Μοντέρνα Μέθοδος

            Η δημιουργία κάθε animation περνάει από κάποια στάδια μέχρι την ολοκλήρωσή του. Μία βασική ροή εξέλιξης κινούμενης εικόνας δίνεται σχηματικά παρακάτω αν και θα ήτανε καλό να έχουμε υπόψη μας ότι αυτός ο δρόμος δεν είναι απόλυτος ως προς την σειρά υλοποίησης και τήρησης του.

Τα βασικά στάδια :

Ανάλυση

            Παρακάτω δίνεται η ανάλυση των βασικών σταδίων της διαδικασίας που περιγράφηκε παραπάνω.

Storyboard

            Προτού ξεκινήσουμε την δημιουργία κινούμενης εικόνας σε υπολογιστή καλό είναι να έχουμε ήδη σχεδιάσει πρόχειρα σε χαρτί βασικά μέρη του animatition. Η σειρά των σχεδίων ονομάζεται Storyboard. Αυτή η τακτική του Storyboard είναι καλή για δύο λόγους, πρώτον όλοι οι συνεργάτες που εμπλέκονται με την δημιουργία του animation έχουνε μία καλή ιδέα του τι περιλαμβάνεται και πως ακριβώς θέλουμε να φανεί αυτό και δεύτερον έχουμε μία ιδέα της οικονομικής έκτασης του έργου, οπότε να μπορεί ο πελάτης να ξέρει αν μπορεί να προχωρήσει η όχι.

Modeling

            Αυτό το τμήμα ασχολείται με την μορφοποίηση και σχεδίαση των animating χαρακτήρων σύμφωνα με το Storyboard, κάτι που γίνεται στον ηλεκτρονικό υπολογιστή με αρκετή λεπτομέρεια.            Όταν ένας χαρακτήρας αποτελείται από αντικείμενα περισσότερα του ενός είναι προτιμότερο να υπάρχει μία ιεραρχία σε αυτά. Κλασσικό παράδειγμα είναι αυτό του ανθρώπινου σώματος, κάτι που χρησιμοποιείται πολύ συχνά σε animation ταινίες. Τα δάχτυλα συνδέονται στο χέρι το οποίο συνδέεται με την σειρά του στον αγκώνα κι αυτό με τη σειρά του στο μπράτσο, και όλα μαζί στον ώμο. Με την ίδια λογική συνδέονται και τα υπόλοιπα τμήματα του ανθρώπινου σώματος μεταξύ τους ιεραρχικά.

Ο λόγος για τον οποίο εφαρμόζεται αυτή η ιεραρχία είναι καθαρά για ευκολία, καθώς η κίνηση κάθε αντικειμένου θα ακολουθείται από ανάλογη μετακίνηση των υπόλοιπων ιεραρχικά συνδεδεμένων τμημάτων σε αυτό.

Υπάρχουν ορισμένες μέθοδοι modeling :

1.      Φυσικό Modelling

Σε αυτή την μέθοδο μπορούμε να δημιουργήσουμε μία εικόνα ενός φυσικού αντικειμένου στον Η/Υ κάνοντας χρήση scanners και τρισδιάστατων ηλεκτρομαγνητικών ανιχνευτών. Το αντικείμενο τότε απεικονίζεται με γεωμετρικά σχήματα όπως τρίγωνα και πολύγωνα. Οι συντεταγμένες αυτών των σχημάτων εισέρχονται στον υπολογιστή σε καρτεσιανή μορφή για περαιτέρω ανάλυση και επεξεργασία.

            Digitising είναι η διαδικασία κατά την οποία ένα αντικείμενο κόβεται ψηφιακά σε φέτες μέσω ενός laser. Το πάχος κάθε φέτας ορίζεται από την ανάλυση και τον αριθμό των ακμών στην τελική επιφάνεια. Το laser κόβει το αντικείμενο και μετά προχωράει στην επόμενη φέτα. Ο υπολογιστής έχει τώρα δισδιάστατες φέτες τις οποίες συνδυάζει στον άξονα των x. Έτσι έχουμε το αντικείμενο ψηφιοποιημένο μέσα στον Υ/Η με ψηφιακή επιφάνεια που να συνδέει τις φέτες μεταξύ τους.

2.      Ορθογώνιες Φωτογραφίες

      Αυτή η διαδικασία περιλαμβάνει τρία στάδια :

Πρώτο : πρέπει να βρεθούν τα γεωμετρικά σχήματα στο σωστό μέγεθος πάνω στην επιφάνεια του αντικειμένου, έχοντας υπόψη πάντα ότι θέλουμε την ελάχιστη αλλοίωση των βασικών χαρακτηριστικών του αντικειμένου, ως προς το σχήμα και το μέγεθός του.

Δεύτερο : πρέπει να παρθούν φωτογραφίες του αντικειμένου από διαφορετικές γωνίες, να μεγενθυθούν αυτές σε κατάλληλο χαρτί (tracing paper) ώστε να βρεθούν και να καταμετρηθούν όλες οι ακμές και τα χαρακτηριστικά του αντικειμένου.

Τρίτο : ευθυγραμμίζουμε τα σχήματα στις σωστές τους θέσεις σε ένα digitizer. Από εκεί και πέρα ο Η/Υ ταιριάζει όλες τις κοινές ακμές των γεωμετρικών σχημάτων λαμβάνοντας υπόψην του όλες τις οπτικές γωνίες του αντικειμένου και βρίσκει με αυτό το τρόπο τις καρτεσιανές συντεταγμένες για όλα τα σημεία του.

Σενάριο / Έλεγχος Κίνησης

Η κίνηση και μετακίνηση ενός αντικειμένου είναι το πιο βασικό κομμάτι της διαδικασίας του animation. Υπάρχουν πολλοί τρόποι και διαδικασίες στον έλεγχο τις κίνησης.

1.      Δρόμοι Κίνησης

Δρόμος ονομάζεται μία αλληλουχία θέσεων που αποκτά ένα αντικείμενο στο πέρασμα του χρόνου, το μονοπάτι δηλαδή. Ορίζοντας το μονοπάτι ενός αντικειμένου, ο δημιουργός του animation (animator) έχει την ικανότητα να μετακινεί αντικείμενα σαν στατική εικόνα, κάτι που δεν είναι ρεαλιστικό. Τα διαφορετικά κομμάτια που απαρτίζουν το αντικείμενο μπορούν να έχουν το δικό τους ξεχωριστό μονοπάτι το καθένα. Αυτό δείχνει πόσο σημαντική είναι η ιεραρχία που συνδέει τα διαφορετικά τμήματα μεταξύ τους για να βγει μία ρεαλιστική φυσικότατη κίνηση. Ένα καλό παράδειγμα αποτελεί το ανθρώπινο σώμα το οποίο κατά το περπάτημα του παρατηρούνται διαφορετικά μονοπάτια κίνησης για το κάθε κομμάτι του ξεχωριστά, όπως τα πόδια, τα χέρια, το κεφάλι κ.α.

2. Κινηματική

Εκτός από το μονοπάτι και τον δρόμο που ακολουθεί ένα αντικείμενο, υπάρχουνε και άλλα εξίσου σημαντικά χαρακτηριστικά που πρέπει να διευκρινιστούν. Θέση, ταχύτητα, επιτάχυνση και οι περιστροφικές τους αντιστοιχίες προσδιορίζουν την επιστήμη τις Κινηματικής. Για παράδειγμα, όταν θέλουμε να προσδώσουμε αργή κίνηση τοποθετούμε τα καρέ σε κοντινή απόσταση μεταξύ τους, ενώ για ταχύτερες κινήσεις τα τοποθετούμε σε μεγαλύτερη απόσταση. Έτσι υπάρχει ένας εύκολος και μεθοδικός τρόπος να αποδώσει με ακρίβεια τις λεπτομέρειες τις κίνησης.

Υπάρχουνε δύο τρόποι εφαρμογής της Κινηματικής σε ένα αντικείμενο, ειδικότερα στις περιπτώσεις που αυτό αποτελείται από αρκετά κομμάτια : η κανονική και η αντίστροφη. Η πρώτη έχει να κάνει με την εφαρμογή ιεραρχίας ξεκινώντας από την κορυφή ως την βάση ακολουθώντας πάντα την κίνηση των υψηλότερων στην ιεραρχία κομματιών που απαρτίζουν το αντικείμενο. Αυτό που είναι απόλυτα σημαντικό είναι η σωστή διευκρίνηση των σημείων σύνδεσης του αντικειμένου με τα υπόλοιπα αντικείμενα. Συνήθως αυτή είναι η πιο λογική και απλή διαδικασία. Παρόλα αυτά , σε μερικές περιπτώσεις που θέλουμε ένα συγκεκριμένο κομμάτι του αντικειμένου να τοποθετηθεί σε κάποιο συγκεκριμένο σημείο, ακολουθούμε την λογική της αντίστροφης Κινηματικής. Με αυτή τη μέθοδο ο animator διαλέγει το σημείο από όπου θέλει να ξεκινήσει η κίνηση. Ο Η/Υ υπολογίζει όλες τις συντεταγμένες που πρέπει να ικανοποιούν τις υπάρχουσες συνθήκες. Παρόλα αυτά δεν υπάρχει μόνο μία μέθοδος λύσης στο πρόβλημα, και λύση δίνεται πάντα εφόσον υπολογιστούν σωστά οι κινήσεις των συνδέσμων των αντικειμένων σε σχέση με τα σημεία που έχουμε πάρει ως σημείο αναφοράς.

Μπορούμε να πραγματοποιήσουμε πιο φυσικές και ρεαλιστικές κινήσεις στο animation ενός χαρακτήρα με την βοήθεια του motion capture. Πρόκειται για μία τεχνική κατά την οποία καταγράφονται ψηφιακά οι κινήσεις ενός ηθοποιού, και καταχωρούνται στον Η/Υ. Αυτά τα δεδομένα μετά συνδυάζονται με τον χαρακτήρα του animation με αποτέλεσμα να βγει μία πολύ πιο φυσική κίνηση, ταυτόσημη με αυτήν ενός πραγματικού ανθρώπου.

3. Δυναμική

            Μετά την εφαρμογή της κινηματικής εφαρμόζουμε την δυναμική. Με την δυναμική προσθέτουμε φυσικότητα και ρεαλιστικότητα στην κίνηση του χαρακτήρα μας. Αυτή έχει να κάνει με τις ψευδαισθήσεις της βαρύτητας, της μάζας, της αντίστασης και τις μορφοποίησης. Έχοντας υπόψη τα προηγούμενα ο Η/Υ υπολογίζει την κίνηση του αντικειμένου. Παράδειγμα η κίνηση των μαλλιών στον αέρα, η ακόμα μιας σημαίας που κυματίζει. Χάρη στη δυναμική δίνεται φυσική οντότητα στην κίνηση μέσα στον φυσικό χώρο.

4. In-betweening

Σε αυτή τη διαδικασία ο animator το μόνο που έχει να δημιουργήσει είναι κάποια key-frames. Αυτά είναι κάποια καρέ-κλειδιά στα οποία εμφανίζονται κύριες διαφοροποιήσεις στα αντικείμενα, όπως αλλαγή σχήματος, θέσεως, ταχύτητας και μεγέθους. Μετά την εισαγωγή αυτών, ο Η/Υ υπολογίζει μόνος του όλες τις ενδιάμεσες καταστάσεις σώζοντας πολύτιμο χρόνο στον animator.

Για παράδειγμα, όταν θέλουμε να απεικονίσουμε έναν άνθρωπο να περπατάει, τότε το μόνο που θα χρειαστεί από μέρους μας θα είναι να καθορίσουμε τα ενδιάμεσα στάδια, αρχικά και τελικά της κίνησής του, και τα υπόλοιπα θα τα χειριστεί από μόνος του ο Η/Υ.

5. Onionskinning

Αυτή η μέθοδος βασίζεται στην τεχνική των επιπέδων. Το animation ή ακόμα μία μόνο εικόνα αποτελείται από συνδυασμό αρκετών επιπέδων, τα οποία αλληλοκαλύπτονται. Στο παρελθόν αυτή η τεχνική χρησιμοποιούσε διαφανή χρωματιστά πλαστικά κομμάτια τα οποία αποτελούσαν την εικόνα, καλύπτοντας το ένα το άλλο. Συνήθως ένας χαρακτήρας αποτελούνταν από διαφορετικό κομμάτι πλαστικού, ώστε να χρησιμοποιηθεί και σε  επόμενες σκηνές και καρέ.

            Η παραπάνω φιλοσοφία του Onionskinning χρησιμοποιείται και σε άλλες κατηγορίες της επιστήμης των Η/Υ όπου διαφορετικές λειτουργίες χρησιμοποιούνται σε διαφορετικά στρώματα, και το τελικό αποτέλεσμα επιτυγχάνεται με τον σωστό συνδυασμό αυτών.

Για την τελική δημιουργία του Animation γίνεται χρήση ενός από τις παραπάνω μεθόδους, και το πια τελικά θα χρησιμοποιηθεί εξαρτάται από τον τύπο του animation, δηλαδή αν πρόκειται για δισδιάστατο ή τρισδιάστατο.   

2-D

            Τα περισσότερα animation είναι τρισδιάστατα, καθώς αναπαριστάνουν συνήθως τον κόσμο μας ο οποίος είναι τρισδιάστατος. Τα δισδιάστατα animation συνήθως κάνουν χρήση κυψελών όπου τα key-frames χρησιμοποιούνται για να δείξουν την διαδρομή του animation, και τα ενδιάμεσα στάδια σχεδιάζονται από τον animator και όχι τον Η/Υ. Η διαφορά έγκειται στο γεγονός ότι οι εικόνες δημιουργούνται πάνω σε επίπεδο κουκίδων (pixels). Το morphing είναι η πιο διαδεδομένη τεχνική στο 2-D animation σήμερα. Αυτή η τεχνική είναι κυρίως τεχνική μορφοποίησης έτοιμης εικόνας παρά τεχνική δημιουργίας εικόνας.

3-D

            Σχεδόν όλα τα computer animation που γίνονται σήμερα βασίζονται στις τεχνικές της κυψέλης. Τα περισσότερα υπολογιστικά συστήματα animation βασίζονται σε χρονικά μεταβαλλόμενες παραμέτρους, ονομαζόμενες ως τροχιές, και καθορίζουν την πορεία και το στάδιο του animation σε κάθε στιγμή. Το ζεύγος (χρόνος, παράμετρος) μίας τροχιάς καθορίζει την κατάσταση του animation  για την συγκεκριμένη χρονική στιγμή καθώς και την στατική εικόνα. Οι διαδικασίες είναι συγκριτικά παρόμοιες με τις διαδικασίες για την δημιουργία animation με την τεχνική της κυψέλης, αφήνοντας όμως πολύ μεγαλύτερες δυνατότητες και ευελιξίες χάρη στην χρήση state-variable αντί για world-variable. Παρόλο που οι τροχιές δεν επιτρέπεται να είναι ανεξάρτητες,  μπορούμε εύκολα να τις χειριστούμε σαν ανεξάρτητες, οδηγώντας μας στην τεχνική ιεραρχίας animation όπου πρώτα πραγματοποιείται η γενική κίνηση του μοντέλου και μετά σταδιακά προστίθεται λεπτομέρεια. Ο αριθμός των τροχιών που πραγματοποιούνται σε ένα animation καθώς και η πολυπλοκότητα του καθενός, δείχνει την δυσκολία και την χρονική απαίτηση που έχει αυτή η διαδικασία, κάτι που δείχνει τον δρόμο εξέλιξης και των Η/Υ προς αυτή τη κατεύθυνση του animation.

Particle System

            Σε περιπτώσεις που έχουμε να αντιμετωπίσουμε φυσικά φαινόμενα (καπνός, βροχή, φωτιά κ.α.) ή ομάδες αντικειμένων, που έχουνε συγκεκριμένη σχέση μεταξύ τους, η μέθοδος του keyframe, που περιγράψαμε νωρίτερα, δεν είναι η σωστή και κατάλληλη μέθοδος, διότι ο καθένας θα πρέπει να ορίσει ένα συγκεκριμένο και ξεχωριστό μονοπάτι για καθένα μέλος της ομάδας. Για αυτό το σκοπό δημιουργήθηκε το Particle System. Τα Particle System δουλεύουν με τον προσδιορισμό καταστάσεων και κανόνων συμπεριφοράς του κάθε particle ή ενός particle group. Ένα particle μπορεί να είναι οτιδήποτε, από ένα σημείο έως κι ένα ολόκληρο αντικείμενο. Η λογική που ακολουθείται είναι απλή, αφήνοντας στον animator να καθορίσει την κίνηση κάποιων βασικών particles ενώ τα υπόλοιπα particles ακολουθούν τις ίδιες κινήσεις, υπακούοντας σε κάποιους κανόνες που έχουν να κάνουν με τις δυνάμεις μεταξύ των particles. Για παράδειγμα, στην περίπτωση ομάδας πουλιών ο animator τα θέλει να πετάνε κοντά μεταξύ τους, με την ίδια ταχύτητα, χωρίς να έχουμε συγκρούσεις. Αυτό μπορεί να γίνει δυνατό ορίζοντας το πουλί που οδηγεί την ομάδα με μία συγκεκριμένη κίνηση, και τα υπόλοιπα πουλιά ακολουθούν από πίσω. Παρόμοια κατάσταση επικρατεί και σε άλλες περιστάσεις όπου καπνός, εκρήξεις και φωτιά αποτελούνται από particles μικρά και μεγάλα, το ένα ακολουθώντας τους κανόνες και τις κινήσεις του άλλου παράγοντας τελικά το επιθυμητό animation.

Rendering

Μία μεγάλη δυσκολία εμφανίζεται όταν ο animator καλείται να δημιουργήσει αμέσως μία σκηνή με γραφικές λεπτομέρειες, όπως φωτισμοί, σκιές και επιφάνειες. Μία συνηθισμένη διαδικασία επίλυσης του προβλήματος είναι μέσω rendering των σχημάτων και της σκηνής μαζί σε γεωμετρική μορφή .

Wire Frame

            Με αυτή την μέθοδο ο animator πρέπει να δώσει σε κάθε τμήμα της προετοιμασίας το σωστό βασικό χρώμα σύμφωνα με την  επιφάνεια του αντικειμένου. Όσο μεγαλύτερη ποιότητα θέλουμε, τόσο πιο χρονοβόρα διαδικασία αντιμετωπίζουμε. ‘Όλα εξαρτώνται από τον animator,  ο οποίος έχει πολλές επιλογές ως προς τον τρόπο και διαδικασία εκτέλεσης του rendering ανάλογα με την σκηνή.

Flat Shading

            Είναι πιθανό να έχουμε και rendering σε πραγματικό χρόνο. Φυσικά έχουμε σαν αποτέλεσμα το χάσιμο ποιότητας και γραφικής λεπτομέρειας, διότι στην μέθοδο αυτή που ονομάζεται Flat Shading παρατηρούμε γρήγορο κι εύκολο render αλλά σε αντικείμενα με επίπεδα, χωρίς ρεαλιστικότητα.

Gouraud

            Μία επίσης γρήγορη μέθοδος που μπορεί να χρησιμοποιηθεί ακόμα είναι η τεχνική του Gouraud. Αυτή η τεχνική απλά αλλοιώνει απαλά τα χρώματα στις άκρες ενός αντικειμένου, αντιγράφοντας τον τρόπο που λειτουργεί μία σκιά, σύμφωνα και με τις τιμές που έχει ο υπολογιστής για το χρώμα και το render που θα υπάρξει στα αντικείμενο αυτό.

Phong

 Η τεχνική του PHONG εφαρμόζεται σε όλα τα χρώματα ενός αντικειμένου, χωρίς να λαμβάνουμε υπόψη μας τις επιφάνειες, αλλά το χρώμα του κάθε σημείου ξεχωριστά. Αυτός ο υπολογισμός παίρνει υπόψη του εκτός από τα βασικά χρώματα και τον φωτισμό και τις επιφάνειες του αντικειμένου. Η ποιότητα της μεθόδου είναι ικανοποιητική χωρίς μεγάλη απώλεια χρόνου.

Ray Tracing

Η ποιότητα αυτής της μεθόδου είναι η καλύτερη, αλλά χρειάζεται πολύς χρόνος για την διαδικασία του rendering. Είναι η πιο ολοκληρωμένη μέθοδος λαμβάνοντας υπόψη της όλες τις γραφικές παραμέτρους : χρωματισμούς, φωτισμούς, σκιάσεις, διαπερατότητες και αντανακλάσεις. Είναι η μόνη μέθοδος που δίνει στο φως πραγματική οντότητα υπό όλες τις συνθήκες, σε οποιαδήποτε επιφάνειες του αντικειμένου προσδίδοντας φυσικότητα και πραγματική εμφάνιση σε κάθε ξεχωριστό σημείο.

Radiosity

      Πρόκειται για την πιο σύγχρονη και μέθοδο rendering, ακολουθώντας μία πολύ σοφιστικέ λογική, υπολογίζοντας μία εικόνα ολοκληρωμένα λαμβάνοντας υπόψη και τις επιδράσεις των αντικειμένων μεταξύ τους. Πρόκειται για ένα μοντέλο το οποίο προσεγγίζει την πραγματικότητα περισσότερο από κάθε άλλο, απαιτώντας όμως παράλληλα και χρόνο και υπολογιστική ισχύ. Παράδειγμα είναι ένα μπιλιάρδο όπου θέλουμε οι μπάλες να γυαλίζουν στο φως και να αντανακλούν κομμάτι από το περιβάλλον τους σφαιρικά, περιλαμβάνοντας και τις υπόλοιπες μπάλες μαζί με το τραπέζι ανάλογα με τις επιφάνειές τους, τα χρώματά τους και τον φωτισμό τους.

Textures

Texture mapping

Τα textures είναι τα σχέδια σε επιφάνειες. Υπάρχουν δύο ειδών textures, τα 2-D και τα 3-D. Ενώ τα 2-D textures είναι ουσιαστικά εικόνες ή ζωγραφιές, τα 3-D textures δίνουν την ψευδαίσθηση του βάθους και του όγκου. Η τρισδιάστατη εμφάνιση μπορεί να πραγματοποιηθεί με την τοποθέτηση απλών textures  σε διαφορετικές σκάλες. Επίσης οι ορολογίες texture mapping και texture wrapping αποτελούν τα δύο είδη κάλυψης της επιφάνειας ενός αντικειμένου με πραγματική εμφάνιση, δίνοντας την  ρεαλιστική εικόνα ενός αντικειμένου πως αποτελείται από κάποιο υλικό.

Image mapping

Αυτή η τεχνική χρησιμοποιείται όταν θέλουμε να παράγουμε animation μέσα σε άλλο animation. Έτσι μας επιτρέπεται να χρησιμοποιήσουμε ένα animating 2-D texture πάνω σε αντικείμενο που κινείται και αποτελεί ήδη από μόνο του ένα animation.

Reflectance Mapping

         Αυτή η τεχνική επιτρέπει στον χρήστη να εμφανίσει ανακλάσεις του περιβάλλοντος μίας σκηνής πάνω στην επιφάνεια ενός αντικειμένου. Ο χρήστης έχει την δυνατότητα να αντιγράφει εικόνες από το γύρω περιβάλλον του αντικειμένου, πάνω στις επιφάνειες αυτού σύμφωνα με τις καμπύλες του, το σχήμα του, και την γωνία ανάμεσα στις εικόνες αυτές και στις επιφάνειες του.

Procedural Mapping

             Αυτή η τεχνική χρησιμοποιείται για τη δημιουργία textures των οποίων οι τιμές ακολουθούν μαθηματικούς τύπους και κανόνες, μεταβάλλοντας με τον χρόνο την εμφάνισή τους. Παράδειγμα τέτοιων συνθηκών είναι τη φθορά αντικειμένων και των επιφανειών τους από φυσικές αιτίες όπως η φωτιά και η ζέστη και άλλα.

Bump Mapping

       Αυτή η μέθοδος χρησιμοποιείται όταν θέλουμε να δώσουμε υφή στην επιφάνεια ενός αντικειμένου. Παράδειγμα είναι το δέρμα ενός κροκόδειλου η ακόμα και η επιφάνεια ενός βράχου.