Компьютерная графика. Технология создания виртуальных персонажей

 

Существуют два основных вида систем motion capture:

 

• Маркерная система motion capture, где используется специальное оборудование. На человека надевается костюм с датчиками, он производит движения, требуемые по сценарию, встаёт в условленные позы, имитирует действия; данные с датчиков фиксируются камерами и поступают в компьютер, где сводятся в единую трёхмерную модель, точно воспроизводящую движения актёра, на основе которой позже (или в режиме реального времени) создаётся анимация персонажа. Также этим методом воспроизводится мимика актёра (в этом случае на его лице располагаются маркеры, позволяющие фиксировать основные мимические движения).

 

• Безмаркерная технология, не требующая специальных датчиков или специального костюма. Безмаркерная технология основана на технологиях компьютерного зрения и распознавания образов. Актер может сниматься в обычной одежде, что сильно ускоряет подготовку к съемкам и позволяет снимать сложные движения (борьба, падения, прыжки, и т. п.) без риска повреждения датчиков или маркеров. Несколько практически применимых безмаркерных систем были разработаны в последние годы, хотя исследования подобной технологии проводятся уже долгое время. На сегодняшний день существует программное обеспечение «настольного» класса для безмаркерного захвата движений. В данном случае не требуется специального оборудования, специального освещения и пространства. Съёмка производится с помощью обычной камеры (или веб-камеры) и персонального компьютера.

 

На сегодняшний день существуют большое количество маркерных систем захвата движений. Различие между ними заключается в принципе передачи движений:

 

• Оптические пассивные. На костюме, входящем в комплект такой системы, прикреплены датчики-маркеры, которые названы пассивными, потому что отражают только посланный на них свет, но сами не светятся. В таких системах свет (инфра-красный) на маркеры посылается с установленных на камерах высокочастотных стробоскопов и, отразившись от маркеров, попадает обратно в объектив камеры, сообщая тем самым позицию маркера. Минус оптических пассивных систем заключается в длительности размещения маркеров на актёре. Так же иногда при быстром движении или близком расположении маркеров друг к другу система может их путать (поскольку эта технология не предусматривает идентификации каждого маркера по отдельности).

 

• Оптические активные названы так потому, что вместо светоотражающих маркеров, которые крепятся к костюму актёра, в них используются светодиоды с интегрированными процессорами и радио-синхронизацией. Каждому светодиоду назначается ID (идентификатор), что позволяет системе не путать маркеры друг с другом, а также узнавать их, после того как они были перекрыты и снова появились в поле зрения камер. Во всём остальном принцип работы таких систем схож с пассивными системами.

 

 

 

Минусы активных систем:

• Отсутствие возможности захвата движений и мимики лица
• Дополнительный контроллер, крепящийся к актёру и подключенный к маркерам-светодиодам, сковывает его движения
• Хрупкость и относительно высокая стоимость маркеров-светодиодов
• Магнитные системы, в которых маркерами являются магниты, а камерами — ресиверы, система высчитывает их позиции по искажениям магнитного потока.

 

Минусы магнитных систем:

 

• Магнитные системы подвержены магнитным и электрическим помехам от металлических предметов и окружения (электропроводки помещения, оргтехники, арматуры в плитах строения)
• Переменчивая чувствительность сенсоров в зависимости от их положения в рабочей зоне
• Меньшая по сравнению с оптическими системами рабочая зона
• Отсутствие возможности захвата движений и мимики лица
• Дополнительный контроллер, прикреплённый к актёру и подключенный к магнитным маркерам, или даже связка проводов, тянущаяся от актёра к компьютеру.
• Высокая стоимость магнитных маркеров

 

• Механические системы напрямую следят за сгибами суставов, для этого на актёра надевается специальный механический mocap-скелет, который повторяет следом за ним все движения. В компьютер при этом передаются данные об углах сгибов всех суставов.

 

Минусы механических систем:

 

• Mocap -скелет, с дополнительным контроллером, прикреплённым к актёру и подключенным к сенсорам сгибов, а в некоторых случаях и провода, тянущиеся от скелета, сильно ограничивают движения актёра.
• Отсутствие возможности захвата: движений и мимики лица, движений тесного взаимодействия двух и более актёров (борьба, танцы с поддержками и т. д.), движений на полу — кувырки, падения и т. д.
• Риск поломки механики при неосторожном использовании.

 

• Гироскопические / инерциальные системы для сбора информации о движении используют миниатюрные гироскопы и инерциальные сенсоры, расположенные на теле актёра — также как и маркеры или магниты в других mocap-системах. Данные с гироскопов и сенсоров передаются в компьютер, где происходит их обработка и запись. Система определяет не только положение сенсора, но также угол его наклона.

 

Минусы гироскопических / инерциальных систем:

 

• Отсутствие возможности захвата движений и мимики лица
• Дополнительный контроллер, прикреплённый к актёру и подключенный к магнитным маркерам, или даже связка проводов, тянущаяся от актёра к компьютеру.
• Высокая стоимость гироскопов и инерциальных сенсоров
• Для определения положения актёра в пространстве нужна дополнительная мини-система (оптическая или магнитная)

 

 

Программа искусственного интеллекта Massive

 

Программа искусственного интеллекта Massive была разработана на студии WETA. Именно при помощи этой программы были созданы сцены грандиозных сражений компьютерных персонажей в трилогии Питера Джексона "Властелин колец". Программа может создавать широкомасштабные битвы с использование массовки всего в несколько тысяч человек. Каждый из компьютерных воинов, принимающих участие в бою, "думает" самостоятельно и принимает решение без вмешательства аниматора. Это позволило снимать битвы, в которых принимает участие до 70 тыс. персонажей одновременно.

 

 

Создание виртуальных  персонажей.

 

Иногда живых актеров бывает недостаточно. Для съемок внеземных монстров люди едва ли подойдут. Раньше таких персонажей играли специальные куклы. Сравнение с детскими игрушками, правда, здесь весьма условно - зачастую это были сложнейшие механизмы ценой в несколько миллионов долларов, с хитроумной механикой и даже с компьютерным управлением. Фильм "Чужие 2" стал одним из самых зрелищных фильмов, созданных по этой технологии. Все монстры в нем были изготовлены "в металле" и отсняты по принципам классической кукольной мультипликации. Сейчас же на смену механизмам приходят виртуальные персонажи. Они могут многое из того, что не под силу материальным конкурентам (например, трансформации и головокружительные прыжки даются им куда проще), зато куклу можно снять в одном кадре вместе с живым актером, а компьютерного персонажа придется еще "вживлять" в картинку. Отличным примером использования цифровых актеров могут служить все последние блокбастеры: трилогия "Властелин колец" с Горлумом, "Кинг-Конг", в котором одну из главных ролей сыграла полностью компьютерная обезьяна, и "Хроники Нарнии" с обилием цифровых животных.

 

Были и случаи вживления  в кино привычных с детства  классических мультперсонажей (например, "Кто подставил кролика Роджера"). Правда, этот метод не сыскал популярности, прежде всего из-за сложностей совмещения мультипликационного и отснятого материалов.

 

Процесс создания цифрового персонажа.

 

Cначала формулируется  идея персонажа, авторы должны  четко представлять, кого именно  они хотят видеть на экране. На этом этапе определяется не столько внешний вид, сколько характер будущего персонажа, то впечатление, которое он должен производить на зрителя. Этот этап аналогичен как для цифрового, так и для материального актера, и даже для тех персонажей, которых будут играть люди.

 

Дальше в дело вступают художники, их главная задача - создать  визуальный образ персонажа. Они  прорабатывают образ в общих  чертах, создают именно те детали персонажа, которые зритель запомнит, которые  сделают этого персонажа уникальным. И опять все эти действия в точности повторяют и современные разработчики CG-персонажа, и творцы прошлого, создавая своего монстра, с той лишь разницей, что они чуть больше ограничены в фантазии, ведь далеко не все, что можно нарисовать, можно изготовить из пластика и металла.

 

Далее определяется то, что  новому персонажу придется делать перед  камерами. Должен ли он бегать и прыгать  или ему достаточно только неторопливо  ходить, будут ли крупные планы  с его участием или его место  в массовке на краю карты? Все это  определяет как степень достоверности, так и технические возможности модели существа. Эта стадия уже сильнее привязана к технологии, но все равно пока еще различия в работе над двумя типами персонажей не принципиальны.

 

И вот эскизы и техническое  описание готовы. CG-персонажа обычно начинают не со скелета, а с тела. Сначала, в 3D-редакторе строится модель в так называемой позе одевания - поза, в которой разные части тела максимально отстоят друг от друга. Для человекообразных существ это прямые руки в стороны, пальцы растопырены, ноги вниз. Обычно это замкнутая поверхность, состоящая из элементарных плоских фигур (треугольников или четырехугольников) - полигонов. Эта модель еще одноцветная, практически лишена деталей - тут нет ни ресниц, ни волос, ни морщин - форма и только форма. Все эти "недостатки" устраняются на следующем этапе разработки персонажа. Для него создается текстура, карта неровностей, добавляется множество деталей - зачастую даже волоски на коже героя требуют внимания разработчиков, в случае же с Кинг-Конгом волосяной покров составляет чуть ли не основу персонажа.

 

Теперь мы можем видеть именно то, что мы привыкли видеть в  современном кино, только в неестественной позе.

 

Текстура представляет собой просто картинку, части которой  впоследствии будут "натягиваться" на персонажа. Для каждой вершины (угла полигона) на теле задаются текстурные координаты (обычно их называют UV). После чего цвет каждой точки полигона считается как цвет соответствующей ей точки на текстуре, если полигон "положить" на текстуру так, чтобы его углы попали в свои UV-координаты. Рисование текстур и привязывание их к модели - это целое искусство. Текстурщик должен совмещать в себе талант художника и скульптора.

 

Но кожа практически  всех существ не гладкая, а имеет  какую-то фактуру. Для имитации этих пупырышков и трещинок обычно используют карты неровностей. Карта неровностей - это та же текстура, только она задает не цвет, а направление нормали. И при освещении плоская поверхность начинает выглядеть рельефно. Большинство программ 3D-моделирования позволяют использовать в качестве карты неровностей саму текстуру, после чего объект выглядит куда живее.

 

До недавнего времени  прически большинства персонажей были примитивны. Они моделировались на этапе создания формы персонажа  и были статической конструкцией на голове у героя. Сейчас же волосы компьютерных актеров очень похожи на настоящие, Они моделируются или по отдельным волоскам, или как набор прядей. Каждая прядь представляет собой "пластичную" полоску. Такие волосы могут развеваться на ветру, колыхаться при резком движении головы. Подобным образом моделируется и мех животных. По всей поверхности тела "выращивается" множество волосков, причем автоматически, от моделлера требуется лишь указать набор свойств: цвет и густоту покрова, среднюю длину шерстинок, степень их "кудрявости", способность сбиваться в пучки и пр.

 

Теперь настал момент вдохнуть в персонажа "жизнь". Для начала нужен скелет. Скелет у CG-существ очень похож на человеческий. Только, в отличие от него, все кости прямые, зато могут не только поворачиваться в суставах, но и изменять длину. Чтобы сделать что-то похожее на ребро, приходится строить цепочку из прямых костей. Компьютерные скелеты иногда включают несвойственные биоорганизмам части, для лучшего контакта с кожей. Теперь кожу и скелет необходимо связать вместе. Эта операция называется скинингом. Что такое вообще привязка кожи к скелету? Каждой вершине ставится в соответствие некоторое количество костей, за которыми она будет следовать, и весовой коэффициент для каждой из костей. Как нетрудно понять, эта операция крайне трудоемкая. К счастью, есть автоматические системы скининга, которые хоть и обладают рядом недостатков и не всегда верно "скинят" объекты сложной формы, но существенно облегчают жизнь создателям 3D-персонажей. Теперь мы можем пошевелить кости существа, и его тело в точности повторит движения скелета. Уже можно худо-бедно управлять зверем. Однако каждый раз задавать положение персонажа с помощью взаимного поворота костей не всегда удобно.

 

Для более рационального манипулирования персонажем существует специальный инструментарий. Прежде всего, нужно ограничить неестественные степени свободы суставов и выбрать пределы изменения углов между костями, теперь уже героя будет не так просто поставить в неестественную позу, а количество параметров для управления заметно сократилось. Но управление все равно не оптимально. В большинстве пакетов трехмерной графики для управления персонажами предусмотрена как прямая кинематика (управление путем изменения взаимного расположения костей), так и инверсная (ИК). При использовании ИК для управления рукой можно перемещать кисть в пространстве, а локоть сам займет наиболее естественное положение. Такой способ зачастую бывает намного удобнее предыдущего, но не всегда. Например, для анимации расслабленной походки, когда рука просто качается, лучше подходит первый способ, ведь это всего лишь циклическое изменение одного параметра (угла поворота руки относительно плеча), а в случае ИК - это движение кисти по нелинейной траектории.

 

И для имитации работы мышц существует насколько способов. В скелет могут быть добавлены особые кости, которые, поворачиваясь и изменяя длину, имитируют увеличения объема и "перетекание" кожи по суставам. А можно под кожей разместить специальное тело, обычно это эллипсоид, который подобно костям будет деформировать кожу. И когда надо, менять размер этого тела. Этот способ позволяет более тонко передать работу мышцы, но более требователен к ресурсам машины, так как, по существу, каждая вершина деформирующего тела - это отдельная кость.