Создание анимированных персонажей

 

РАЗРАБОТКА ПРОЕКТА

В этой книге рассказывается о том, как создавать и оживлять персонажи анимации. Однако прежде чем непосредственно приступить к этому увлекательному процессу, представьте себе будущих героев во всех подробностях. Предварительный проект можно выполнить в виде карандашного наброска или глиняной статуэтки. Он будет играть роль «путеводителя» при планировании работы и создании компьютерных персонажей.

Типы проектов Проекты разделяются на два больших класса: реалистичные и стилизованные. В разработках первого типа имитируется действительность, и персонаж следует сверять с прообразом. Стилизация подразумевает карикатурное изображение и оставляет разработчику гораздо больше простора для фантазии.

Элементы модели При разработке модели большое значение имеют черты характера персонажа. Роль, отведенная герою в фильме, также влияет на особенности его конструкции. Если это наглый здоровяк, плечи должны быть широкими, а глаза - маленькими и блестящими, как бусинки. Большеглазый и пузатый герой выглядит мягким и покладистым. Культурист, покрытый буграми мышц, но обладающий маленькой головой, производит впечатление невежи, а большеголовый персонаж с дряблым телом выглядит гением. Теперь, когда вы уже кое-что знаете о правилах конструирования моделей, можно приступить к разработке героев для собственного мультфильма. Конкретное воплощение проекта зависит от мастерства художника и его возможностей. Одни предпочитают рисовать, другим нравится лепка, а третьи сразу садятся за компьютер. Нидерланды Культура христианской эпохи

ОСНОВЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ

Если шаблон персонажа разработан, приступайте к созданию героя. Преобразуйте имеющийся образец в трехмерную модель и включите ее в анимацию. Конструирование персонажа при помощи компьютера называется моделированием. В процессе моделирования предварительные эскизы героя превращаются в трехмерный объект, допускающий разнообразные манипуляции. Решения, принимаемые по ходу построения модели, в значительной степени влияют на ее последующую анимацию. Метод проецирования Комплексные чертежи Позиционные задачи Каталог иллюстраций

Методика моделирования На выбор конкретного варианта моделирования влияют разные факторы. Но на каком бы типе поверхности вы ни остановились, есть несколько универсальных методик.

Приемы моделирования Прежде чем приступать к моделированию, освойте предназначенные для этого инструменты. В следующих разделах дается краткий обзор основных средств, которые включены практически во все графические приложения. Многие пакеты поддерживают и другие возможности; некоторые оснащены лишь частью из того, что описывается в книге. Однако знакомство с базовым набором позволит вам быстро освоить любое программное обеспечение.

Методы полигонального моделирования Теперь, когда вы ознакомились с основными операциями, процесс моделирования на основе многоугольников уже не вызовет особых затруднений. Обычно создается какой-либо базовый объект, например параллелепипед, цилиндр или сфера. Затем он модифицируется при помощи ряда операций и приобретает более сложную форму, соответствующую очертаниям персонажа. Большинство разработчиков персонажей для кино- или видеофильмов стремятся к тому, чтобы их модели имели сглаженную поверхность и выглядели как можно более естественно. На первый взгляд кажется, что этого трудно добиться, поскольку дополнительные элементы усложняют манипулирование поверхностью.

Сглаживание поверхности и анимация Единственная проблема, возникающая в результате дробления полигональной поверхности, заключается в том, что дополнительные детали «утяжеляют» модель персонажа. Имитация быстрых движений и проведение деформаций становятся практически неосуществимыми. Для решения этой проблемы придумано несколько приемов. Большинство из них основано на том, что поверхность персонажа сглаживается после создания анимации, но до визуализации. После применения к модели булевской операции возникает масса ненужных многоугольников. Если вы посмотрите на след, появившийся в результате ее проведения, то увидите огромное количество крошечных граней, корректирующих изъяны на стыках объектов. Моделирование при помощи патчей - еще один великолепный способ создания персонажей. Патчи - это фрагменты поверхности, определяемые кривыми. Кривые могут быть линейными, фундаментальными, В-сплайнами или Безье-кривыми. Обычно патчи имеют вид четырехугольника или совокупности четырехугольников. Как уже говорилось, кривые и поверхности определяются их порядком, от которого зависит возможность управления ими. Проще всего при помощи патчей создавать регулярные поверхности -гладкие и состоящие, как правило, из единственного патча. Однопатчевые модели конструируют путем модификации примитивов; например, из сферы делают голову, а из цилиндра - тело персонажа. Иногда возникают ситуации, когда одного патча или регулярной поверхности, построенной на основе кривой, недостаточно. Например, когда в модели есть выступающие детали, расположенные таким образом, что их невозможно сконструировать из базового цилиндра, сферы или тора. Большинство пакетов работает с четырехугольными патчами. Их края можно сделать абсолютно прямыми и строить из них регулярные поверхности, что упрощает процесс наложения текстуры. Однако если пакет поддерживает только четырехугольные патчи, иногда возникают проблемы при конструировании объектов, имеющих большие выступы, например, при присоединении к туловищу ног и рук. Инструменты для манипулирования NURBS во многом похожи на инструменты, предназначенные для других типов сплайнов. При создании поверхностей, подобных сферам, к кривым могут применяться операции Lathe или Revolve. Существует несколько методов, позволяющих создавать дополнительные поверхности на основе кривых, зафиксированных на исходной поверхности. Новая поверхность прикрепляется к такой кривой. Чтобы переход между двумя поверхностями был незаметен, используются различные хитрости. Хотя перечисленных типов поверхностей более чем достаточно для создания убедительных моделей персонажей, имеется ряд других способов трехмерного конструирования, к примеру, широко применяемый метод Metaballs. Имеются два способа так включить персонаж в анимацию, чтобы обойти проблему, связанную с неупорядоченным каркасом объектов, полученных в результате применения метода Metaballs. Во-первых, модель можно использовать в качестве шаблона, загрузить в программу, поддерживающую традиционные методы моделирования, и сконструировать персонаж заново на основе многоугольников, патчей или NURBS.


МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕЛА ПЕРСОНАЖА

Ознакомившись с основами проектирования персонажей и базовыми методами моделирования, можно приступать непосредственно к конструированию героя. Строение модели зависит от утвержденного эскиза и возможностей программного обеспечения. Постарайтесь использовать все преимущества выбранного пакета. Рука состоит из трех основных костей: плечевой, лучевой и локтевой. Пропорциональным считается такое строение скелета, при котором запястье вытянутой вниз руки находится на уровне бедра Плечо состоит из двух костей. Вдоль передней стороны тела располагается ключица. Вдоль спины идет широкая кость, называемая лопаткой. Плечи соединяют руки с позвоночником и одновременно могут выполнять ряд движений. Плечами можно пожимать, двигать их вперед и назад Бедра состоят из нескольких костей, наиболее важными из которых являются тазовые. Бедра фиксируют позвоночник, и через них вес верхней части тела передается на ноги. Таким образом, они являются центром распределения массы всего тела, которое двигается относительно неподвижных бедер. Кости определяют конструкцию тела, а мышцы - форму. Человеческое тело состоит из сотен мышц, и каждая из них имеет свою функцию. Мышцы могут сокращаться и растягиваться, вызывая перемещение костей и кожи.

Большинство пакетов трехмерной графики предлагает широкий выбор средств конструирования персонажей. Можно пользоваться полигональными каркасами, патчами или поверхностями других типов, например, мембранами или методом Metaball. Модель персонажа может быть построена как единое целое или состоять из частей.

Моделирование сегментированной фигуры Патчи - великолепный инструмент моделирования. В следующем упражнении создается модель простого персонажа, имеющая шов на талии. Герой конструируется из двух элементарных сфер. Вы можете воспользоваться практически любым пакетом трехмерного моделирования, поскольку сопряжение поверхностей не требуется. В данном случае был применен метод NURBS. Сегментирование - удобный способ конструирования, но иногда требуется, чтобы персонаж имел цельную поверхность. При создании реалистичных моделей живых существ, например игуаны, шов между головой и туловищем не всегда удается скрыть. Единственный выход - повязать ящерице галстук. Многие персонажи-супермены носят одежду в обтяжку, и поэтому их модели также должны быть цельными. Второй этап - добавление деталей Большинство наиболее качественных реализаций технологии NURBS позволяет создавать плавные переходы между поверхностями. В следующем упражнении эта возможность используется для создания бесшовной модели женской фигуры. Естественно, те же приемы можно применять при конструировании любых персонажей, будь то фигура мужчины, инопланетянина, животного или кого-либо еще.


    МОДЕЛИРОВАНИЕ КИСТЕЙ РУК ДЛЯ АНИМАЦИИ

    Строение кисти руки

    Кисти рук можно рассматривать как совокупность объектов простой формы. Взгляните на собственную руку, и вы увидите, что ладонь по форме напоминает параллелепипед, а пальцы (кроме большого) похожи на цилиндры, пристыкованные к его верхней грани.

    Гибкость кистей и пальцев

    Независимо от того, каким способом вы планируете выполнять анимацию кистей рук, вам придется позаботиться об их гибкости, иначе движения будут неестественными. Диапазон движений в определенной степени зависит от поставленной задачи. В одних проектах необходимы руки, с высокой точностью воспроизводящие реальный прообраз, вплоть до формы суставов и сухожилий. В следующих упражнениях рассматриваются различные методы конструирования кистей. Наверняка хотя бы один из них подойдет для вашего проекта. В каждом упражнении создается только одна модель. Чтобы получить парную, воспользуйтесь зеркальным отражением.

    Полигональная модель

    Поскольку с многоугольниками можно обращаться достаточно свободно, они прекрасно подходят для моделирования кистей рук. Как уже говорилось, конструирование следует начинать с образца, имеющего низкое разрешение, и затем добавлять необходимые детали при помощи дробления многоугольников.

    Модель кисти на основе NURBS

    С помощью неоднородных рациональных В-сплайнов можно конструировать весьма реалистичные образцы кистей рук, хотя для этого требуются более сложные методы, чем при полигональном моделировании. Построение областей, где, пальцы стыкуются с ладонью, - довольно сложный процесс, так как NURBS-поверхности являются регулярными. По этой же причине ими труднее управлять во время анимации.

    Конструирование модели кисти руки с бесшовным запястьем

    Построим модель с бесшовной стыковкой большого пальца. Запястье при этом должно допускать бесшовную стыковку с предплечьем. Такая конструкция позволит сократить количество сопряжений между поверхностями до четырех, благодаря чему будет легче накладывать текстуру на модель и проще ее деформировать.

    Конструирование модели кисти руки с сопряжением в запястье

    Следующая модель очень похожа на предыдущую, но имеет небольшие отличия в топологии. Сплайны каркаса ладони располагаются параллельно пальцам, что облегчает конструирование костяшек пальцев и сухожилий. Но у этой модели есть и недостаток - для нее требуется пятое сопряжение поверхностей в области запястья.

    Модель из объектов Metaballs

    Использование объектов Metaballs - еще один несложный способ конструирования кисти руки со сглаженной поверхностью, который дает похожую на сегментированную модель. В следующем упражнении используются такие Metaballs-примитивы, как эллипсоиды. Однако они есть не во всех графических пакетах.

    Создание реалистичной модели кисти

    Как видите, сконструировать кисть руки довольно сложно. В предыдущих упражнениях были рассмотрены простейшие варианты, которые подойдут не для всех персонажей. Если вы создаете правдоподобную модель, следует больше внимания уделить деталям. Реалистичная кисть руки должна иметь ногти, растягивающуюся и сжимающуюся кожу; при сгибании пальцев должны быть заметны костяшки пальцев и сухожилия. Сухожилия идут от косточек к запястью. Их можно сконструировать теми же способами, что и костяшки. Добавьте дополнительные элементы к каркасу на тыльной стороне руки для имитации самих сухожилий

    Складки кожи

    Как известно, кисть руки покрыта множеством складок и линий, причем не только на ладони, но и поверх костяшек, у запястья и в других местах. При конструировании каркасов не забывайте об этом.

    Как видите, есть много способов создать модель кисти руки для последующей анимации.

     

     

    МОДЕЛИРОВАНИЕ ГОЛОВЫ

    Глаза - одна из самых выразительных черт лица, поэтому необходимо моделировать их так, чтобы ими было легко управлять. Модели глаз бывают двух основных типов: расположенные внутри головы (посаженные) и снаружи (выпуклые).

    Модель выпуклых глаз

    Данная модель глаз создается в виде отдельных объектов, построенных из элементарных сфер или цилиндров, которые размещаются на поверхности лица. Они чаще используются для создания мультипликационных персонажей, и управлять ими легче, чем расположенными внутри модели головы

    Асимметричные глаза

    Как правило, реалистичные персонажи имеют глаза в виде сферы, похожие на те, что были созданы в предыдущем упражнении. Однако стилизованным героям больше подходят удлиненные или асимметричные глаза. Их можно смоделировать несколькими способами. Брови играют важную роль при имитации различных выражений лица, поэтому их конструированию следует уделить особое внимание. В зависимости от строения модели лица, брови могут быть как частью его поверхности, так и отдельным объектом.

    Зубы

    Поскольку зуб является твердым телом, его легко сконструировать из многоугольников, но можно применить и патчи. Зубы в целом имеют прямоугольную форму и чуть закруглены на углах. Их можно создавать по одному, а затем объединить в иерархическую цепочку или сформировать сразу как единый объект Язык играет важную роль, когда анимация сопровождается речью, но не в такой степени, как может показаться.

    Соединение головы с телом

    После того как модель головы создана, необходимо сконструировать шею и присоединить ее к телу. Есть три основных способа решения данной задачи.

    Шея как часть головы

    Можно также экструдировать шею из головы и присоединить ее к телу на уровне плеч. Такое решение более предпочтительно, поскольку шва между головой и шеей не остается.

    Анатомическое строение головы и лица

    Прежде чем приступать к созданию цифровых моделей головы и лица, необходимо изучить их анатомическое строение. Из этих двух объектов более важным, безусловно, является лицо, поскольку именно его черты постоянно изменяются. Остальная часть головы обычно играет для него роль жесткой рамки, которая, как правило, малоподвижна.

    Лицевые мышцы

    На лице располагается множество мышц, сокращение и растяжение которых приводит кожу в движение. Знакомство с их строением и функциями поможет вам при конструировании моделей.

    Основные методы моделирования головы

    Прежде чем приступить к разработке цифровой модели головы, ознакомьтесь с возможностями имеющихся у вас инструментов анимации. Имеется множество способов создания и анимации моделей лица, но кто знает, может, вы сумеете придумать новые, более эффективные методы.

    Полигональная модель головы

    Применение многоугольников позволяет построить весьма реалистичную модель лица. Преимущество данного метода заключается в том, что разработчик имеет возможность тщательно контролировать процесс формирования поверхности лица. В полигональной модели несложно вырезать отверстия для глаз и ноздрей.

    Топология и моделирование лица

    При моделировании лица необходимо помнить о том; как оно двигается. В приведенном описании лицевых мышц говорилось о том, что круговые мышцы рта растягивают губы в радиальных направлениях, а брови в основном смещаются по горизонтали. Эти сведения пригодятся в процессе конструирования

    Размещение полюса модели на макушке

    Первое, что приходит в голову большинству разработчиков, - расположить полюс на макушке, и многие качественные модели устроены именно так. Данный подход обладает двумя преимуществами. Во-первых, сплайны располагаются горизонтально, что облегчает управление движением глаз и бровей

    Размещение полюса модели в области рта

    Модель, полюс которой размещен в области рта, называется радиальной. Данный метод конструирования достаточно эффективен. Он позволяет создать оптимальные модели ротовых полостей: сплайны расходятся по тем же радиальным направлениям, что и лицевые мускулы

    Размещение полюса модели в области уха

    Конструкция с расположением полюса в области уха наименее популярна, поскольку не дает особых преимуществ. Такое размещение сплайнов лишь незначительно облегчает моделирование глазных впадин: ориентация сплайнов совпадает с расположением бровей и носа

    Выбор топологии

    Оптимальный способ конструирования головы из сферы определяется внешним видом персонажа и его назначением. Конструирование базовой модели головы

    Сложные модели головы

    Модели головы, полученные при помощи деформирования сферы, весьма пластичны и могут служить основой для создания множества вариантов. Однако у таких объектов есть и недостатки. Чтобы приладить к ним глаза или шею, приходится вносить изменения в расположение сплайнов вокруг рта.

    Полигональная модель головы

    Полигональные модели головы могут иметь различный уровень сложности, но все обладают преимуществом свободного топологического размещения - в каждой отдельной области каркаса допускается располагать его элементы в любом порядке. В отличие от моделей, построенных из сферы, здесь не приходится искать компромисс между конструированием глаз или шеи и размещением каркаса в области рта.


     

    СКЕЛЕТ И ДЕФОРМАЦИЯ КАРКАСА

    Иерархические цепочки и анимация персонажа

    В зависимости от строения, модель персонажа представляет собой либо совокупность сегментов, либо цельную оболочку, деформируемую при помощи скелета. В любом случае необходимо найти способ соединения сегментов и скелета в единый объект. Желательно, чтобы одновременно с движением руки перемещалась кисть, а ноги двигались в такт с движением бедер

    Опорные точки и вращение сочленений

    При сборке скелета или сегментированной модели необходимо сообщить программе, как вращаются сочленения (суставы) персонажа. Например, голень поворачивается относительно колена. Когда компьютер создает модель голени, он не подозревает о функциональном назначении данного объекта, в частности, о том, что голень поворачивается относительно колена Создание простой сегментированной модели персонажа

    Скелет и иерархия

    Модели персонажей с цельной оболочкой не разделены на сегменты, поэтому приходится деформировать их каркасы. В качестве инструмента-модификатора чаще всего используется скелет. Он состоит из костей и суставов - объектов, которые обычно имеют форму тетраэдра и не визуализируются.

    Манипулирование иерархическими цепочками

    Если компоненты персонажа или скелета образуют иерархию, ими можно манипулировать. Для этого существует два метода: прямой кинематики и обратной (или инверсной) кинематики. Каждый из них имеет свои преимущества и недостатки.

    Прямая кинематика

    При использовании метода прямой кинематики любое воздействие передается по иерархической цепочке сверху вниз. Именно этим способом вы тестировали персонаж в предыдущем упражнении. Если переместить таз персонажа, движется все тело; если повернуть локоть, движется только рука.

    Инверсная кинематика

    Правильное использование метода инверсной кинематики позволяет воплотить самые смелые мечты аниматора. Данный метод прямо противоположен предыдущему, поскольку перемещение компонентов-потомков приводит к изменению положения компонентов-предков.
    Первый сустав в цепочке называется корневым, или корнем иерархии. В некоторых программах с ним связываются данные, описывающие движение цепочки. При его перемещении движется вся иерархическая цепочка. Создавая ее, всегда начинайте с самого верхнего сустава иерархии.

    Диапазон поворотов сустава

    Чтобы локтевой (или коленный) сустав не поворачивался назад, необходимо сообщить программе допустимые пределы поворота. В некоторых пакетах для этого существуют параметры настройки. В других системах тип сустава задается при создании - можно выбрать либо шарнирный узел (допускающий вращение в двух измерениях), либо шаровой шарнир (допускающий вращение в трех измерениях).

    Выбор метода кинематики

    Как вы смогли убедиться, метод инверсной кинематики имеет немного больше режимов, что может усложнить работу. Однако, если все опции заданы правильно, процесс анимации происходит быстрее. В то же время прямая кинематика очень проста в применении. Поэтому выбор типа кинематики зависит от того, анимация какой части скелета будет выполняться.

    Конструирование скелета тела

    При конструировании скелета следует ориентироваться на каркас модели. Как правило, удобнее размещать скелет внутри готового каркаса, поскольку при этом гарантируется наиболее точное их соответствие. Но некоторые дизайнеры предпочитают конструировать скелеты стандартных размеров, а затем подгонять их по каркасу. Однако тогда возникают проблемы при изменении масштаба костей.

    Конструирование скелета кисти руки
    Построить скелет кисти руки несложно: необходимо воссоздать в модели все косточки пальцев и несколько костей в области ладони. Как и в предыдущем случае, удобнее конструировать скелет руки, имея в своем распоряжении готовый каркас.

    Деформация каркаса

    С помощью готового скелета можно деформировать оболочку модели персонажа. Для этого предназначена утилита деформации каркаса, которая по расположению костей определяет его форму. При анимации лсостей скелета перемещается и поверхность модели.

    Метод взвешенного сопоставления

    Чтобы деформация выглядела более естественно, необходимо, чтобы на вершину воздействовало несколько элементов скелета. Например, на вершины, расположенные вокруг локтя, может влиять и плечо, и предплечье. Для решения этой проблемы придуман метод взвешенной деформации.

    Дополнительные инструменты деформации

    Помимо метода построения зон воздействия используются инструменты, позволяющие управлять формой этих зон с учетом расположения элементов скелета и угла поворота сустава. Они предназначены для имитации таких эффектов, как вздутие мускулов и растяжение кожи, и прекрасно подходят для реалистичной анимации

    Деформация и тип поверхности

    Обычно большинство инструментов деформации каркаса работает одинаково, независимо от того, к какому геометрическому типу относится объект, на который оказывается воздействие. Инструменты позволяют управлять вершинами, перемещая их согласно движению элементов скелета, в результате чего поверхность модели деформируется.

    Другие методы деформации

    В распоряжении аниматора имеется множество методов деформации. Большинство из них используется для деформирования отдельных частей, но при необходимости их можно применять и к модели в целом.

    Кластеры

    Кластеры представляют собой другой способ анимации формы модели. Попросту говоря, кластер - это совокупность вершин. С помощью одного кластера можно управлять многими вершинами. В более совершенных системах допускается установка весовых коэффициентов для вершин, принадлежащих нескольким кластерам, что позволяет более точно управлять деформацией.

     

    ГЛАВА 7. РАСПОЛОЖЕНИЕ ПЕРСОНАЖЕЙ ЧАСТЬ

    ГЛАВА 8. ОСНОВЫ АНИМАЦИИ ПЕРСОНАЖЕЙ


    ГЛАВА 9. ХОДЬБА И ПЕРЕМЕЩЕНИЕ ЧАСТЬ


    ГЛАВА 10. АНИМАЦИЯ ЛИЦА И РЕЧЬ ПЕРСОНАЖЕЙ ЧАСТЬ

    ГЛАВА 10. АНИМАЦИЯ ЛИЦА И РЕЧЬ ПЕРСОНАЖЕЙ ЧАСТЬ II

     
    Искусство Фландрии http://arthisto.ru/ Развитие солнечной энергии в России http://arthisto.ru/