Анимация и 3D графика

	МЕЖДУНАРОДНЫЙ БАНКОВСКИЙ ИНСТИТУТ INTERNATIONAL BANKING INSTITUTE

 

Реферат

По дисциплине: Прикладная информатика

Тема: Анимация и 3D графика

Выполнил:

Студент(очная форма обучения, 1 курс, экономика)

Луканов Вадим Владимирович

Научный руководитель:

Вениаминова Галина Николаевна

Санкт-Петербург

2015

СОДЕРЖАНИЕ

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

Безусловно, в современном мире, интерес к компьютерной графике и анимации очень велик. И на сегодняшний день компьютерная графика и анимация прочно вошли в нашу жизнь. Без компьютерной графики невозможно представить себе не только компьютерный, но и обычный, вполне материальный мир. В каждой организации возникает потребность в рекламных объявлениях, листовках, буклетах и т.д. В связи с появлением и развитием Интернета появилась широкая возможность использования графических программных средств.

С понятием «компьютерная графика» знаком почти каждый ученики понимает его как создание рисунков и чертежей с помощью компьютера. А вот компьютерная анимация — это несколько более широкое явление, сочетающее компьютерный рисунок с движением.

Мы настолько привыкли видеть фильмы, рекламные ролики, видеоклипы, игры, в которых присутствует компьютерная анимация, созданная при помощи определенных программ, что приходится удивляться, как быстро эта молодая отрасль мультипликации и рекламы завоевала мир. И многие думают, что компьютерная анимация — это в первую очередь игры с виртуальной реальностью и рекламные ролики. Меж тем, компьютерная графика и компьютерная анимация — это наука. Под определение «компьютерная анимация» подходят различные технологии. Компьютерная анимация может быть двухмерной и трехмерной, существует и компьютерная перекладка. Поначалу художники-аниматоры воспринимали компьютер просто как помощника, который избавит их от самой трудной и скучной работы, но со временем выяснилось, что его возможности куда богаче: он позволяет имитировать любую технику, любые материалы, любой стиль. Однако даже самый совершенный компьютер остается всего лишь инструментом. Многие считают, что будущее – за компьютерными технологиями, и все же то, каким получится фильм, зависит только от сидящего за компьютером человека. Также 3D графика достигла огромных высот. Это можно видеть в современных фильмах и компьютерных играх.

Цель работы: Выяснить историю создания компьютерной анимации. Изучить виды анимации. Узнать об 3D графике. Познакомится с программным комплексом 3D Studio MAX2.

 

1. Компьютерная анимация. Появление компьютерной анимации

Компьютерная анимация - вид анимации, создаваемый при помощи компьютера. На сегодня она получила широкое применение как в области развлечений, так и в производственной, научной и деловой сферах. Являясь производной от компьютерной графики, анимация наследует те же способы создания изображений: векторная графика, растровая графика, фрактальная графика, трехмерная графика (3D).

История компьютерной анимации тесно связана с появлением и развитием специализированных графических программных пакетов.

Первым шагом в технологии визуальных эффектов была придумана в 1961 году Айвеном Сазерлендом система Sketchpad, которая начала эру компьютерной графики. В этой системе с помощью светового пера пользователи могли создавать рисунки непосредственно на экране монитора. В 1967 году Сазерленд вместе с Дэвидом Эвансом начали работу по созданию учебного курса компьютерной графики. В университете штата Юта (США), где были основаны такие исследования, в это время работали: Джим Кларк— основатель компании Silicon Graphics Inc, Эдвин Катмулл — один из пионеров в области создания фильмов с помощью компьютера, Джон Уорнок — основатель компании Adobe Systems и разработчик таких известных продуктов, как Photoshop и PostScript. Сначала объемное изображение объектов формировали на основе набора геометрических фигур (чаще треугольников). При этом геометрические фигуры имели однотонную заливку, а объекты переднего плана закрывали те, которые размещены на заднем плане.

В 1968 году в СССР был снят компьютерный мультфильм «Кошечка», демонстрирующий походку кошки. Движения были полностью созданы компьютером по введённым в него дифференциальным уравнениям. Сами кадры анимации были напечатаны на текстовом принтере, где роль пикселя исполняла русская буква «Ш».

В 1971 году Генри Гуро предложил закрашивать треугольники линейной изменением интенсивностей между их вершинами. Это позволило получить более плавное изменение интенсивностей вдоль поверхности объектов. В 1974 году Эдвин Катмулл  предложил концепцию Z-буфера, ускорило процесс извлечения скрытых граней. Другим изобретением Кэтмулла является наложение текстуры на поверхность трехмерных объектов, обеспечивает реалистичность этих объектов. Ву Тонг Фонг предложил интерполировать оттенки всей поверхности полигона, что обеспечивает лучшее сглаживание, хотя и требует значительно больших вычислений.

Джеймс Блинн в 1976 году скомбинировал раскрашивания по Фонгу и наложения текстуры на поверхность объектов. В 1980 году Тернер Уиттед предложил новую технику визуализации (трассировки), которая заключается в отслеживании путей прохождения световых лучей от источника света до объектива камеры с учетом их отражения от объектов сцены. В 1986 году фирма AT&T выпустила первый пакет для работы с анимацией на персональных компьютерах (TOPAS), который стоил 10000 долларов и работал на компьютерах с процессором Intel286 и операционной системой DOS. В 1990 году фирма AutoDesk начала продажу продукта 3D Studio. В 1997 году компания Macromedia приобрела у компании FutureWare небольшую графическую программу для Web, с которой была начата в свое время широко известна программа компьютерной анимации Macromedia Flash. В 1998 году начался выпуск программы Maya, стоившая от 15000 до 30000 долларов.

1. Виды компьютерной анимации. ЕЁ хранение и применение

По принципу анимирования можно выделить несколько видов компьютерной анимации:

• Анимация по ключевым кадрам. Расстановка ключевых кадров производится аниматором. Промежуточные же кадры генерирует специальная программа. Этот способ наиболее близок к традиционной рисованной анимации, только роль фазовщика берет на себя компьютер, а не человек.
• Запись движения. Данные анимации записываются специальным оборудованием с реально двигающихся объектов и переносятся на их имитацию в компьютере. Распространённый пример такой техники — Motion capture (захват движений). Актеры в специальных костюмах с датчиками совершают движения, которые записываются камерами и анализируется специальным программным обеспечением. Итоговые данные о перемещении суставов и конечностей актеров применяют к трёхмерным скелетам виртуальных персонажей, чем добиваются высокого уровня достоверности их движения. Такой же метод используют для переноса мимики живого актера на его трёхмерный аналог в компьютере. Процедурная анимация полностью или частично рассчитывается компьютером. Сюда можно включить следующие её виды: симуляция физического взаимодействия твёрдых тел; имитация движения систем частиц, жидкостей и газов; имитация взаимодействия мягких тел (ткани, волос); расчёт движения иерархической структуры связей (скелета персонажа) под внешним воздействием; имитация автономного (самостоятельного) движения персонажа.
• Программы для создания анимации с помощью цифрового фотоаппарата. Сегодня программное обеспечение, позволяющее задействовать цифровой фотоаппарат для съёмки анимации, применяется также часто, как и ставшие привычными 3D- или 2D-пакеты. Любая программа такого типа обеспечивает управление цифровым фотоаппаратом через компьютер и работу с полученными кадрами.

Хранение. Компьютерная анимация может храниться в универсальных графических файлах (например, в формате GIF) в виде набора независимых изображений, либо в специализированных файлах соответствующих пакетов анимации (3ds Max, Blender, Maya и т. п.) в виде текстур и отдельных элементов, либо в форматах, предназначенных для просмотра (FLIC (англ.)) и применения в играх (Bink). Также, анимация может сохраняться в форматах, предназначенных для хранения видео (например, MPEG-4).

Применение. Компьютерная анимация (последовательный показ слайд-шоу из заранее подготовленных графических файлов, а также компьютерная имитация движения с помощью изменения и перерисовки формы объектов или показа последовательных изображений с фазами движения, подготовленных заранее или порождаемых во время анимации) может применяться в компьютерных играх, мультимедийных приложениях (например, энциклопедиях), а также для «оживления» отдельных элементов оформления, например, веб-страниц и рекламы (анимированные баннеры). На веб-страницах анимация может формироваться средствами стилей (CSS) и скриптов (JavaScript) или модулями, созданными с помощью технологии Flash или её аналогов (флеш-анимация).

2. Использование компьютерной анимации в мультипликации

Сегодня компьютерная графика стала органичным и почти самим собой разумеющимся элементом любого рисованного мультфильма. Эффективность этого инструмента подтвердили такие разные по качеству и влиянию на всю индустрию мультфильмы, как японский шедевр "Унесенные призраками", французский кич "Трио из Беллевилля", российский пробник пера "Карлик Нос" и многие другие. Но честь первого применения компьютера для генерации изображений принадлежит про-диснеевской анимации.

Считается, что впервые компьютерная графика была использована в мультфильме "Великий Мышиный Детектив" в 1986 году. Тогда с ее помощью удалось с невиданной реалистичностью и динамикой оживить сложный механизм знаменитых башенных часов "Big Ben".

Нужно заметить, что тогда, в конце 80-х годов, задача совмещения рисованной и цифровой графики была невероятно сложной и трудоемкой. Так в случае чрева знаменитых лондонских часов сначала в память компьютера были занесены виртуальные (то есть мнимые) модели деталей, а также траектории их вращения, после чего специальная программа рассчитала и воспроизвела изменения внутреннего интерьера часов при движении условной камеры. Получившаяся последовательность кадров была распечатана, вручную раскрашена и только после этого совмещена с соответствующими селами персонажей.

Основной областью применения компьютерной графики было изображение транспортных средств и элементов фоновых декораций: автомобили, вертолеты, корабли и многое другое.

Художники справедливо рассудили, что куда легче поместить самих рисованных персонажей в виртуальное пространство, чем распечатывать изображения, сгенерированные компьютером. Совместно с Pixar диснеевские программисты создали специальное программное обеспечение, позволяющее манипулировать слоями с рисунками аниматоров и фоновыми декорациями прямо в памяти компьютера.

Компьютерная система производства анимации (CAPS) стала самым значительным технологическим прорывом за всё время существования традиционных мультфильмов. Так, например, изменяя параметры местоположения виртуальных слоев (по сути цифровых слоев), стало возможным моделировать иллюзию глубины и переходы персонажей с одного плана на другой. Эта идеальная модель многоплановой съёмки дала невероятную свободу, ведь количество планов теперь было ограничено лишь фантазией планировщиков кадров и памятью компьютеров. Кроме прочего, максимально упростилась и задача комбинирования традиционной анимации с трехмерной графикой. Причем появилась возможность использовать виртуальные источники света и многослойные текстуры.

Студия Disney убедительно доказала, что в технологиях анимации она впереди планеты всей, хотя это не означает, что у конкурентов не было существенных достижений. Так "Американский хвост 2", снятый силами студии Amblimation и стартовавший одновременно с "Красавицей", также включал динамичные сцены полноценной трехмерной графики. А следующая работа от Amblimation "Мы вернулись! История динозавров" в 1993 году стал первым недиснеевским мультфильмом, использующим цифровые селы. Начиная с 1996 года, все главные студии анимации Америки снимали свои мультфильмы с помощью компьютерных анимационных пакетов, подобных CAPS, а также насыщали свою продукцию все большим количеством компьютерной графики.

Создатели видеопродукции в последние годы настолько освоили компьютерные способы создания образов, что видеопродукцию стало трудно отличить от "чистой" компьютерной анимации. В результате профессиональное видео все больше использует технику компьютерной разработки фактуры материалов и приемы компьютерной анимации, что позволяет создавать видеофильмы еще более специфические, чем плоды "чистых" компьютерных технологий. В результате создание видеопродукции уже не мыслится без компьютера.

Традиционно для создания большинства специальных эффектов применялись накладываемые изображения — сделанные руками миниатюрные модели и полноразмерная бутафория. Огромное число космических кораблей в трилогии Star Wars ("Звездные войны"; Рис. 1), пустынный комплекс по преобразованию планеты из фильма Aliens ("Чужие") и невероятная атмосфера города будущего из Blade Runner ("Бегущий по лезвию бритвы") кропотливо конструировались из древесины, металла и стекловолоконного материала, а также украшались пластиковыми моделями и крошечными светящимися огоньками. Фантастических героев получали путем переодевания людей в костюмы из пенорезины с помощью покадрового монтажа моделей или специальных кукол.

Рис. 1. Самодельный космический корабль из «Звёздных воин»

Хотя трехмерная анимация была впервые представлена на большом экране в фильме студии Уолта Диснея TRON в 1982 году, общепризнанной заменой традиционного способа создания киноэффектов она стала только после "успеха" динозавров в фильме Jurassic Park ("Парк Юрского периода") (1993 год). После Jurassic Park компьютерная анимация в фильмах успешна развивалась дальше, и в 1995 году вышел полностью созданный на компьютере мультфильм Toy Story ("История игрушек"). Концепция мультфильма была частично позаимствована из получившего "Оскар" обаятельного короткометражного фильма Tin Toy, который был более ранней работой директора анимационной студии Pixar Джона Лассетера (John Lasseter)

Кроме очевидного компьютерного стиля, использованного в Toy Story, режиссеры стремились получить реалистичное изображение трехмерных человеческих персонажей. Многие фигуры людей из фильма Titanic ("Титаник") были анимированы на компьютере, а потрясающе реалистичные герои в кинофильме Final Fantasy ("Последняя фантазия") являются представителями уже недалекого будущего, в котором зритель не сможет отличить созданного на компьютере персонажа от актера из плоти и крови.