Компьютерная анимация — это процесс, используемый для создания анимации в цифровом виде . Более общий термин «компьютерные изображения» (CGI) охватывает как статические сцены ( неподвижные изображения ), так и динамические изображения ( движущиеся изображения ), тогда как компьютерная анимация относится только к движущимся изображениям. Современная компьютерная анимация обычно использует компьютерную 3D-графику . Целью анимации иногда является сам компьютер, а иногда — фильм .
Компьютерная анимация, по сути, является цифровым преемником техник покадровой анимации , но с использованием моделей и традиционных техник анимации с использованием покадровых анимационных иллюстраций. 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 .
Для 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 . Различия во внешнем виде между ключевыми кадрами автоматически рассчитываются компьютером в процессе, известном как анимация или морфинг . Наконец, анимация визуализируется . [1]
Для 3D-анимации все кадры должны быть визуализированы после завершения моделирования. Для предварительно записанных презентаций обработанные кадры передаются в другой формат или носитель, например в цифровое видео. Кадры также могут отображаться в режиме реального времени по мере их представления аудитории конечного пользователя. Анимации с низкой пропускной способностью, передаваемые через Интернет (например, Adobe Flash , X3D ), часто используют программное обеспечение на компьютере конечного пользователя для рендеринга в реальном времени в качестве альтернативы потоковой передаче или предварительно загруженной анимации с высокой пропускной способностью.
Чтобы заставить зрительную систему увидеть плавно движущийся объект, изображения следует рисовать со скоростью около 12 кадров в секунду или быстрее. [2] ( Кадр представляет собой одно полное изображение.) 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. [3] 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.
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. [4] Другая цифровая анимация также практиковалась в Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса . [5]
В 1967 году Чарльз Цури и Джеймс Шаффер создали компьютерную анимацию под названием «Колибри». [6] В 1968 году на БЭСМ -4 Николай Константинов создал компьютерную анимацию под названием «Котенок» , изображающую передвигающуюся кошку. [7] В 1971 году была создана компьютерная анимация под названием «Метаданные», показывающая различные формы. [8]
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. [9] 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 . [10] Эти изображения первоначально появились в их студенческом фильме «Компьютерная анимационная рука» , который они завершили в 1972 году. [11] [12]
О разработках в технологиях CGI ежегодно сообщается на SIGGRAPH , [13] — ежегодной конференции по компьютерной графике и интерактивным методам, которую ежегодно посещают тысячи компьютерных специалистов. [14] 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 фильмы CGI производятся как независимая анимация с 1976 года. [15] Ранние примеры художественных фильмов, включающих CGI-анимацию, включают игровые фильмы « Звездный путь II: Гнев Хана» и «Трон» (оба 1982 года), [16] и японские фильмы. аниме- фильм «Голго 13: Профессионал» (1983). [17] 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 , [18] дебютировавший в сентябре 1994 года; В сериале рассказывается о приключениях персонажей, живших внутри компьютера. [19] Первый полнометражный компьютерный анимационный фильм — «История игрушек» (1995), снятый компаниями Disney и Pixar : [20] [21] [22] после приключения, сосредоточенного вокруг антропоморфных игрушек и их владельцев, этот новаторский фильм. был также первым из многих полностью компьютерных анимационных фильмов. [21]
Популярность компьютерной анимации (особенно в области спецэффектов ) резко возросла в современную эпоху анимации в США . [23] 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. [24] 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. [25] [26]
В большинстве систем компьютерной 3D-анимации аниматор создает упрощенное представление анатомии персонажа, которое аналогично скелету или фигурке . [27] 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 ). [28] 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. [29] 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 . [30]
Напротив, новый метод, называемый захватом движения , использует кадры живых выступлений . [31] Когда компьютерная анимация основана на захвате движения, настоящий исполнитель разыгрывает сцену так, как если бы он был персонажем, которого нужно анимировать. [32] Их движения записываются на компьютер с помощью видеокамер и маркеров, а затем эти характеристики применяются к анимированному персонажу. [33]
У каждого метода есть 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. [34] 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. [35] [36] Анимационные данные могут быть созданы с использованием захвата движения или построения ключевых кадров человеком-аниматором, или их комбинации. [37]
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. [38] 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 . [39] 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 « фермы рендеринга » ) объединены в сеть, эффективно действуя как гигантский компьютер, [40] 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 совершенному 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. [41]
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. [42] 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. [43]
Система кодирования действий лица (с 46 «единицами действия», «прикусом губы» или «косоглазием»), разработанная в 1976 году, стала популярной основой для многих систем. [44] 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. [44] [45]
В некоторых случаях аффективное пространство , модель эмоционального состояния PAD , может использоваться для присвоения лицам аватаров определенных эмоций . [46] В этом подходе модель PAD используется как эмоциональное пространство 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. [47]
Реализм в компьютерной анимации может означать, что каждый кадр выглядит фотореалистичным , в том смысле, что сцена визуализируется так, чтобы напоминать фотографию, или делает анимацию персонажей правдоподобной и реалистичной. [48] Компьютерная анимация также может быть реалистичной как с фотореалистичной визуализацией , так и без нее . [49]
Одной из самых больших проблем в компьютерной анимации было создание человеческих персонажей, которые выглядят и двигаются с высочайшей степенью реализма. Часть трудностей в создании приятных, реалистичных человеческих персонажей связана с « жуткой долиной» — концепцией, 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 использовались фотореалистичные человеческие персонажи, такие как « Полярный экспресс» , [50] [51] [52] « Беовульф » [53] и «Рождественская песнь» [54] [55], 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. [56] Компьютерная анимация также может быть адаптирована 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. [57]
Некоторые известные продюсеры компьютерных анимационных художественных фильмов включают:
Популярность веб-сайтов , которые позволяют участникам загружать свои собственные фильмы для просмотра другими, привела к появлению растущего сообщества независимых компьютерных аниматоров- любителей . [58] 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. [59] 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 самым популярным 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 популярных видеоформатов, таких как Apple QuickTime и Microsoft Silverlight, требовались плагины. YouTube , самый популярный веб-сайт для обмена видео, 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. Для создания анимации и организации ее хореографии можно использовать сложный графический интерфейс пользователя . 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.
Оживить – значит, в переносном смысле, «дать жизнь». Для этого аниматоры обычно используют два основных метода.
Компьютерная анимация известна как трехмерная ( 3D ) анимация. Создатели проектируют объект или персонажа с осями X, Y и Z. Никакие рисунки карандашом на бумаге не создают того, как работает компьютерная анимация. Созданный объект или персонаж затем будет перенесен в программное обеспечение. Ключевые кадры и анимация также выполняются в компьютерной анимации, но то же самое можно сказать и о многих методах, не связанных с традиционной анимацией . Аниматоры могут нарушать физические законы, используя математические алгоритмы для обмана правил массы , силы и гравитации . По сути, можно сказать, что временной масштаб и качество являются предпочтительным способом создания анимации, поскольку они являются основными аспектами, улучшаемыми с помощью компьютерной анимации. Еще одним положительным аспектом CGA является тот факт, что можно создать стаю существ, которые будут действовать независимо, если их создать в группе. Шерсть животного можно запрограммировать так, чтобы она развевалась на ветру и лежала ровно во время дождя, вместо того, чтобы отдельно программировать каждую прядь волос. [60]
Несколько примеров компьютерных анимационных фильмов: « История игрушек », «Муравей» , «Ледниковый период» , «Делай ноги» , «Гадкий я» , «Холодное сердце » и «Шрек» .
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 определенное местоположение. Местоположение спрайта слегка меняется между каждым отображаемым кадром, чтобы спрайт казался движущимся. [61] 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 двумерная ( 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. [62] Затем компьютер заполняет «промежуточные кадры» — процесс, широко известный как Tweening . [63] Компьютерная анимация использует новые технологии для создания контента быстрее, чем это возможно при использовании традиционной анимации , сохраняя при этом стилистические элементы традиционно нарисованных персонажей или объектов. [60]
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 » , «Анастасия» , «Титан АЭ» , «Тарзан». «Принц Египта» , «Дорога в Эльдорадо» , «Дух: Жеребец Симаррона» и «Синдбад: Легенда семи морей ».
Модель преобразования текста в видео — это модель машинного обучения , которая принимает в качестве входных данных описание на естественном языке и создает видео , соответствующее этому описанию. [64]
Прогнозирование видео для создания реалистичных объектов на стабильном фоне выполняется с использованием рекуррентной нейронной сети для модели последовательности с коннектором сверточной нейронной сети , кодирующей и декодирующей каждый кадр попиксельно, [65] создавая видео с использованием глубокого обучения . [66]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?