Создание трехмерной модели и ее анимация средствами графического векторного редактора Blender

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

Средняя общеобразовательная школа № 148

Ленинского района г. Нижнего Новгорода

Создание трехмерной модели и ее анимация

средствами графического векторного редактора Blender

Выполнил:

 ученик 8 а класса

Мубинов Руслан

Руководитель:

учитель информатики

Пономарева Г.А.

2015 г.

Оглавление

Введение        

Компьютерная анимация        

Конструкторы анимаций        

Создание трехмерных моделей        

Этапы создания модели человека и анимация его движения        

Создание модели динозавра и ее анимация        

Заключение        

Литература        

Введение

Современная компьютерная техника предоставляет человеку  много различных возможностей.  Меня привлекла 3D-анимация.

 Анимация (animation) - от латинского "anima" - душа, анимация означает одушевление или оживление

Компью́терная анима́ция — вид мультипликации, создаваемый при помощи компьютера. Сегодня она получила широкое применение в области развлечений,  в производственной, научной и деловой сферах, в искусстве, особенно в кинематографии .

Сейчас даже есть Международный день анимации (англ. International Animation Day) — международный праздник всех тех, кто так или иначе имеет отношение к анимации и искусству мультипликации. Отмечается ежегодно 28 октября.

Дата празднования «международного дня анимации» была выбрана не случайно. Именно в этот день в 1892 году художник и изобретатель из Франции Эмиль Рено продемонстрировал почтенной парижской публике, которая собралась в зале «Кабинета фантастики» Музея Гревен, «светящиеся пантомимы» — движущиеся изображения воспроизведенные на экране (проще говоря-мультфильмы).

Таким образом, искусство мультипликации почти на 20 лет старше жанра кино. Несколько сайтов анимационной и детской тематики выступили с инициативой ввода в России нового профессионального праздника «День Мультипликации» именно в эту дату (30-го августа). Инициатива была единодушно поддержана руководством Союзом Кинематографистов РФ, ведущими мастерами и студиями российской анимации, рядом СМИ, администрациями десятков интернет-сайтов и их многотысячной аудиторией, было собрано более 1000 подписей в поддержку праздника. Министерство культуры РФ при определенных условиях выразило готовность содействовать вводу Дня Мультипликации в России.

Компьютерная анимация

Как и  компьютерная графика, анимация использует те же  способы создания изображений:

• Векторная графика
• Растровая графика
• Фрактальная графика
• Трёхмерная графика (3D)

При хорошем качестве исполнения трехмерная графика выглядит очень натурально

История создания 3D-анимации неразрывно связана с созданием компьютера. Известно, что первые 3D-мультфильмы создавались еще в те времена, когда компьютер занимал целую комнату.

Со временем  появились  и стали быстро развиваться специализированные графические программные пакеты.

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). С середины 1980-х годов компьютерная анимация используется для создания спецэффектов в кинематографе. Первым фильмом, содержащим ключевые сцены, основанные на изображении, синтезированном компьютером, стал «Терминатор 2: Судный день»

Несомненным преимуществом компьютерной 3D-анимации перед классической рисованной является полное отсутствие искажений пропорций объекта (черт лица и т. п.) при движении, неизбежных при ручной прорисовке.

Будущее

Одним открытым вызовом в компьютерной анимации является фотореалистичная анимация человека. В настоящее время большинство фильмов, созданных с использованием компьютерной анимации, показывают персонажей-животных (Приключения Флика, В поисках Немо, Рататуй, Ледниковый период, Лесная братва, Сезон охоты), фантастических персонажей (Корпорация монстров, Шрек, Черепашки-ниндзя, Монстры против пришельцев), антропоморфные машины (Тачки, ВАЛЛ-И, Роботы) или мультяшного человека (Суперсемейка, Гадкий я, Вверх). Фильм Последняя фантазия: Духи внутри нас часто приводится в качестве первого компьютерного фильма сделавшего попытку показать реалистично выглядящих людей. Однако из-за огромной сложности человеческого тела, движений человека, и биомеханики человека, реалистичная симуляция человека остаётся в значительной степени открытой проблемой. В конечном счёте, целью является создание программного обеспечения, где аниматор сможет генерировать эпизоды показывающие фотореалистичного персонажа-человека, подвергаемого физически правдоподобным движениям, вместе с одеждой, фотореалистичные волосы, усложнённый естественный фон, и, возможно, взаимодействие с другими моделями персонажей-людей. Добившись этого, зритель будет уже не в состоянии сказать, что определённый эпизод компьютерный, или создан с использованием реальных актёров перед кинокамерой. Достижение полного реализма может иметь серьёзные последствия для киноиндустрии.

Не менее серьёзные последствия данное достижение может принести судебной системе — станет проблематичным использование видео- или фотоматериалов в качестве улик, подтверждения алиби и т. д., так как необходимо будет однозначно доказывать реальность заснятого материала.

На сегодняшний день в Интернете размещено много трехмерных анимационных роликов, и мне захотелось освоить какой-нибудь редактор, позволяющий создавать трехмерную анимацию.

Конструкторы анимаций

Для создания трехмерных анимированных изображений существует множество программ как платных, так и бесплатных.

• 3ds Max – платная
• MineAnimator
• Blender (чаще используется на Linux) — бесплатная
• Maya
• Swift 3D  – платная
• Electric Image Animation System

Я начал работать в программном пакете MineAnimator, но он мне не понравился,тем, что не позволяла создавать самостоятельные фигуры и рельефы. Я нашел в Интернете интересную анимацию и выяснил, что она выполнена в программе  Blender, и стал изучать эту программу.

Я выбрал Blender , т.к. он доступный, бесплатный, быстро выполняет обновление изображения и не очень сложный.

Моя работа, выполненная в 3-х мерном графическом редакторе  Blender заключается  в создании различных моделей и их анимации.

Существует различные способы создания анимации:

1) Анимация по ключевым кадрам, которую я и использовал

Расстановка ключевых кадров производится аниматором. Промежуточные же кадры генерирует специальная программа. Этот способ наиболее близок к традиционной рисованной мультипликации, только роль фазовщика берёт на себя компьютер, а не человек.

2) 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). Актёры в специальных костюмах с датчиками совершают движения, которые записываются камерами и анализируется специальным программным обеспечением. Итоговые данные о перемещении суставов и конечностей актёров применяют к трёхмерным скелетам виртуальных персонажей, чем добиваются высокого уровня достоверности их движения.

Такой же метод используют для переноса мимики живого актёра на его трёхмерный аналог в компьютере.

3) Процедурная анимация

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 (Ragdoll).
• Имитация автономного (самостоятельного) движения персонажа. Примером такой системы является программа Euphoria.

4) Программируемая анимация

Широкое применение в сети получили два языка, с помощью которых программируются движения анимируемых объектов:

• JavaScript — браузерный язык
• ActionScript — язык работы с приложениями Flash

Преимущество программируемой анимации — в уменьшении размера исходного файла, недостаток — нагрузка на процессор клиента.

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).

Создание трехмерных моделей

Моделирование в  blender — это процесс достаточно трудоемкий  и
начинать лучше с простых примеров.

Получив необходимые знания  и опыт можно перейти к более сложным задачам.

Модель человека

Моделирование и анимация человека – очень сложная задача по нескольким причинам. Люди в вопросах анимации людей являются первыми критиками - человек легко различит кажущиеся ненастоящими движения анимированной модели. Помимо этого, форма человеческого тела очень сложна (содержит более двухсот костей и более шестисот мускулов). Кроме того, части тела могут деформироваться, а это еще более усложняет задачу анимации. К тому же человекоподобное движение вычислительно плохо описываемо.

Руки 

Задача анимации моделей человеческих рук является одной из самых распространенных в области анимации человеческой модели. Базовая модель человеческой руки может быть представлена манипулятором с семью степенями свободы (рисунок 7). Поза руки – набор из семи углов в соединениях, по одному на каждую степень свободы. Базовая модель должна учитывать и ограничения на соединения в человеческой руке. Например, локтевой сустав может сгибаться приблизительно до 20 градусов и разгибаться приблизительно до 160 градусов.

Рисунок 15 – базовая модель руки человека

Некоторые движения руки можно успешно моделировать вышеописанной прямой кинематикой. Обратная кинематика позволяет решать задачи, связанные с поиском поворотов руки для достижения необходимого положения и ориентации кисти. Однако в связи с ограничениями на повороты решения, полученные применением обратной кинематики, могут выглядеть неестественно. Анатомическая основа получения человекоподобных положений тела отсутствует. Существуют работы, посвященные моделированию отдельных суставов руки, такие как диссертационная работа Шиперса о моделировании плечевого сустава, и работа Риджпкема и Жирар по моделированию хватания кистью.

Ноги 

Другой задачей, относящейся к анимации модели человека, является моделирование ходьбы или бега. Строят структурную модель ног человека, сохраняющую основную информацию о суставах, участвующих в движении, и описывают цикл движения (ходьбы или бега) в терминах структурных элементов модели ног. После этого прямой кинематикой описывают различные походки, согласно указанному циклу и структурной модели ног. Иногда, как отмечают Жирар и Масижевски, для создания физически более правильного движения для отображения описанных действий и ограничений можно использовать динамическое моделирование (моделирование, основанное на законах физики). Они отмечают, что динамику можно применять в разумных пределах, пока она будет помогать аниматору, а не окажется препятствием, с которым аниматору придется бороться. Существует несколько способов упрощения. Один из них - некоторые динамические свойства игнорируются, например, воздействие машущей ноги на равновесие. Другой – относительно небольшие изменения игнорируются, и сила считается постоянной на некотором временном интервале. Третий – сложная структура, вроде ноги с семью степенями свободы, заменяется упрощенной структурой, например, ноги с одной степенью свободы.

Лицо 

Реалистичная анимация лица – одна из самых трудных задач компьютерной анимации. Лицо является сложной изменяющейся формой, у которой имеются четко выделяемые связанные части. Хорошая модель лица должна быть способна обеспечить геометрическое представление конкретного человека (эту способность называют статичностью.

Если требуется создать анимацию мультипликационного типа, то для анимации лица зачастую хватает простой геометрической формы (например, сферы), на которую накладывают анимированные текстуры.

Для более реалистичной анимации лица используются сложные геометрические модели, которые намного более приближены к геометрическим свойствам человеческих лиц.

Этапы создания модели человека и анимация его движения

1. Голова
   - создал сферу
   -  присоединил шею (цилиндр),  в режиме редактирования изменил форму, затем объединил эти два объекта
   
2. Туловище
   - создал куб, вытянул его до прямоугольника нужного размера
   - из других четырех кубов создал руки и ноги человека

Человек получился «прямоугольным», для того, чтобы сделать фигуру более естественной перешел в режим «скульптура» и сгладил ребра параллелепипеда, изображающего туловище.

3. Ноги модели скорректировал аналогичным образом

4. Левую руку в режиме «скульптура» заузил в области локтя

5. Правую руку смоделировал также, как и левую

6. Создал арматуру объекта, в русскоязычной версии эта функция переведена как «кости».  «Кости» будут нужны для создания анимации.

7. Выполнил сглаживание тела

8. Удлинили ноги и талию

9. Соединил «кости» так, чтобы было удобно делать анимацию

10. Улучшил форму тела

11. Произвел подготовку к анимации: изменил положение тела человека

12. Вернул к исходной позе

13. Выполнил анимацию и расставил камеры

14. Для  придания анимации большей естественности желательно оформить пространство (сцену).

15.  В данном примере были добавлены лестница, мяч, баскетбольное кольцо, скамейка и банка с напитком и показано взаимодействие человека с этими предметами.

Существует различные способы создания анимации. Я использовал анимацию по ключевым кадрам и метод управления скелетом, который называется прямая кинематика.

Прямая кинематика применяются к моделям каких-либо персонажей или объектов, которые созданы с использованием скелетной анимации. Суть скелетной анимации состоит в том, что объект состоит из набора твёрдых сегментов (компонентов), соединённых сочленениями (англ. joint). При этом сегменты могут объединяться в кинематические пары, которые в свою очередь объединяются в кинематические цепи. Данные сегменты образуют иерархические цепочки, которые имеют «верхний» и «нижний» уровень. Сегменты (компоненты) верхних уровней называются компонентами-предками (или родительскими сегментами), а компоненты нижних — компонентами-потомками (или дочерними сегментами). Например, если рассмотреть руку человека, то плечевой сустав будет самым верхним уровнем, а кончик пальца — самым нижним, то есть компонентом-потомком к плечевому суставу. Локтевой сустав находится внутри цепочки, он будет иметь как родительские (плечо), так и дочерние (запястье, пальцы) сегменты.

Суть прямой кинематики состоит в том, что воздействие передаётся по иерархической цепочке сверху вниз, то есть дочерние сегменты движутся относительно родительских. Сначала положение и/или ориентацию меняет родительский сегмент. Это изменение влияет на положения и/или ориентацию всех остальных дочерних сегментов. Далее изменяется положение следующего сегмента в цепочке, при этом изменяется положение всех последующих дочерних к нему сегментов, а родительские сегменты остаются неподвижными.

Рассмотрим, например, прямую кинематику при движении руки человека. Допустим, человеку, рука которого опущена, необходимо этой рукой взять какой-либо предмет. В таком случае, в соответствии с алгоритмом прямой кинематики, сначала изменяется угол и позиция плечевого сустава. Это изменение меняет позицию всех дочерних элементов руки, которые состоят в иерархической цепочке. То есть, при повороте плечевого сустава все другие суставы руки, такие как локоть, запястье и пальцы, меняют своё положение. Далее поворачивается локтевой сустав, что приводит к изменению положения дочерних сегментов — запястья и пальцев, но не затрагивает родительский сегмент — плечо. Данная процедура проводится до тех пор, пока цель не будет достигнута или пока положение и/или ориентация всех сегментов иерархической цепочки не будет изменена.

Кратко это формулируется так: метод управления скелетом, когда позиции дочерних костей определяются позициями родительских, называется прямая кинематика.

Прямая кинематика активно используется в робототехнике, трёхмерной компьютерной анимации и в разработке компьютерных игр. Алгоритм прямой кинематики противоположен алгоритму инверсной кинематики.

Создание модели динозавра и ее анимация

В модели динозавра, кроме перечисленных приемов, добавлены текстуры. Видно, что кожа динозавра имеет цвет и фактуру. Текстуру поверхности динозавра и других объектов я сделал в этой же программе. Задний фон оформлен с помощью модификатора пространства. Объекты, составляющие окружающий мир, созданы с использованием приема деформации полигонов.

При моделировании движения динозавра по сравнению с моделью человека были использованы новые свойства Single Bone (кость) Inverse Kinematics. Она используется в основном в тех ситуациях, когда необходимо точное позиционирование гибких сочленений одного объекта относительно других объектов окружающей среды. Алгоритм инверсной кинематики противоположен алгоритму прямой кинематики.

 Большинство 3D-анимаций проигрываются путем поворота костей скелета по заданным значениям (ключам). Позиции дочерних костей определяются позициями родительских. Этот метод управления скелетом называется прямая кинематика.

Однако, часто бывает полезно взглянуть на задачу с другой стороны. Можно работать в обратном направлении и задавать позиции родительских костей в зависимости от положения дочерних. Это очень удобно, когда вы хотите, чтобы персонаж касался выбранных игроком объектов или реалистично ходил по неровной поверхности. Этот метод называется Инверсная Кинематика (IK) и удобна для любого персонажа с правильно настроенным скелетом.
Чтобы использовать IK вам нужно разместить на сцене объекты, с которыми ваш персонаж будет взаимодействовать, а затем настроить IK.

Основным отличием прямой кинематики от инверсной кинематики является то, что при прямой любое воздействие передается по иерархической цепочке сверху вниз. Например, при движении тазобедренного сустава двигаются все потомки, т. е. коленный сустав и все остальные. Инверсная кинематика использует принцип, диаметрально противоположный принципу прямой — перемещение компонентов-потомков приводит к изменению положения компонентов-предков, то есть алгоритм рассчитывает положение и ориентацию компонентов-предков, исходя из положения и ориентации компонентов-потомков.

В инверсной кинематике дочерний сегмент (компонент-потомок), который вызывает изменение положения и ориентацию других объектов и расположен в середине отдельной иерархической цепочке сегментов, называется эффектором (англ. effector). Если эффектор является конечным объектом данной иерархической цепочки, то он называется конечным эффектором (англ. end effector). Именно через эффектор осуществляется манипулирование всей иерархической цепочкой. Изменение положения и/или ориентации конечного эффектора приводит к изменению положения и/или ориентации всех сегментов иерархической цепочки по законам инверсной кинематики. Изменение положения и/или ориентации простого (не конечного) эффектора приводит к тому, что положение объектов, стоящих по иерархии ниже его, меняется по законам прямой кинематики, а объектов с более высокой иерархией — по законам инверсной кинематики.

Ключом к успешной реализации инверсной кинематики является анимация в пределах ограничений (англ. constraints): конечности модели персонажа должны вести себя в разумных антропоморфических пределах. Точно такая же ситуация и с робототехническими устройствами, которые имеют физические ограничения, такие как среда, в которой они работают, ограничения движения их суставов и ограниченные физические нагрузки и скорости, с которыми они в состоянии работать.
Инверсная кинематика является инструментом, который часто используют художники трёхмерной графики. Для художника проще выразить желаемое пространственное действие, чем непосредственно манипулировать углами сочленений. Например, инверсная кинематика позволяет художнику двигать рукой модели трёхмерного гуманоидного персонажа к желаемой позиции и ориентации. При этом сам алгоритм, а не художник, выбирает правильные углы запястья, локтя и плечевого сустава.

Например, если человек хочет схватить дверную ручку рукой, то его мозг должен сделать необходимые вычисления для правильного позиционирования руки и туловища человека. Основная цель состоит в том, чтобы двигать рукой, но нужно задействовать много сложных суставов с несколькими сочленениями, чтобы добраться рукой к желаемому объекту. Подобным образом происходит процесс в технологических приложениях — чтобы достичь желаемой цели, должны быть выполнены математические вычисления инверсной кинематики для расположения конечностей правильным образом. Примером, когда вычисления инверсной кинематики часто необходимы, является робототехника. Например, оператор робота хочет поместить какой-либо объект с помощью манипулятора, однако, естественно, он не хочет управлять каждым сочленением манипулятора отдельно.

Другими приложениями, где используется инверсная кинематика, являются приложения компьютерной графики и анимации. Например, аниматоры хотят управлять моделью гуманоидного персонажа, анимация которого генерируется компьютером, однако очень трудно анимировать индивидуальные сочленения. Решение состоит в том, чтобы смоделировать виртуальные сочленения «марионеточной куклы» и позволить аниматору двигать руками, ногами и туловищем куклы, а компьютер с использованием инверсной кинематики автоматически сгенерирует необходимые позиции конечностей для достижения результата.

Инверсная кинематика часто используется в компьютерных играх для создания анимации гуманоидных персонажей. В основном инверсная кинематика используется для создания анимации ног моделей человекоподобного существа или человека. Например, довольно просто создать анимацию передвижения (ходьба, бег) человека или наземного животного, если он движется по ровной плоскости. Однако если ландшафт неровный (бугристый, ухабистый, пересечённая или горная местность), то создание точной анимации ходьбы является фактически невозможной задачей. Анимация ног не будет соответствовать рельефу поверхности, что проявится в таких эффектах, как проскальзывание ног по поверхности и неточном позиционировании ног относительно её (ступня будет «утопать» в поверхность или «не доставать» до неё). Именно для качественного и эффективного решения этих проблем используется инверсная кинематика

Заключение

В ходе работы приобрел полезные навыки и знания. Создание анимации требует знаний  физики, биологии, анатомии, изобразительного искусства. Мне потребовалась информация о пропорциях человеческого тела, о том, как работают суставы, как двигаются руки, ноги и тело человека или другого объекта во время ходьбы и бега и т.д.  Я понял, что создание анимации требует труда, терпения и знаний, это не игра, а серьезная работа.

В дальнейшем хочу продолжить разработку трехмерных моделей в данной программе и  изучить другие программы.

Считаю, что цель, поставленная в начале работы по созданию трехмерной анимации,  достигнута.

Литература

http://3dtoday.ru/blogs/saamec/lesson-3d-modeling-in-blender-some-basics-and-working-with-text/

http://www.youtube.com/watch?v=7GCtVM-8naY

http://programishka.ru/index.php?route=product/category&path=59
Официальный сайт программы http://www.blender.org/.