Лекція 1. Анімація. Види анімації. Комп’ютерна анімація
Порівняння растрової та векторної анімації
Історія анімації
Анімація – це відтворення руху шляхом відображенняпослідовності малюнків-кадрів із частотою, при якій забезпечується цілісне зорове сприйняття образів.
А
німація може бути зроблена лише з використанням розуміння фундаментального принципу роботи людського зору – інертності зорового сприйняття. Наприклад, якщо в темній кімнаті вимкнути телевізор, що працював, чи екран монітора, то ще деякий час екран буде світлим. Якщо запалити лампу, то око це помітить миттєво. А от якщо лампу вимкнути, то око буде бачити її зображення ще 1/16 секунди. Фактично людське око бачить світлові хвилі більш тривалий час, ніж вони існують. На цій властивості людських очей побудоване кіно.Експерименти з анімацією були розпочаті з виготовлення різних оптичних іграшок. Вони працювали на такому принципі: попереднє зображення ще зберігається в очах, а око вже бачить наступне зображення. Зображення ніби накладаються один на одне, тому можна побачити загальну картинку. Вперше цей принцип був продемонстрований у 1828 році французом, Паулем Рогетом (Paul Roget). Це був диск, на одному боці якого був зображений птах, а на іншому – порожня клітка. Коли диск обертався, птах з'являвся в клітці (рис. 1.1.1).
Рис. 1.1.1. Оптичні іграшки й апарати
Наступним кроком було виготовлення апаратів, які створювали враження картинок, що рухаються (рис. 1.1.2).
Рис. 1.1.2. Оптичні іграшки й апарати
Вознесенський А. С., згодом відомий сценарист російського кіно, у віці сімнадцяти років напросився на бесіду зі Львом Толстим. Це було в 1897 році, а двадцять років поспіль Вознесенський зізнався, що від цієї зустрічі в його пам'яті утрималася лише одна деталь: "Більше всього мене зацікавила та річ, що Лев Миколайович взяв зі стола й перебирав пальцями під час бесіди... Це була крихітна книжечка (рис. 1.1.3), яку він притримував лівою рукою за корінець, великим пальцем правої руки він змушував швидко перевертатися всі сторінки її, і від цього балерина, зображена на сторінках, повільно піднімала й потім опускала ногу".
Рис. 1.1.3. Анімація з використанням невеличкої книжечки
Така іграшка називалася "фоліоскопом" і належала до великого сімейства оптичних приладів, що носили імена зі схожими закінченнями: зоотроп, фантаскоп, стробоскоп, тауматроп, праксипоскоп.Усі вонитим або іншим чином передавали рух, точніше, створювали ілюзію руху.
Анімаційне кіно –це особливий вид кіномистецтва,в основіякого лежить оживання на екрані різних неживих об'єктів. Раніше більше розповсюдженим був термін "мультиплікація" (multiplicatio – множення).
Ц
я назва відповідала двом найпоширенішим методам одержання зображення – мальованому й об'ємному. Мальована анімація може бути виконана покадровою зйомкою графічної інформації, тіньової (силуетної), заснованої на плоских маріонетках і перекладках, включаючи колажі. Об'ємна анімація робиться покадровою зйомкою ляльок або барельєфів.Протягом усього існування людство намагалося відобразити відчуття руху у своєму мистецтві.
Розробка фотокамери й проектора Томасом А. Едісоном (Thomas A. Edison) та іншими забезпечило перший реальний практичний спосіб створення анімації.
Першим мультфільмом, що одержав широку популярність, стала 1906 році стрічка Дж. Стюарта Блектона "Смішні обличчя", що становила серію простеньких малюнків із зображенням веселих гримас (рис. 1.1.4).
Рис. 1.1.4. Кадри першого відомого мультиплікаційного фільму
Уолт Дісней (1901 – 1966), американський режисер, художник, продюсер (справжнє ім'я – Уолтер Елайос) у 1923 році випускає серію "Аліса в країні мультиплікації". У 1928 році випускає звуковий мультфільм "Пароплавик Віллі", де вперше з'являється герой Міккі Маус.
Історія комп'ютерної анімації тісно пов'язана з появою і розвитком спеціалізованих графічних програмних пакетів. Першим кроком у технології візуальних ефектів була, вигадана в 1961 році Іваном Сазерлендом система Sketchpad, яка започаткувала еру комп'ютерної графіки. В цій системі за допомогою світлового пера користувачі могли створювати малюнки безпосередньо на екрані монітора (рис. 1.1.5).
Рис. 1.1.5. Система Sketchpad
1967 році Сазерленд разом із Девідом Евансом розпочали роботу зі створення навчального курсу комп'ютерної графіки. Зріс інтерес до цієї галузі. В університеті штату Юта (США), де були започатковані такі дослідження, в цей час працювали: Джим Кларк – засновник компанії Silicon Graphics Inc., Ед Кетмул – один із "піонерів" у галузі створення фільмів за допомогою комп'ютера, Джон Вернок – засновник компанії Adobe Systems.
1986 році фірма AT&T випустила перший пакет для роботи з анімацією на персональних комп'ютерах (TOPAS), який коштував 10 000 доларів і працював на комп'ютерах із процесором Intel286 й операційною системою DOS. У 1990 році фірма AutoDesk розпочала продаж продукту
3D Studio. У 1997 році компанія Macromedia придбала у компанії FutureWare невелику графічну програму для веб, з якої була започаткована нині загально відома програма комп'ютерної анімації Adobe Flash. У 1998 році розпочався випуск додатка Maya, що коштував від 15 000 до 30 000 доларів.
Для плавного відтворення анімації необхідна швидкість, що забезпечує зміну частоти кадрів не менше 10 за секунду. Для комп'ютерної анімації частота зміни кадрів за секунду екранного часу складає 10 – 16, для кінематографії – 24, для системи PAL чи SECAM телемовлення – 25, для системи NTSC телемовлення – 30. Більша кількість кадрів дозволяє домогтися плавних рухів персонажів і появи об'єктів у зображенні в різні моменти часу. При недостатній кількості кадрів стають помітні розходження в послідовних зображеннях об'єктів, що призводить до їх різких переміщень. У комп'ютерній анімації на перший план виходить розмір файла, у якому зберігаються зображення. Тому при створенні комп'ютерної анімації намагаються знайти компроміс між якістю анімації і розміром файла, що і визначає загальну кількість кадрів анімації.
Різниця між анімацією і відео полягає в тому, що відео використовує безупинний рух і розбиває його на множину дискретних кадрів, анімація використовує множину незалежних малюнків або графічних файлів, що виводяться в певній послідовності для створення ілюзії безупинного руху.
Процес створення анімації дуже простий. Фактично він будується на повторенні таких етапів:
розміщення об'єктів у заданих точках екрана;
відображення об'єктів протягом визначеного проміжку часу;
знищення об'єктів.
Растрова й векторна графіка
Звичайна графіка – це результат візуального подання реального або уявного об'єкта, отриманий традиційними методами – малюванням або друкуванням.
К
омп'ютерна графіка включає також методи і засоби створення і обробки зображень за допомогою програмно-апаратних комплексів і охоплює всі види і форми подання зображень, доступних для сприйняття людиною на екрані монітора або у вигляді копії на певному носії.З
алежності від способу опису та формування зображення розрізняють растрову, векторну та фрактальну графіку.Історично термін "растр" вказував на те, що пристрій у процесі відтворення зображення використовує набори пікселів (точок), організовані вигляді послідовностей рядків розгортки. Растрові дані є набором числових значень, які визначають кольори окремих пікселів, упорядкованих таким чином, щоб їх легко було відобразити на растрових пристроях.
Растрова графіка використовується в випадках, коли потрібна висока точність у передачі кольорів і напівтонів. Однак при цьому розміри файлів суттєво збільшуються зі зростанням роздільної здатності (одиниці, десятки і сотні Мбайт). До недоліків растрової графіки, окрім великих розмірів файлів, слід віднести пікселізацію зображень при їх збільшенні та деформацію при зменшенні.
векторній графіці базовим елементом зображення є лінія, яка описується математично як єдиний об'єкт, тому обсяг даних для відображення об'єкта засобами векторної графіки суттєво менший, ніж у растровій графіці. Лінія характеризується формою, товщиною, кольором, типом (суцільна, пунктирна тощо). Замкнуті лінії мають властивість заповнення простору, що ними охоплюються, іншими об'єктами або кольором. Найпростішими лініями є пряма (нескінченна), відрізок прямої, криві другого порядку (не мають точок згину – параболи, гіперболи, еліпси, кола), криві третього порядку (можуть мати точки згину), криві Безьє (засновані на використанні пари дотичних, проведених до відрізка лінії в її кінцях, кути нахилу і довжина яких впливають на форму лінії).
Векторна графіка зручна для зберігання й обробки зображень, що складаються з ліній, або можуть бути розкладені на прості геометричні об'єкти. Векторні дані легко масштабувати та виконувати над ними інші перетворення (наприклад, повертання зображення, додавання, видалення або зміну окремих елементів зображення). Поряд із цим векторні файли важко застосувати для зберігання складних фотореалістичних зображень. Векторні дані краще відображаються на векторних пристроях виводу (плотерах, дисплеях із довільним скануванням). Ефективно векторну графіку можна відобразити тільки на растрових дисплеях із високою роздільною здатністю.
На рис. 1.1.6 подано приклад масштабування растрової та векторної графіки. З цього прикладу можна побачити, як у випадку з растровою графікою спостерігається погіршення якості, нерівність країв об'єктів, неоднорідність заливання й т. д. У ході масштабування векторної графіки якість малюнка не залежить від його розмірів, малюнок можна збільшувати в багато разів, не спостерігаючи при цьому яких-небудь змін якості.
Рис. 1.1.6. Порівняння масштабування векторної та растрової графікиФрактальна графіка, як і векторна, заснована на математичних обчисленнях. Її базовим елементом є математична формула, виключно на основі якої будується зображення. Таким способом будують як найпростіші регулярні структури, так і складні ілюстрації, що імітують природні ландшафти і тривимірні об'єкти.
Слід підсумувати викладене й сформулювати види, якими може бути подана анімація: класична (мальована), лялькова, flash-анімація, 3D-анімація.
Розглядаючи види програмної анімації, можна виділити три види:
анімація на основі зміни окремих графічних елементів;
анімація на основі векторного морфінгу (Flash-анімація);
програмна тривимірна анімація.
Криві Безьє
Криві Безьє були розроблені у 60-х роках XX століттях незалежно один від одного П'єром Безьє з автобудівної компанії "Рено" і Полем де Кастелжо з компанії "Сітроен", де застосовувалися для проектування кузовів автомобілів. Незважаючи на те, що відкриття де Кастельжо було зроблено трохи раніше, ніж Безьє, його дослідження не публікувалися й ховалися компанією як виробнича таємниця до кінця 1960-х років. Криві Безьє були опубліковані в 1962 році П'єром Безьє. Ім'ям де Кастельжо названий розроблений ним рекурсивний метод обчислення й побудови кривих (алгоритм де Кастельжо).
Згодом це відкриття стало одним із найважливіших інструментів систем автоматизованого проектування і програм комп'ютерної графіки.
Крива Безьє – параметрична крива, що задається виразом:
де Pi – функція компонентів векторів опорних вершин;
bi,n(t) – базисні функції кривій Безьє, називані також поліномами Бернштейна.
де n – ступінь полінома;
i – порядковий номер опорної вершини.
Кубічні криві Безьє (рис. 1.1.7).
Рис. 1.1.7. Кубічні криві Безьє
Кубічні криві Безьє (n 3), що широко використовуються в графічних редакторах, задаються рівнянням:
Система кривих Безьє, заснована на тригонометричних формулах, виявилася дуже вдалою й простою у використанні, була покладена в основу графічних і багатьох інших програм. У комп'ютерній графіці криві Безьє займають одне з головних місць. Це не тільки основа векторної графіки, але й спосіб опису шрифтів, універсальний спосіб передачі виділення. Використовуючи однаковий принцип побудови кривих Безьє, з ними однаково легко працювати в будь-якій програмі.
Основна функція кривих Безьє – малювання геометричних фігур різної складності. За допомогою кривих Безьє створення складних геометричних фігур зводиться до дуже простих й інтуїтивно зрозумілих маніпуляцій. Фігури, отримані таким чином, можна трансформувати й масштабувати без втрати якості (це одна з головних переваг векторної графіки) [28]. Інше основне призначення кривих Безьє – виділення. Розмір файла від додавання в нього контуру майже не збільшується.
Види анімаційних документів і додатків
Можна виділити основні сфери застосування програмної анімації:
Анімовані елементи оформлення сайтів для залучення уваги відвідувачів, використання програмної анімації в рекламних банерах.
Анімовані елементи користувальницького інтерфейсу (динамічні курсори, кнопки і т. д). За допомогою програмної анімації можна створювати цікаві ефекти реагування на дії користувача. Такі елементи керування можуть реагувати більш вибірково на дії користувача, наприклад, відслідковуючи напрями руху курсора миші або частоту натискань її кнопки.
елементи анімаційних фільмів. Можливо застосування програмної анімації разом зі звичайною, "ручною" анімацією. Програмна анімація гарна для створення циклічних фонових процесів. На відміну від звичайних циклів анімації, створених вручну, можна одержати більш складний і неповторний рух, а також більш цікаві варіанти руху залежно від дій користувача.
Ілюстрації різних процесів для навчальних програм. Програмна анімація цікава для ілюстрації деяких фізичних процесів і для побудови графіків математичних залежностей, діаграм у формах голосування.
Ігри. Ускладнення поводження об'єктів і персонажів у грі залежно від подій, що відбуваються, і введення випадкових складових дозволяє створювати більш цікаві ігри.
Одним із потужних програмних продуктів, призначеним для створення комп'ютерної анімації, є Adobe Flash. Цей інструментальний засіб одержав всесвітнє поширення в основному завдяки вдалому сполученню інструментів як для "ручної" анімації за допомогою комп'ютера, так і для програмної анімації, з використанням спеціально вбудованої мови програмування Action Script.
Основні підходи до створення комп'ютерної анімації
Комп'ютерну анімацію можна розділити на два основних типи:
1)анімація, створена з використанням підходів, які застосовуються у звичайній анімації, але отримана завдяки комп'ютеру;
комп'ютер використовується не тільки для створення й відображення кадрів, але й для динамічної зміни властивостей об'єктів, програмним способом можна задавати поводження об'єктів, їхню реакцію на зовнішні впливи, створювати сцени й управляти об'єктами на основі алгоритмічного підходу й т. д.
Другий тип анімації називають програмною анімацією.
Об'єкти у програмній анімації можуть бути створені дизайнером на етапі проектування або згенеровані динамічно. Досить часто застосовується зміна координат об'єкта, його розміри, кут повороту, динамічні з прозорістю, що змінюється. Контроль за властивостями об'єктів і керування ними можуть здійснюватися з окремого кліпу. Але також розповсюджений підхід, коли об'єкт містить у собі всю необхідну функціональність, максимально незалежний у поводженні від інших об'єктів у кліпі й сам контролює своє поводження.
Об'єкти, на яких будується програмна анімація, бувають як простими (окружності, відрізки, відрізки-крапки тощо), так і досить складними – це можуть бути, наприклад, кліпи з анімацією з декількома рівнями вкладеності.
За одним із питань створити реферат або презентацію
Опишіть принципи, на яких заснована анімація. Які оптичні іграшки вам відомі?
З чого починається історія комп'ютерної анімації? Опишіть основні етапи.
У чому полягає різниця між растровою, векторною й фрактальною графікою?
Розкажіть про сутність, призначення й математичний зміст кривих Безьє.
Опишіть сфери використання комп'ютерної анімації.