Некоторые технологии создания анимационной графики

ЛЕКЦИЯ

Тема: Средства и технологии работы с графикой

План:

1. Средства обработки графической информации

2. Графические редакторы

3. Аниматоры

4. Трёхмерная анимация

5. Программы двумерного и трёхмерного моделирования

6. Программы для научной визуализации

 

Графика, картинки, фотографии — для компьютера это тоже знаки. Их преобразование производится с помощью очень интересных, но иногда весьма непростых технологий.

Средства обработки графической информации

Аппаратные средства

К аппаратным средствам создания и обработки графических изображений (рисунков, схем, фотографий и пр.) относятся в основном:

• мониторы и видеокарты, поддерживающие графический режим отображения;
• видеоускорители, ускоряющие выполнение графических операций и тем самым разгружающие центральный процессор;
• 3D-акселераторы, способные самостоятельно, без участия процессора, рассчитывать взаимное расположение фигур в трёхмерном пространстве и в реальном масштабе времени отображать требуемую двумерную проекцию на экране монитора;
• манипуляторы «мышь», без которых не мыслится работа большинства современных программных средств работы с графикой;
• сканеры как устройства оцифровки графических изображений;
• дигитайзеры (совместно со световым пером и графическим планшетом), преобразующие в векторный формат изображение, полученное в результате передвижения руки оператора;
• принтеры и графопостроители (плоттеры) в качестве основных устройств вывода графических изображений.

 

Программные средства

К программным средствам создания и обработки графических изображений относятся:

• графические редакторы;
• аниматоры;
• программные средства для работы с трёхмерной графикой;
• средства деловой графики;
• средства для создания презентаций, функции которых часто совмещают функции вышеперечисленных средств. Перечисленные средства могут встречаться в виде:
• отдельных самостоятельных программ (чаще всего это графические редакторы);
• отдельных модулей, входящих в состав других программных средств (например, Мастер диаграмм как составная часть текстового процессора или электронных таблиц);
• сложного комплекса программных модулей (большинство программных средств для работы с трёхмерной графикой, средства автоматизированного проектирования и т. п.).

 

Программы компьютерной графики и анимации представляют профессиональный интерес для художников и дизайнеров, полиграфистов и кинематографистов, разработчиков компьютерных игр и создателей образовательных программ, клип-мейкеров и учёных, а также любых специалистов, которым необходимо создавать, использовать и обрабатывать самые разнообразные изображения.

По своему профессиональному назначению средства компьютерной графики и анимации можно подразделить на следующие группы:

• пакеты компьютерной графики для полиграфии — позволяют дополнять текст иллюстрациями разного происхождения, создавать дизайн страниц и выводить полиграфическую продукцию на печать с высоким качеством;
• программы двумерной компьютерной живописи — графические редакторы;
• презентационные пакеты, используемые как средства создания разнообразных слайдов для сопровождения докладов, выступлений, рекламных акций;
• программы двумерной анимации, используемые для создания динамических изображений и спецэффектов в кино;
• программы для двумерного и трёхмерного моделирования, применяемые для дизайнерских и инженерных разработок;
• пакеты трёхмерной анимации, используемые для создания рекламных и музыкальных клипов и кинофильмов;
• комплексы для обработки видеоизображений, необходимые для наложения анимационных спецэффектов на видеозапись;
• программы для научной визуализации.

 

2. Графические редакторы

 

Графические редакторы (Painter, Adobe Photoshop, Adobe Illustrator, Corel Draw!, FreeHand, Picture Man и другие) предназначены преимущественно для просмотра, создания и редактирования плоскостных (двумерных) статичных изображений.

Они используются и как самостоятельные средства, и в качестве одного из модулей дизайнерских, презентационных или анимационных программ.

Этот класс программ часто носит название 2Б-графика (D от англ. dimension — размерность). Они моделируют различные изобразительные инструменты (карандаш, ручка, уголь, аэрограф и др.), позволяют имитировать рисунки акварелью и маслом, а также создавать эффект натуральной среды. На рис. 1 показан рисунок, созданный в графическом редакторе.

Рис. 1. Рисунок, созданный в графическом редакторе

Пользовательское меню графического редактора чаще всего включает в себя возможность выбора:

• цвета линий и фона;
• толщины и типа линий;
• инструментов (графические примитивы, сопровождение надписями, средства выделения фрагмента изображения и прочее);
• простейших вариантов преобразования выделенного фрагмента (копирование, удаление, симметричное отображение, масштабирование, наклон, растушёвка и прочее);
• операций над изображением в целом (сохранить на внешнем носителе, установить атрибуты изображения — размер, цветность, формат файла и прочее, вывести на печать и т. п.);
• операций над слоями изображения (наложение слоев, использование прозрачности слоя и пр.).

 

Применение всевозможных эффектов базируется на алгоритмах, работа которых заключается в преобразовании цветов отдельных пикселей изображения в соответствии с определёнными математическими формулами.

Пример. Графический редактор Photoshop 5.0 включает в себя в качестве инструментов для обработки изображений разнообразные эффекты.

1. Применяя последовательно поворот изображения на 90°, эффект «Ветер», обратный поворот на 90°, эффект «Дрожание», эффект «Размытие», и смену палитры, можно из обычного текста получить изображение «огненной» надписи (рис. 2).

Рис. 2. «Огненная» надпись из обычного шрифта

 

2. Последовательно применив к белому листу фильтр «Облака», стиль «Найти края» и выбрав режим автоматического подбора уровней чёрного и белого цвета, можно получить вполне реалистичное изображение каменистой поверхности (рис. 3).

Рис. 3. «Каменистая» поверхность

 

Большинство графических редакторов создают растровые (точечные) изображения, хотя имеют возможности работать и с векторной графикой. Программы-аниматоры и программы для работы с трёхмерной графикой часто используют векторный способ кодирования изображений. Это связано с тем, что при использовании растровой графики существенную часть работы по построению изображения надо делать вручную, в том числе прорисовывать промежуточные кадры в анимации.

Настоящее объёмное (трёхмерное, 3D) изображение проще создать с помощью векторной графики. Этот метод больше походит на черчение, причём часто трёхмерное. С помощью векторной графики объекты строятся из так называемых примитивов — линий, окружностей, кривых, кубов, сфер и т. д. Примитив не нужно рисовать — выбрав пиктограмму с изображением или названием, например, сферы, вы просто задаёте её параметры (координаты центра, радиус, количество граней, составляющих трёхмерные поверхности и т. п.), а уж компьютер чертит её сам.

Технологию создания трёхмерного изображения можно разделить на три основных этапа.

Этап 1. На этом этапе, который называется каркасной аппроксимацией, строится каркас будущего изображения — производится представление всех криволинейных поверхностей в виде пространственной сети, состоящей из двумерных граней. Чем мельче это разбиение, тем более правдоподобно будет выглядеть картинка.

Этап 2. Этап геометрических построений поверхностей включает построение сцены: заполнение поверхностей, создание перспективы, учёт влияния источников света и пр.

Этап 3. На заключительном этапе выбираются материалы (текстуры), в соответствии с которыми происходит раскраска поверхностей, и запускается процесс визуализации (Rendering). Это, как правило, довольно длительная процедура построения реалистичного изображения по созданной каркасной модели и указанным материалам.

 

Процесс создания трёхмерного объекта и его преобразование в двумерное представление осуществляется совместно центральным процессором и графическим процессором, расположенным на карте видеоадаптера или 3D-акселератора. При этом координаты объекта сначала преобразуются в физические, а затем в 2D-координаты экрана монитора (путём построения различных ортогональных и аксонометрических проекций). После этого 3D-акселератор выполняет раскраску и заполнение каждого пикселя изображения. Этапы создания трёхмерного изображения проиллюстрированы на рис. 4.

3. Аниматоры

Аниматоры (Animator Pro, Power Animator, Animation Works Interactive, Animo и др.) могут работать как с двумерными, так и с трёхмерными изображениями.

В отличие от традиционной анимации, где каждый кадр рисуется вручную, в компьютерной двумерной анимации значительную часть рутинной работы берёт на себя программа.

Рис. 4. Поэтапное создание трёхмерного изображения

 

Пример. Используя специальные инструменты пользовательского меню программы-аниматора, можно задать движение по траектории (программа создаст соответствующие промежуточные кадры — рис. 5) или плавно изменить палитру в течение нескольких кадров (например, постепенно затемнить изображение или убрать часть цветов).

Рис. 5. Задание движения выделенного объекта-спрайта

 

Некоторые технологии создания анимационной графики

Классическая анимация. Этот метод представляет собой поочерёдную смену рисунков, каждый из которых нарисован отдельно (принцип мультфильма). Он очень трудоёмок из-за необходимости создания каждого рисунка.

Спрайтовая анимация. Это анимация, чаще реализуемая при помощи языка программирования или специального инструментального средства. В спрайтовой анимации отсутствует понятие кадра (принцип подвижных игр). Спрайт представляет собой растровое изображение небольшого размера, которое может перемещаться по экрану независимо от остального изображения (рис. 5).

Морфинг. Это преобразование одного графического образа в другой. Часто выполняется программно. Программа, реализующая специальные математические методы преобразования данных, генерирует заданное количество промежуточных кадров, которое обеспечивает плавный переход начального образа в конечный.

Анимация цветом. Положение объектов не изменяется, меняется лишь цвет.

4. Трёхмерная анимация

Трёхмерная анимация (программы 3D Studio, Power Animator, Truespace, Prisms, Three-D, RenderMan, Crystal Topas и др.) по технологии напоминает кукольную: вы создаете каркасы объектов, накладываете на них материалы, компонуете всё это в единую сцену, устанавливаете освещение и камеру, а затем задаёте количество кадров в фильме и движение предметов. Посмотреть происходящее можно с помощью камеры, которая тоже может двигаться.

Пример. Программа 3D Studio позволяет работать с неограниченным числом камер с масштабированием изображения в реальном времени, подвижными камерами; возможно управление углом зрения, а также моделирование крупноформатной камеры с изменяющейся перспективой. 3D Studio позволяет использовать несколько впечатляющих способов работы со светом, например, может задать лучевой источник света, имитирующий падение солнечного света с образованием теней; подсветку неподвижных и движущихся цветных растровых образов и т. д. Движение объектов в трёхмерном пространстве задаётся по траекториям, ключевым кадрам и с помощью формул, связывающих движение частей сложных конструкций. Подобрав нужное движение, освещение и материалы, вы запускаете процесс визуализации. В течение некоторого времени компьютер просчитывает все необходимые кадры и выдаёт вам готовый фильм. Недостаток, следующий из такой техники создания изображения, — это чрезмерная гладкость форм и поверхностей и некоторая механистичность движения объектов. Правда, эти проблемы преодолимы. В анимационных пакетах улучшаются средства визуализации, обновляются инструменты для создания спецэффектов и увеличиваются библиотеки материалов. Для создания «неровных» объектов, например, волос или дыма, используется технология формирования объекта из множества частиц. Вводятся разнообразные методы «оживления», разрабатываются новые технологии совмещения видеозаписи и анимационных эффектов, используются инструменты точной синхронизации звука и изображения, что позволяет сделать сцены и движения более реалистичными.

Пример. Программа Power Animator использует движение по подобию как один из методов «оживления». Записав на цифровую видеокамеру движения живого актёра, можно «заставить» созданный в аниматоре персонаж повторять их с помощью специальной функции. В результате гном из «Белоснежки» будет двигаться с изяществом выбранного актёра. А если что-то не понравится, есть возможность подредактировать всё по ходу дела.

Технология открытых систем позволяет работать сразу с несколькими пакетами. Можно создать модель в одном пакете, разрисовать её в другом, оживить в третьем, дополнить видеозаписью в четвёртом.

5. Программы двумерного и трёхмерного моделирования

Программы двумерного и трёхмерного моделирования (AutoCAD, Sketch!, Ray Dream Designer, Crystal 3D Designer, AutoStudio и др.) применяются для дизайнерских и инженерных разработок.

Пример. Программу AutoCAD часто рассматривают как графическое ядро систем автоматизированного проектирования (САПР): она реализует основные операции по созданию и редактированию линий, дуг и текста, создает 2D- и ЗБ-модели; автоматизирует решение многих расчётных задач, возникающих в процессе проектирования. В программе Auto Studio к традиционным методам трёхмерной графики добавлены средства редактирования моделей и анимации, разработанные специально для дизайнеров автомобилей.

Средства компьютерного графического моделирования используются конструкторами и архитекторами. Широко применяются они и в научных исследованиях (рис. 4.5.6).

 

6. Программы для научной визуализации

Программы для научной визуализации (Surfer, Grapher, IRIS Explorer, PV-Wave, Khronos, Data Visualizer, MapViewer и др.) могут быть предназначены для различных целей — от решения проблем муниципального планирования до визуализации солнечных взрывов.

Наиболее часто они применяются:

• для создания поверхностей, описываемых функциями типа z=f(x,y), и графиков, описываемых функциями типа у= f(x);
• для построения цветных карт;
• для создания моделей погодных условий и океана и т. п.

Рис. 6. Моделирование работы сердца

Пример. Пакет Map Viewer позволяет вводить и корректировать карты — изменять масштаб, преобразовывать координаты, а также обрабатывать и выводить в графическом виде числовую информацию, связанную с картами — например, демографические данные.

С помощью пакета Earth Watch можно моделировать и демонстрировать трёхмерную картину метеоусловий над Землей, строить топологические поверхности по космическим снимкам и давать прогноз погоды на неделю вперед (рис. 7).

Рис. 7. Компьютерная модель метеорологической обстановки

 

знать

К аппаратным средствам создания и обработки графических изображений (рисунков, схем, фотографий и пр.) относятся в основном:

• монитор и видеокарта, поддерживающая графический режим отображения;

• видеоадаптеры (видеоускорители);

• 3D-акселераторы;

• манипуляторы «мышь»;

• сканеры;

• дигитайзеры;

• принтеры и графопостроители (плоттеры).

 

К программным средствам создания и обработки графических изображений относятся:

• программы двумерной компьютерной живописи — графические редакторы, предназначенные преимущественно для создания и обработки плоскостных (двумерных) статичных изображений;

• средства деловой графики;

• пакеты компьютерной графики для полиграфии — позволяют дополнять текст иллюстрациями разного формата, создавать дизайн страниц и выводить полиграфическую продукцию на печать с высоким качеством;

• презентационные пакеты, используемые как средства создания разнообразных слайдов для сопровождения докладов, выступлений, рекламных акций;

• программы двумерной анимации, используемые для создания динамических изображений и спецэффектов в кино;

• программы для двумерного и трёхмерного моделирования, применяемые для дизайнерских и инженерных разработок;

• пакеты трёхмерной анимации, используемые для создания рекламных и музыкальных клипов и кинофильмов;

• программы для научной визуализации.

 

Контрольные вопросы

1. Что относится к аппаратным средствам создания и обработки графических изображений (рисунков, схем, фотографий и пр.)?

2. Какие программные средства создания и обработки графических изображений Вы знаете?

3. Определите, с каким типом графики — векторной или растровой — работает графический редактор, установленный на вашем компьютере. Обладает ли он хотя бы некоторыми функциями аниматора?

 

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: