Modul 5 Dynamika sceny graficznej i animacja, Transport sudia, Grafika komputerowa
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
Dynamika sceny graficznejianimacja
1. Dynamika sceny graficznej
2. Symulacja zachowań elementów sceny graficznej—animacja
3. Podstawowe pojęcia animacji
4. Techniki animacji klasycznej i komputerowej
5. Techniki wizualizacji animacji na wyświetlaczach
1
1. Dynamika sceny graficznej
Obrazy statyczne (zdjęcia, rysunki, wykresy statyczne) nie zawsze oddają istotę zja-
wisk, których są ilustracją. Niekiedy, szczególnie w przypadku zjawisk, których ob-
raz zależy od momentu obserwacji, konieczne jest przedstawienie ciągłego i płynnie
zmieniającego się obrazu sceny. Scenę graficzną, na której zachodzą ciągłe zmiany,
nazywamy
sceną dynamiczną
.
Pod pojęciem
dynamiki sceny
rozumiemy zmiany, które występują w sekwencji obra-
zów sceny, włączając w to zmiany pozycji, wielkości, właściwości materiałów (tekstu-
ry), oświetlenia i parametrów obserwacji — w istocie zmiany dowolnych elementów
sceny lub wykorzystywanych metod przekształceń, cieniowania albo renderingu.
Ze względu na rodzaj zmienianych elementów sceny lub ich parametrów możemy
wyodrębnić następujące rodzaje dynamiki:
1. Dynamika ruchu
— najczęściej stosowany sposób dynamizowania elementów sceny.
Polega na zmianie położenia obiektów na scenie.
2. Dynamika odkształceń
— ten sposób dynamizowania sceny umożliwia realizację
różnych jakościowo efektów. Ze względu na rodzaj stosowanych przekształceń
możemy wyróżnić następujące grupy dynamiki odkształceń:
— deformacje kształtu obiektów
— najprostszym sposobem takiej deformacji jest
zastosowanie działania wybranych modyfikatorów — w przestrzeni dwuwy-
miarowej może to być zmiana właściwości połączenia segmentów; w przestrze-
ni trójwymiarowej działanie modyfikatorów zgniatania lub wyciągania (ang.
skretch
) czy też skręcania (ang.
twist
). Spośród tej grupy deformacji wyróżniają
się dwie metody, które mają szczególne znaczenie i zastosowania:
• warping
(nazwa nie posiada polskiego odpowiednika) — polega na deformacji
kształtu przez zmianę położenia węzłów, bez zmiany ich liczby. W przypadku
obiektów dwuwymiarowych można tę deformację porównać do zniekształce-
nia rysunku wykonanego na gumowym pasku, powstającego pod wpływem
rozciągania tego paska. W przypadku obiektów trójwymiarowych może być
efektem różnorodnych działań na siatce węzłów (np. wyciągania lub wtłacza-
nia wybranych węzłów lub płatów);
• morfing
(ang.
morphing
) — polega na „przełożeniu” tekstury z jednego obiek-
tu na drugi. Warunkiem powodzenia takiej operacji jest jednakowa liczba
węzłów w siatkach przybliżających tych obiektów i taki sam rodzaj płatów
przybliżających. Po raz pierwszy morfing zastosowano wlatach 60. XX w.
w filmie,dokonując płynnej zmiany głowy kobiecej w głowę kota;
− skalowanie obiektów
— jest to jeden z najprostszych sposobów deformacji. Po-
lega na zmianie wielkości obiektów. Większość programów umożliwia zmianę
rozmiaru obiektów w wybranym kierunku. Przykładem zastosowania tego spo-
sobu deformacji jest wizualizacja wzrostu roślin;
− odkształcenia tekstury obiektów
— polegają na zmianie tekstury (w tym także
barwy i sposobu wypełnienia) pojedynczych płatów siatki przybliżającej lub
ich wybranej grupy. Stosowane są w przypadkach konieczności ukazania np.
procesu starzenia się obiektów (przebarwienia liści) lub zmiany ich barwy (po-
jawiające się rumieńce na twarzach).
3. Dynamika oświetlenia
— polega na zmianie położenia źródeł światła lub parame-
trów stosowanego oświetlenia. W tym przypadku nie możemy zmieniać rodzaju
oświetlenia. Stosowane jest np. do symulacji zmian pory dnia.
2
4. Dynamika parametrów obserwacji
— polega na zmianie położenia kamery lub war-
tości jej parametrów. W wielu przypadkach, zmieniając wartości parametrów ka-
mery, można osiągnąć takie same rezultaty, jak przy wprawieniu jej w ruch (zmia-
na ogniskowej kamery daje takie same efekty, jak jej zbliżanie lub oddalanie).
Oprócz wyżej wymienionych sposobów dynamizowania sceny stosuje się także inne
metody opierające się na
zmianie metod obliczania efektów renderingu
(np. zmianie
sposobu obliczania efektów oświetlenia z metody śledzenia promieni na metodę
energetyczną).
Najczęściej wprowadzenie dynamiki sceny ma służyć:
1. Ukazaniu większej liczby szczegółów obiektów (jest to ważne zwłaszcza przy
strukturalnych modelach naukowych).
2. Ukazaniu zależności między elementami składowymi obiektów złożonych.
3. Uwypukleniu upływu czasu.
4. Wizualizacji dynamiki modelowanych procesów.
W procesie dynamizowania sceny konieczne jest zastosowanie się do wszystkich
praw fizyki wprzypadku każdego elementu dynamizowanego obiektu. Do najczę-
ściej wykorzystywanych praw fizykinależą:
— równania ruchu,
— prawa dynamiki,
— zasady zachowania: pędu, momentu pędu i energii,
— prawa dynamiki bryły sztywnej (szczególnie przy ruchu obrotowym obiektów),
— prawo powszechnego ciążenia.
Dla podkreślenia niektórych paradoksalnych właściwości lub cech wybranych obiek-
tów stosuje się
dynamikę odwrotną
, tzn. sekwencje niepodlegające prawom fizyki.
Przykładem zastosowania dynamiki odwrotnej są niektóre zachowania bohaterów
popularnych filmów rysunkowych.
Bardzo ważną cechą sceny dynamicznej jest możliwość zastosowania
interakcyjnej
kontroli obserwatora
, która polega na wprowadzaniu — podczas wizualizacji obrazu
sceny — przez obserwatora zmian w cyfrowo zapisanych danych w modelu zasto-
sowań. Oczywiście, nie wszystkie sceny dynamiczne stwarzają takie możliwości, ale
wszyscy twórcy programów użytkowych (nie tylko graficznych)korzystają z możli-
wości wprowadzenia interakcji w interfejsach graficznych.
3
2. Symulacja zachowań elementów
sceny graficznej— animacja
W graficekomputerowejpodpojęciem
animacji
rozumiemy symulację dynamiki sce-
ny przez wyświetlanie sekwencji mało różniących się obrazów sceny w odpowied-
niej kolejności i z odpowiednią częstotliwością. Animacja jest sposobem wizualizacji
sceny dynamicznej.
Choć często myślimy o animacji jako o synonimie ruchu, pojęcie to obejmuje wszyst-
kie zmiany, które dają efekt wizualny.
Do zakresu pojęciowego animacji należą:
1. Wizualizacja zmian pozycji obiektów w czasie (animacja ruchu — ang.
motion
animation
).
2. Wizualizacja zmian kształtu i wielkości obiektów (ang.
shape animation
).
3. Wizualizacja zmian barwy obiektów.
4. Wizualizacja zmian struktury obiektów.
5. Wizualizacja zmian tekstury obiektów.
6. Wizualizacja zmian oświetlenia sceny.
7. Wizualizacja zmian położenia i właściwości kamery.
8. Wizualizacja zmian metod renderingu.
Istota animacji polega na wykorzystaniu właściwości oka, zwanej
bezwładnością
, po-
legającej na blokowaniu tego receptora przez pewien czas po zadziałaniu na niego
impulsu świetlnego. Czas tej blokady wynosi około 8–10 milisekund (jest to czas
potrzebny na przetworzenie impulsu świetlnego na impulsy elektryczne w synapsach
siatkówki), a obraz impulsu jest wygaszany po około 40 milisekundach (jest to czas
przesyłania informacji zakodowanej w postaci impulsów elektrycznych przez neuro-
ny i przetworzenia ich przez komórki mózgu).
Jeśli będziemy przesyłać ciąg statycznych obrazów, w którym każdy następny różni
się nieznacznie od poprzedniego, z odpowiednią częstotliwością (10 do 30 obrazów
na sekundę), to będziemy widzieć go jako film,wktórym zmiany są płynne. Każdy
ze statycznych obrazów w ciągu nazywamy
klatką
.
Zostały przyjęte pewne standardy dotyczące częstotliwości wyświetlania klatek. Jed-
nostką tej częstotliwości jest liczba klatek wyświetlanych w ciągu jednej sekundy,
oznaczana w skrócie
fps
(ang.
frame per second
). Przyjmuje się, że już przy często-
tliwości 12 fps projekcja animacji będzie postrzegana jako płynna. Dla filmu kla-
sycznego częstotliwość wyświetlania klatek (filmowych) wynosi 24 fps. Wstandar-
dzie europejskim przesyłania obrazów telewizyjnych prędkość odtwarzania klatek
telewizyjnych wynosi 25 fps. W standardzie SECAM, zapożyczonym z kontynentu
amerykańskiego, prędkość odtwarzania wynosi 30 fps.
Każda z klatek (jak również każdy inny obraz rastrowy) może być przesyłana do
systemu graficznego inastępnie do wyświetlacza rastrowego, raster po rastrze, po-
cząwszy od najwyższego. Taki sposób przesyłania obrazów jest związany z długim
okresem pojawiania się go na wyświetlaczu. Lepszym sposobem jest przesyłanie ob-
razu z przeplotem, czyli rozpoczynając od najwyższej linii pikseli, następnie linie
4
o numerach będących kolejnymi wielokrotnościami wybranej liczby parzystej (np.
dla 8 będą to linie: 8, 16, 24 itd.), a później odpowiednie uzupełnianie wyświe-
tlania o linie pośrednie (np. seria linii: 3, 6, 9, 12, 15, 18 itd., a później: 2, 4, 5, 7
itd.). Przesyłanie i wyświetlanie obrazów (klatek) z przeplotem w znaczący sposób
zmniejsza czas oczekiwania na pojawienie się całego obrazu, choć nie zmienia rze-
czywistego czasu jego projekcji — postrzegamy cały obraz, nie dostrzegając braku
niektórych rastrów.
Animację stosuje się obecnie prawie wszędzie. Do najważniejszych obszarów jej za-
stosowania należą:
1. Przemysł rozrywkowy
W przemyśle rozrywkowym najczęściej wykorzystuje się:
— efekty specjalne w filmach,
— spoty telewizyjne,
— samodzielne aplikacje.
2. Reklama
Trudno nawet wymienić wszystkie zastosowania animacji w tej dziedzinie. Najważ-
niejsze z nich to zastosowania w reklamie internetowej (np. banery, reklamówki
itp.).
3. Edukacja
Największy obszar zastosowań animacji w tej dziedzinie działalności człowieka to:
— transformacja klasycznych pomocy dydaktycznych na nowoczesne (np. zmiana
dawnych filmów animowanych na współczesne animacje),
— produkcja nowoczesnych pomocy (np. dodatki multimedialne do podręczników
szkolnych),
— budowa symulatorów i trenażerów (np. wirtualne laboratoria, multimedialne te-
sty itp.),
— przy projektowanie multimedialnych tutoriali.
4. Przemysł
W tej dziedzinie zastosowań animacja stosowana jest przede wszystkim do wizuali-
zacji przebiegu procesów produkcyjnych i technologicznych.
5. Badania naukowe
Animacje bardzo często wykorzystywane są do:
— wizualizacji wyników przetwarzania sygnałów,
— wizualizacji wyników otrzymywanych w geometrii obliczeniowej,
— wizualizacji zjawisk opartej na symulacji,
— wizualizacji zjawisk niemożliwych do obserwacji w naturze,
— wizualizacji struktur fizykochemicznych.
5
[ Pobierz całość w formacie PDF ]