочетает в себе 3D-модели объектов и запрограммированное или созданное вручную движение. Эти модели состоят из геометрических вершин, граней и ребер в трехмерной системе координат. Объекты лепятся так же, как настоящая глина или гипс, работая от общих форм к конкретным деталям с помощью различных инструментов для лепки. Если 3D-модель не предназначена для однотонной окраски, для реалистичности ее необходимо раскрасить « текстурами ». Система анимации костей/суставов настроена на деформацию CGI-модели (например, чтобы заставить гуманоидную модель ходить). В процессе, известном как такелаж , виртуальной марионетке даются различные контроллеры и ручки для управления движением. [53] [54] Анимационные данные могут быть созданы с использованием захвата движения или построения ключевых кадров человеком-аниматором, или их комбинации. [55]
3D-модели, предназначенные для анимации, могут содержать тысячи контрольных точек — например, «Вуди» из «Истории игрушек» использует 700 специализированных контроллеров анимации. Студия Rhythm and Hues Studios два года трудилась над созданием Аслана в фильме « Хроники Нарнии: Лев, колдунья и платяной шкаф» , в котором было около 1851 контроллера (742 только на лице). В фильме 2004 года «Послезавтра» дизайнерам пришлось моделировать экстремальные погодные условия с помощью видеоотсылок и точных метеорологических фактов. В ремейке «Кинг-Конга » 2005 года актер Энди Серкис помогал дизайнерам определить главное местонахождение гориллы в кадрах и использовал его выражения лица для моделирования «человеческих» характеристик существа. Ранее Серкис озвучивал и играл Голлума в трилогии Дж. Р. Р. Толкина « Властелин колец» .
Компьютерную анимацию можно создать с помощью компьютера и программного обеспечения для анимации. Некоторой впечатляющей анимации можно добиться даже с помощью базовых программ; однако рендеринг может потребовать много времени на обычном домашнем компьютере. [56] Профессиональные аниматоры фильмов, телевидения и видеоигр могут создавать фотореалистичную анимацию с высокой детализацией. Для создания такого уровня качества киноанимации на домашнем компьютере потребуются сотни лет. Вместо этого используется множество мощных компьютеров -рабочих станций . [57] Компьютеры графических рабочих станций используют от двух до четырех процессоров, они намного мощнее, чем настоящий домашний компьютер, и специализируются на рендеринге. Многие рабочие станции (известные как « ферма рендеринга » ) объединены в сеть, эффективно действуя как гигантский компьютер, [58] в результате чего создается компьютерно-анимационный фильм, который можно завершить примерно за один-пять лет (однако этот процесс не состоит из исключительно рендеринга). Рабочая станция обычно стоит от 2000 до 16 000 долларов, причем более дорогие станции могут выполнять рендеринг намного быстрее благодаря более технологически продвинутому оборудованию, которое они содержат. Профессионалы также используют цифровые кинокамеры , средства захвата движения/ перформанса , синие экраны , программное обеспечение для редактирования фильмов , реквизит и другие инструменты, используемые для анимации фильмов. Такие программы, как Blender, позволяют людям, которые не могут позволить себе дорогое программное обеспечение для анимации и рендеринга, работать так же, как и те, кто использует оборудование коммерческого уровня. [59]
Реалистичное моделирование черт лица человека — один из самых сложных и востребованных элементов компьютерной графики. Компьютерная лицевая анимация — очень сложная область, модели которой обычно включают очень большое количество переменных анимации. [60] Исторически сложилось так, что первые учебные пособия SIGGRAPH по современному состоянию лицевой анимации в 1989 и 1990 годах оказались поворотным моментом в этой области, объединив и объединив множество элементов исследования, и вызвали интерес среди ряда исследователей. [61]
Система кодирования действий лица (с 46 «единицами действия», «прикусом губы» или «косоглазием»), разработанная в 1976 году, стала популярной основой для многих систем. [62] Еще в 2001 году MPEG-4 включал 68 параметров анимации лица (FAP) для губ, челюстей и т. д., и с тех пор эта область добилась значительного прогресса, и использование микровыражений лица увеличилось. [62] [63]
В некоторых случаях аффективное пространство , модель эмоционального состояния PAD , может использоваться для присвоения лицам аватаров определенных эмоций . [64] В этом подходе модель PAD используется в качестве эмоционального пространства высокого уровня, а пространство нижнего уровня представляет собой параметры анимации лица (FAP) MPEG-4. Пространство параметров частичного выражения (PEP) среднего уровня затем используется в двухуровневой структуре – сопоставлении PAD-PEP и модели трансляции PEP-FAP. [65]
Реализм в компьютерной анимации может означать, что каждый кадр выглядит фотореалистично , в том смысле, что сцена визуализируется так, чтобы напоминать фотографию, или делает анимацию персонажей правдоподобной и реалистичной. [66] Компьютерная анимация также может быть реалистичной как с фотореалистичной визуализацией , так и без нее . [67]
Одной из тенденций в компьютерной анимации стала попытка создать человеческих персонажей, которые выглядят и двигаются с высочайшей степенью реализма. Возможным результатом попытки создать приятные, реалистичные человеческие персонажи является «зловещая долина» — концепция, при которой человеческая аудитория (до определенного момента) имеет тенденцию вызывать все более негативную, эмоциональную реакцию по мере того, как человеческая копия выглядит и ведет себя все более и более по-человечески. Фильмы, в которых были попытки фотореалистичных человеческих персонажей, такие как « Полярный экспресс» , [68] [69] [70] «Беовульф » [71] и «Рождественская песнь» [72] [73], подверглись критике как «сбивающие с толку» и «жуткие».
Цель компьютерной анимации не всегда состоит в том, чтобы максимально точно имитировать живое действие, поэтому во многих анимационных фильмах вместо этого используются персонажи, которые являются антропоморфными животными, легендарными существами и персонажами, супергероями или иным образом имеют нереалистичные, мультяшные пропорции. [74] Компьютерную анимацию также можно адаптировать для имитации или замены других видов анимации, таких как традиционная покадровая анимация (как показано в фильмах «Смытый» или «Арахисовый фильм »). Некоторые из давних основных принципов анимации , таких как сжатие и растяжение , требуют движения, которое не является строго реалистичным, и такие принципы до сих пор широко применяются в компьютерной анимации. [75]
Популярность веб-сайтов , которые позволяют участникам загружать свои собственные фильмы для просмотра другими, привела к появлению растущего сообщества независимых компьютерных аниматоров- любителей . [76] Благодаря утилитам и программам, которые часто входят в состав современных операционных систем бесплатно , многие пользователи могут создавать свои собственные анимационные фильмы и короткометражки. Также существует несколько бесплатных приложений для анимации с открытым исходным кодом . Легкость распространения этих анимаций привлекла и профессиональных аниматоров. Такие компании, как PowToon и Vyond, пытаются преодолеть этот разрыв, предоставляя любителям доступ к профессиональной анимации в виде клипартов .
Самые старые (наиболее обратно совместимые) веб-анимации представлены в формате GIF , который можно легко загрузить и просмотреть в Интернете. [77] Однако формат растровой графики GIF-анимации замедляет загрузку и частоту кадров, особенно на экранах больших размеров. Растущий спрос на более качественную веб-анимацию был удовлетворен альтернативой векторной графике , основанной на использовании плагина . На протяжении десятилетий Flash-анимация была распространенным форматом, пока сообщество веб-разработчиков не отказалось от поддержки плагина Flash Player . Веб-браузеры на мобильных устройствах и мобильных операционных системах никогда полностью не поддерживали плагин Flash.
К этому времени пропускная способность Интернета и скорость загрузки увеличились, что сделало растровую графическую анимацию более удобной. Некоторые из более сложных векторных графических анимаций имели более низкую частоту кадров из-за сложной рендеринга по сравнению с некоторыми альтернативами растровой графики. Многие GIF- и Flash-анимации уже были преобразованы в цифровые видеоформаты, совместимые с мобильными устройствами, а размер файлов уменьшен с помощью технологии сжатия видео . Однако совместимость по-прежнему была проблематичной, поскольку для некоторых видеоформатов, таких как Apple QuickTime и Microsoft Silverlight, требовались плагины. YouTube также использовал плагин Flash для доставки цифрового видео в формате Flash Video .
Последней альтернативой являются анимации, совместимые с HTML5 . Такие технологии, как JavaScript и CSS-анимация, сделали последовательность перемещения изображений на веб-страницах HTML5 более удобной. Анимация SVG предлагала векторную графическую альтернативу исходному графическому формату Flash SmartSketch . YouTube предлагает альтернативу HTML5 для цифрового видео. APNG (Animated PNG) предложил растровую графическую альтернативу анимированным файлам GIF, которая обеспечивает многоуровневую прозрачность, недоступную в GIF.
Компьютерная анимация использует различные методы создания анимации. Чаще всего сложная математика используется для манипулирования сложными трехмерными многоугольниками , применения к ним « текстур », освещения и других эффектов и, наконец, визуализации полного изображения. Сложный графический интерфейс пользователя может использоваться для создания анимации и организации ее хореографии. Другой метод, называемый конструктивной твердотельной геометрией, определяет объекты путем выполнения логических операций над правильными формами и имеет то преимущество, что анимацию можно точно создавать при любом разрешении.
Некоторые известные продюсеры компьютерных анимационных художественных фильмов включают:
В 2022 году было выпущено множество высококачественных моделей преобразования текста в видео, систем искусственного интеллекта, которые могут генерировать видеоклипы из подсказок текста.
СМИ, связанные с компьютерной анимацией, на Викискладе?