sustavi prividne stvarnosti u prometu - fpz.unizg.hr · •interpolacija savitljivim / spline...
TRANSCRIPT
Sustavi prividne stvarnosti u prometu 15.09.2009.
Osnove računalne animacije 1
SUSTAVI PRIVIDNE STVARNOSTI U PROMETU
prof. dr. sc. Hrvoje Gold2009/2010
Sveučilište u ZagrebuFakultet prometnih znanosti
1
03. OSNOVE RAČUNALNE ANIMACIJE
SUSTAVI PRIVIDNE STVARNOSTI U PROMETU
2
Sustavi prividne stvarnosti u prometu 15.09.2009.
Osnove računalne animacije 2
Osnove računalne animacije
• Uvod• Metode nadziranog kretanja• Bilježenje kretanja i digitalno lutkarstvo• Animacija preko ključnih slika• Inverzna kinematika• Naknadno prilagođenje kretanja• Proceduralna animacija• Fizikalno zasnovana animacija• Animacija ponašanjem
3
Uvod ...
• Prividni svjetovi
– dinamičko ponašanje
• promjene tijekom vremena– objekti se kredu, okredu, pretvaraju
– u naseljenom prividnom svijetu žive prividne osobe / likovi
– kretanje objekata i likova
• Računalna animacija / oživljavanje
– stvaranje dojma kretanja
• mješavina prirodne pojave, opažanja, mašte
4
Sustavi prividne stvarnosti u prometu 15.09.2009.
Osnove računalne animacije 3
Uvod ...
• Animator– oblikuje dinamičko ponašanje objekta mentalnim
prikazom uzročnosti• zamišlja
– oblik objekta
– način kretanja
– reakciju na guranje, pritisak, uvijanje i sl.
• Sustav za animaciju– osigurava alate za nadzor kretanja
• pretvorbom želja iz vlastitog jezika u jezik animacije
5
Uvod ...
• Metode računalne animacije
– olakšavaju razumijevanje fizikalnih zakona
• nadzor kretanja podataka
• provjera novih modela
• Računalna simulacija
– oponaša razvoj modela, pojava i procesa tijekom vremena
– vizualizacija rezultata dobivenih oponašanjem
6
Sustavi prividne stvarnosti u prometu 15.09.2009.
Osnove računalne animacije 4
Uvod ...
• Računalna animacija
– stvara privid kretanja prikazom na zaslonu ili bilježenjem na uređaju za snimanje slijeda pojedinačnih stanja dinamičke scene
– animirani slijed stanja
• skup objekata opisanih u vremenu promjenljivim vrijednostima varijabli stanja
– npr. ljudski lik opisan kutom između zglobova
» kut je varijabla stanja
7
Vrste animacije ...
• Vrste animacije– animacija u stvarnom vremenu– animacija slika po slika
• Animacija u stvarnom vremenu– sustavi prividne stvarnosti
• brzo računanje i prikaz kretanja i preobrazbi
• Animacija slika po slika– tradicionalna animacija
• računanje promjena svih slika– od nekoliko sekundi do nekoliko sati
• bilježenje na uređaju za snimanje• brza vizualizacija ili prikaz
– npr. 25 slika u sekundi PAL format
8
Sustavi prividne stvarnosti u prometu 15.09.2009.
Osnove računalne animacije 5
Vrste animacije ...
• Tehnike izrade računalne animacije
– korištenje modela za stvaranje željenog ishoda
• npr. rast biljaka
– ručno stvaranje kretanja koje de se oponašati
• model nije na raspolaganju
9
Vrste animacije
• Računalom proizvedeni filmovi– koristile se tehnike ručne animacije
• animacija preko ključnih slika• interpolacija savitljivim / spline krivuljama
– koriste se• jezici za animiranje (animation languages)• sustavi za izvođenje tekstova (scripting system)• režiseru usmjereni sustavi (director oriented systems)
– koristit de se• nadzor kretanja tehnikama umjetne inteligencije i robotike• kretanje se planira na razini zadatka i računa korištenjem zakona
fizike• razvijau se modeli animacije ponašanjem i oponašanja samostalnih
stvorenja
10
Sustavi prividne stvarnosti u prometu 15.09.2009.
Osnove računalne animacije 6
Zglobna tijela i prividni likovi ...
• Klasa često animiranih objekata – prividni likovi –prividna ljudska bida
– višeslojno modelirani zglobni lik
• kosturu koji oživljava cijelo tijelo pridružena je prividna koža
• Kostur lika
– hijerarhijski ustrojen skup kostiju i zglobova
– izrađuje se zavisno o zahtjevima animacije
• npr. sustav za potporu kirurškom zahvatu – modeliranje svih kralježaka kralježnice, lik u video igri – modeliranje s četiri članka
11
Zglobna tijela i prividni likovi ...
• Zglobovi imaju– jedan ili više stupnjeva slobode (Degrees Of Freedom
– DOF) okretanja• izrada morfološki potpunog kostura – veliki broj stupnjeva
slobode – računalno zahtjevno
• Uz kostur se spremaju 4D matrice pretvorbe – prikaz duljine i orijentacije kostiju– ograničenja položaja zglobova
• izbjegavanje neprirodnih okretanja
– matrice se izražavaju lokalno• globalni položaj tijela čine
– sve matrice pretvorbi u hijerarhiji od korijena hijerarhije
12
Sustavi prividne stvarnosti u prometu 15.09.2009.
Osnove računalne animacije 7
• Primjer hijerarhijskog prikaza ramena i lakta
– rame je zglob s tri supnja slobode
– u hijerarhiji lakat slijedi rame
– uz promjenu matrice ramena
• lakat se pomiče
• matrica lakta ostajenepromjenjena
Zglobna tijela i prividni likovi ...
H-ANIM kostur13
Zglobna tijela i prividni likovi ...
• Standardni prikaz prividnog čovjeka– tehnički opis humanoida
• Humanoid ANIMation Specification – H-ANIM
• Web3 konzorcij preporuke za– VRML i MPEG4
– kostur nepromjenjene topologije
– način zadavanja naziva
– alati za dodavanje vanjske mreže, npr. kože ili odjede
– kostur sastavljen od brojnih segmenata povezanih zglobovima• npr. podlaktice, ruke, noge – lakat, ručni zglob, gležanj
14
Sustavi prividne stvarnosti u prometu 15.09.2009.
Osnove računalne animacije 8
Zglobna tijela i prividni likovi
• Za oživljavanje prividnog lika aplikaciji treba osigurati – pristup do zglobova i promjene zglobnih kutova
– dohvat podacima o ponašanju kostura • npr. graničnim kutovima zglobova i masama segmenata
• Animacija se provodi mijenjanjem vrijednosti 4D matrica pridruženih kostima– satavljanjem kretanja
– inverznom kinematikom
– preko ključnih slika
15
Osnove računalne animacije
• Uvod• Metode nadziranog kretanja• Bilježenje kretanja i digitalno lutkarstvo• Animacija preko ključnih slika• Inverzna kinematika• Naknadno prilagođenje kretanja• Proceduralna animacija• Fizikalno zasnovana animacija• Animacija ponašanjem
16
Sustavi prividne stvarnosti u prometu 15.09.2009.
Osnove računalne animacije 9
Metode nadziranog kretanja ...
• Metode nadziranog kretanja– N.M. Thalmann & D. Thalmann (1991. g.)– animacija i karakterizacija objekta ili zglobnog tijela
• na osnovi vrste pridjeljene povlaštene informacije, npr.– u animaciji preko ključnih slika zglobnog tijela
» povlaštene informacije su podaci o kutovima zglobova– sustavi zasnovani na dinamici prema naprijed
» povlaštene informacije su sile i momenti» za rješavanje se dinamičkih jednadžbi poznati su kutovi zglobova,
ali to su izvedene veličine
• sve metode nadziranog kretanja – koriste informacije o geometriji, najčešče kutovi zglobova– izričito koriste povlaštene informacije geometrijski zasnovane metode
17
Metode nadziranog kretanja ...
• Podjela povlaštenih informacija i metoda
– geometrijske
– fizikalne
– vezane uz ponašanje
18
Sustavi prividne stvarnosti u prometu 15.09.2009.
Osnove računalne animacije 10
Metode nadziranog kretanja ...
• Geometrijski zasnovane metode
– razvijene za animatore
– bilježe kretanje, pretvorbe oblika, ključne slike
– lokalni nadzor animiranih objekata
– pokrede ih geometrija podataka
– animator osigurava geometriju koja prati lokalno određenje kretanja
19
Metode nadziranog kretanja ...
• Fizikalno zasnovane metode– koriste zakone fizike, posebno dinamičke simulacije– jamče realističan prikaz kretanja– nadziranje kretanja opisanog zakonima fizike koji upravljaju
kretanjem u stvarnom svijetu– animator osigurava fizičke podatke za potpuno određenje
kretanja– kretanje je rezultat primjene jednadžbi dinamike kretanja
• odnos sila, momenata, ograničenja, raspodjele masa objekata
– kada su izračunate putanje i brzine • kretanje likova je globalno nadzirano
– koriste se funkcionalne metode biomehanike
20
Sustavi prividne stvarnosti u prometu 15.09.2009.
Osnove računalne animacije 11
Metode nadziranog kretanja ...
• Metode zasnovane na ponašanju
– odnosi između objekata
– nadzor animacije na razini zadatka ili su animirani objekti samostalna stvorenja
– pokrede ponašanje objekata
• osiguranjem uputa visoke razine koje označavaju posebnosti ponašanja bez ostalih utjecaja
21
Osnove računalne animacije
• Uvod• Metode nadziranog kretanja• Bilježenje kretanja i digitalno lutkarstvo• Animacija preko ključnih slika• Inverzna kinematika• Naknadno prilagođenje kretanja• Proceduralna animacija• Fizikalno zasnovana animacija• Animacija ponašanjem
22
Sustavi prividne stvarnosti u prometu 15.09.2009.
Osnove računalne animacije 12
Bilježenje kretanja i digitalno lutkarstvo ...
• Bilježenje kretanja i digitalno lutkarstvo
– motion capture / digital puppetry / performance animation
– mjerenje i bilježenje postupaka stvarne osobe ili životinje za neposrednu ili naknadnu analizu
– korištenje u okruženju za 3D animaciju likova
Bilježenje pokreta
23
Bilježenje kretanja i digitalno lutkarstvo ...
• Preslikavanje izmjerenih veličina u pokrete digitalnih likova
– izravno – npr. pokreti ljudske ruke upravljaju pokretima ruke lika
– neizravno – npr. pokreti miša upravljaju micanjem očiju i glave lika
• Primjena u sustavima prividne stvarnosti
– računalu se dostavljaju podaci pokretima korisnika
• položaj i usmjerenost udova, tijela, gesta
24
Sustavi prividne stvarnosti u prometu 15.09.2009.
Osnove računalne animacije 13
Sustavi za bilježenje kretanja
• Sustavi za bilježenje kretanja
– optički sustavi
• pasivni
• aktivni
– magnetski sustavi
25
Pasivni optički sustavi ...
• Pasivni optički sustav– oznake / markeri prekriveni
retroreflektirajudim materijalom
– zraka svjetlosti nastala pored kamere odbija se od markera
– osjetljivost kamere se postavi da bilježi odbijenu svjetlost
– težište markera se procjenjuje kao položaj unutar snimke
– vrijednost sive skale piksela omogudava podpikselsku točnost
– koristi se 4 do 6 kamera• profesionalni sustavi 16 kamera
• VICON sustav
Kamera s izvorom svjetlosti
Oznake od retroreflektirajudeg materijala
26
Sustavi prividne stvarnosti u prometu 15.09.2009.
Osnove računalne animacije 14
Pasivni optički sustavi ...
• Markeri se postavljaju na tijelo izvođača i kamere u prostoru izvedbe
– pradenjem markera dobivaju se ključne točke animiranog modela
• npr. markeri se postavljaju na zglobove i bilježe se pozicije markera iz više raznih smjerova
– rekonstrukcija 3D pozicije ključnih točaka u vremenu
27
Pasivni optički sustavi ...
Osnove rada sustava optičkog bilježenja kretanja
Umjeravanje kretanja Središte okretanja i skalirani kostur
Model oznaka
28
Sustavi prividne stvarnosti u prometu 15.09.2009.
Osnove računalne animacije 15
Pasivni optički sustavi
• Prednost metode
– sloboda kretanja izvođača
• nepotrebno kabliranje
• Nedostaci metode
– nedostajanje podataka o skrivenim markerima
• npr. kada izvođač leži na leđima
– poteškode u razlikovanju bliskih markera
• npr. položaj koji zbližuje markere
– rješavanje problema dodavanjem vedeg broja kamera
29
Aktivni optički sustavi
• Aktivni optički sustavi
– markeri na tijelu izvođača su LED diode kao aktivni izvori svjetlosti
– položaj se određuje metodom triangulacije
• pomodu trokuta kojima je poznata dužina jedne stranice i sva tri kuta
• program pronalazi položaje referentih točaka trokuta –aktivnih markera
30
Sustavi prividne stvarnosti u prometu 15.09.2009.
Osnove računalne animacije 16
Sustavi magnetskog bilježenja ...
• Sustavi magnetskog bilježenja
– na izvođača se postavlja skup magnetskih osjetila / prijemnika• mjere prostorne odnose prema središnje
postavljenom magnetskom predajniku
– položaj i orijentacija se računaju iz relativnog magnetskog toka tri ortogonalno postavljene zavojnice na predajnom i prijemnom kraju
– podaci sa prijemnika sadrže poziciju i orijentaciju osjetila
Bilježenje magnetskim osjetilima
31
Sustavi magnetskog bilježenja ...
• Izlaz osjetila ima 6 stupnjeva slobode – dovoljne 2/3 broja markera potrebnih kod optičkog sustava
• npr. za utvrđivanje položaja i smjera lakta dovoljan po jedan senzor na nadlaktici i podlaktici
– za potpuni opis kretanja ljudskog tijela• potrebno jedanaest osjetila i to na: glavi, svakom ramenu, svakoj ruci, središtu
prsa, stražnjici, svakom gležnju, svakoj nozi
– za računanje modela koristi se metoda inverzne kinematike
• Značajke magnetskih osjetila – dostupna i kada su prekrivena ne metalnim objektima– osjetljiva na magnetske i električne utjecaje metalnih objekata u
okruženju• npr. monitori, svjetiljke, kablovi, računala i sl.
– imaju nelinearnu karakteristiku posebno na krajevima radnog područja
32
Sustavi prividne stvarnosti u prometu 15.09.2009.
Osnove računalne animacije 17
Sustavi magnetskog bilježenja ...
• Primjena u sustavima prividne stvarnosti– pradenje položaja i orijentacije
• glave kod HDM-a• slušatelja u zvučnom prostoru• ruku u podatkovnim rukavicama
• Značajke profesionalnih sustava– proizvođači sustava Polhemus, Ascension Technology i dr.– bežična veza prijemnika i sustava– istovremeno pradenje i bilježenje preko 100 markera
• pradenje 6 stupnjeva slobode po prijemniku• brzina pradenja po markeru – 144 Hz, točnost cca. 1 mm
33
Prednosti i nedostaci bilježenja kretanja ...
• Prednosti
– rad u stvarnom vremenu
– količina posla ne mijenja se sa složenošdu ili duljinom izvedbe
– mogude ostvariti složene pokrete i stvarna fizička međudjelovanja, npr. razmjena sila, sila teža i sl.
– izvođač može odigrati više uloga
34
Sustavi prividne stvarnosti u prometu 15.09.2009.
Osnove računalne animacije 18
Prednosti i nedostaci bilježenja kretanja ...
• Nedostaci– potrebna specijalizirana sklopovska i programska oprema– trenutno visoki troškovi opreme– posebni zahtjevi za veličinom prostora bilježenja– razvojem opreme tehnologija zastarjeva– potreba dodatnog prilagođenja i uređivanja prikupljenih podataka– poteškode u prikazu kretanja koje ne ispunjava zakone fizke– kod razlike u veličinama računalnog modela i izvođača – neprirodne
pogreške• npr. noge modela vede od nogu izvođača mogu udi u pod
– za svaki novi pokret treba zabilježiti stvarni pokret• neprikladno koristiti u stvarnovremenim situacijama
– nepredvidive situacije i postupci ljudi– opasne situacije u kojima čovjek ne smije sudjelovati
35
Osnove računalne animacije
• Uvod• Metode nadziranog kretanja• Bilježenje kretanja i digitalno lutkarstvo• Animacija preko ključnih slika• Inverzna kinematika• Naknadno priloagođenje kretanja• Proceduralna animacija• Fizikalno zasnovana animacija• Animacija ponašanjem
36
Sustavi prividne stvarnosti u prometu 15.09.2009.
Osnove računalne animacije 19
Animacija preko ključnih slika ...
• Animacija preko ključnih slika
– animacija se ostvaruje
• automatskim generiranjem prijelaznih međuslika (in-betweens) na osnovi skupa ključnih slika postavljenih od animatora
• key frame animation
• Osnovni pristupi
– međuslike se dobivaju interpolacijom oblika
– interpoliraju se parametri modela
37
Animacija preko ključnih slika ...
• Metoda interpolacije oblika– Burtnyk & Wein (1980. g.)– najšešde korištena metoda u
filmskoj proizvodnji sa stalnim unaprijeđenjem korištenjem matematičkih alata
– omogudava pretvorbu geometrijskih oblika
– interpolacija može dovesti do izobličenja slike • posebno kada slike nemaju isti
broj vrhova– potrebna predobrada
izjednačavanja broja vrhova u obadvije slike
Interpolacija između dvije slike g) 50 %, d) 20%, 50%, 100%
38
Sustavi prividne stvarnosti u prometu 15.09.2009.
Osnove računalne animacije 20
Animacija preko ključnih slika ...
• Parametarska animacija preko ključnih slika– interpolacija parametara modela
• parametri prostorni, fizikalni, vizualizacije
– izravna inematička metoda kontrole kretanja• kada su interpolirani parametri određeni u prostoru
zglobova
– postoje učinkoviti numerički algoritmi pretvorbe položaja i brzina iz koordinatnog prostora zglobova u kartezijev koordinatni sustav
– parametric key-frame animation
39
Animacija preko ključnih slika
• Nedostaci metoda animacije preko ključnih slika– linearna interpolacija dovodi do
• isprekidanih pokreta• prekida u brzini kretanja• izobličenja kod okretanja
• Rješenje su metode interpolacije savitljivim funkcijama– spline po dijelovima odgovara funkciji kubnog polinoma– podjele često korištenih spline funkcija
• interpolacijske spline funkcije s neprekinutošdu C1 u čvorovima• aproksimativne spline funkcije s neprekinutošdu C2 u čvorovima
• Spline funkcije korištene u animaciji– kardinalne, Catmull-Rom-ove, Kochanek-Bartel-ove
40
Sustavi prividne stvarnosti u prometu 15.09.2009.
Osnove računalne animacije 21
Osnove računalne animacije
• Uvod• Metode nadziranog kretanja• Bilježenje kretanja i digitalno lutkarstvo• Animacija preko ključnih slika• Inverzna kinematika• Naknadno prilagođenje kretanja• Proceduralna animacija• Fizikalno zasnovana animacija• Animacija ponašanjem
41
Inverzna kinematika ...
• Kinematika
– znanost o kretanju
– proučava geometriju kretanja točke sa stanovišta brzine, ubrzanja
• u odnosu na nepromjenljivi referentni koordinatni sustav
• zavisno o vremenu
• nezavisno o masama, silama i momentima koji uzrokuju kretanje
42
Sustavi prividne stvarnosti u prometu 15.09.2009.
Osnove računalne animacije 22
Inverzna kinematika ...
• Problem direktne kinematike
– uz zadane kutove spojne točke i duljinu segmenta odrediti poziciju i orijentaciju krajnje točke segmenta
• npr. uz zadane kutove zgloba ruke i duljinu ruke, odrediti položaj šake
– pretvorba kutova i parametara segmenta iz koordinatnog sustava spojne točke / zgloba
• u položaj krajnje točke segmenta / izvršnog člana u referentnom koordinatnom sustavu
43
Inverzna kinematika ...
• Problem inverzne kinematike
– uz zadanu poziciju i orijentaciju krajnje točke segmenta i duljinu segmenta odrediti kutove spojne točke
– pretvorba pozicije i orijentacije krajnje točke zadane u referentnom koordinatnom sustavu
• u poziciju i orijentaciju spojne točke u koordinatnom sustavu spojne točke
44
Sustavi prividne stvarnosti u prometu 15.09.2009.
Osnove računalne animacije 23
Inverzna kinematika ...
Direktna kinematika
Inverzna kinematika
Kutovi spojnih točaka Pozicije / orijentacijekrajnjih točaka
Direktna i inverzna kinematika
45
Inverzna kinematika ...
• Određivanje konfiguracije spojnih točaka
• za postizanje željena zadade krajnje točke– npr. da bi ruka dostigla zadanu točku u prosotru potrebno je
odrediti konfiguracije ramena, lakta i ručnog zgloba
– Opis problema nelinearnim jednadžbma
• rješavanje problema je načelno vrlo zahtjevno
46
Sustavi prividne stvarnosti u prometu 15.09.2009.
Osnove računalne animacije 24
Inverzna kinematika ...
• Metode rješavanja inverznog problema
– inverzne transformacije
– algebra vijka
– dualne matrice
– dualni kvaternioni
– iterativne
– geometrijski pristup
47
Inverzna kinematika ...
• Postupak inverzije provediv – kada je dimenzija koordinatnog sustava spojne točke
jednaka dimenziji referentnog sustava
• Postupak inverzije nije provediv– kada prostor spojne točke ima više stupnjeva slobode
• postoji zalihost za izvođenje zadada
• Rješenje aproksimacijom sustavom prvog reda• linearizacija direktnog geometrijskog modela
• valjanost rješenja inverzne kinematike ograničena na susjedstvo trenutnog stanja – željeni pokret mora biti u skladu s pretpostavkom malih pomaka
48
Sustavi prividne stvarnosti u prometu 15.09.2009.
Osnove računalne animacije 25
Inverzna kinematika ...
– vektor pozicije i orijentacije krajnje točke • u kartezijevom koordinatnom sustavu
– se naziva glavna zadada / ponašanje
• dimenzija kartezijevog koordinatnog sustava m– načešde m = 6 (3 rotacije i 3 translacije)
• dimenzija prostora spojne točke n
– u slučaju m < n • (n – m) vektori prostora spojne točke se linearnom
transformacijom J projiciraju u nul vektor kartezijevog prostora – ne mijenjaju postignude glavne zadade
• (n – m) vektor u kartezijevom sustavu se naziva sekundarna zadada / ponašanje
49
Inverzna kinematika ...
• Diskretni oblik opdeg rješenja
– nepoznati vektor u prostoru spojne točke
– opisuje glavnu zadadu kao promjenu pozicije i orijentacije krajnje točke u kartezijevom prostoru
– dimenzija m glavne zadade je najčešde manja ili jednaka dimenziji n prostora spojne točke
– J je Jakobijeva matrica linearne pretvorbe• diferencijsko ponašanje nadziranog sustava u
dimenzijama označenim glavnom zadadom
50
Sustavi prividne stvarnosti u prometu 15.09.2009.
Osnove računalne animacije 26
Inverzna kinematika ...
– J+ jedinstvena pseudoinverzna matrica J• rješenje minimuma norme koje ostvaruje glavnu zadadu
– I je jedinična matrica prostora promjene spojne točke
– (m*n)(I – J+J) je projekcijski operator na nul prostoru linearne pretvorbe J• svaki element koji pripada tom podprostoru spojne točke se
preslikava preko J u nul vektor kertezijevog prostora
– opisuje sekundarnu zadadu u prostoru spojne točke• zadada se djelomično ostvaruje projekcijom na nul prostor
– drugi dio jednadžbe ne mijenja postignude glavne zadade za bilo koju vrijednost
51
Inverzna kinematika ...
– se račun ada minimizora funkciju troška
– ako glavna zadada pripada zrcalnom prostoru od J
• nul prostor ima dimenziju (n – m) u prostoru spojne točke
• informacija je osnova za vrednovanja mogudnosti sekundarne zadade i vodi do nagodbe između ostvarenja glavne i sekundarne zadade
52
Sustavi prividne stvarnosti u prometu 15.09.2009.
Osnove računalne animacije 27
Inverzna kinematika ...
• Algoritam rješavanja problema inverzne kinematike
1. Odrediti glavnu zadadu
2. Vrednovati mogudnost sekundarne zadade
3. Sastavljanje Jakobi-jeve matrice
4. Invertiranje Jakobi-jeve matrice
5. Provjera ograničenja spojnih točaka
6. Provjera singulariteta
53
Inverzna kinematika
– Jakobi-jeva matrica (jakobijana)sadrži promjene prvog reda
– invertira se za dobivanje promjena u spojnoj točki kod ostarenja željenih promjena u krajnjoj točki
54
Sustavi prividne stvarnosti u prometu 15.09.2009.
Osnove računalne animacije 28
Osnove računalne animacije
• Uvod• Metode nadziranog kretanja• Bilježenje kretanja i digitalno lutkarstvo• Animacija preko ključnih slika• Inverzna kinematika• Naknadno prilagođenje kretanja• Proceduralna animacija• Fizikalno zasnovana animacija• Animacija ponašanjem
55
Naknadno prilagođenje kretanja ...
• Sustavi za bilježenje kretanja– potrebno je naknadno prilagoditi kretanja
• mukotrpan postupak
– popravak položaja lika• relativnog jednostavan kod jedne poze
– promjena kutnih veličina, npr. metodom inverzne kinematike
• zahtjevan za cijelu sekvencu– uz osiguranje poštivanja prostornih ograničenja u određenom
vremenskom intervalu, izbjegavanje prekida u prikazu
– primjena zabilježenih pokreta za drugi lik• krše se ograničenja, npr. radi razlike u veličinama likova ruka ne
može dohvatiti zadani predmet • problem prilagodbe i namještanja – motion retargeting problem
56
Sustavi prividne stvarnosti u prometu 15.09.2009.
Osnove računalne animacije 29
Naknadno prilagođenje kretanja ...
• Metode prilagođenja i uređivanja kretanja– A. Witkin & Z. Popovid (1995. / 1999. g.)
– A. Bruderlin & L. Williams (1995. g.)
– M. Gleicher (1998. g.)
– J.S. Monzani i ostali (2000. g.)
– R. Bindiganavale & N.I. Badler (1998. g.)
– J. Lee & S.Y. Shin (1999. g.)
– I.S. Lim & D. Thalmann (2000. g.)
– P. Glardon i ostali (2004. g.)
57
Naknadno prilagođenje kretanja ...
• A. Witkin & Z. Popovid (1995. / 1999. g.)
– promjenom krivulje kretanja funkcijama iskrivljenja (warp)
– promjenom fizičkih svojstava, npr. mase, težišta
– korištenje likova sa različitim stupnjevima slobode
• preslikavanje lika postavljen od krajnjeg korisnika u jednostavniji apstraktni lik sa stupnjevima slobode korisnima u promatranoj animaciji
• prilagođenja se provode na pojednostavljenom modelu i rezultati se preslikavaju u strukturu početno zadanog lika
58
Sustavi prividne stvarnosti u prometu 15.09.2009.
Osnove računalne animacije 30
Naknadno prilagođenje kretanja ...
• A. Bruderlin & L. Williams (1995. g.)– promjena animacije prilagodbom parametara krivulje
kretanja• korisnik zadaje položaj lika u trenutku t• sustav glatko mijenja položaj lika oko t
– karta pomaka kretanja• krivulji kretanja se dodaje pomak
• M. Gleicher (1998. g.)– pridjeljivanje kretanja novim likovima– rješavač problema prostorno- vremenskih ograničenja
• unose se ograničenja – optimizacijski problem• optimizacija rada rješavača
59
Naknadno prilagođenje kretanja ...
• J.S. Monzani i ostali (2000. g.)
– rastavljanje problema prilagodbe kretanja okosnici / kosturu lika krajnjeg korisnika u dva koraka
• 1) računanje matrica prijelaznih kostura usmjeravanjem kostiju prijelaznih kostura položajima kostura izvođača (pretvornik kretanja)
• 2) pridjeljivanje matrici kostura krajnjeg korisnika vrijednosti koje odgovaraju matricama prijelaznih kostura
60
Sustavi prividne stvarnosti u prometu 15.09.2009.
Osnove računalne animacije 31
Naknadno prilagođenje kretanja ...
Korištenje prijelaznih kostura za prilagodbu kretanja
Izrada prividnog
lika
Bilježenje kretanja
Anatomskaveza
Pretvornikkretanja
Sastavljačkretanja - GUI
Kostur izvođača Kostur krajnjeg
korisnika
Prijelazni kostur
Korijen kostura
61
Naknadno prilagođenje kretanja ...
1) pretvorba kretanja iz jedne hijerarhije u drugu uvođenjem modela prijelaznog kostura
• na početku ručno uspostavljanje podudarnosti između dvije hijerarhije• izgradnja prijelaznog kostura• pretvorba kretanja
– rezultantno kretanje je ispravljeno i uz pomod inverzne kinematike ispunjena su ograničenja kartezijevog sustava
– poteškode u izravnom preslikavanje kostura izvođača u kostur krajnjeg korisnika
• različitost u veličinama, hijerarhijama i koordinatnim sustavima
– uvođenje prijelaznog kostura• zavisno o stavu kostura izvođača – kosti se usmjeravaju u odgovarajude smjerove
2) uz pomod prijelaznih kostura pojednostavljeno je preslikavanje vrijednosti prijelaznih kostura u kostur krajnjeg korisnika
62
Sustavi prividne stvarnosti u prometu 15.09.2009.
Osnove računalne animacije 32
Naknadno prilagođenje kretanja ...
• R. Bindiganavale & N.I. Badler (1998. g.)– za otkrivanje značajnijih promjena u kretanju
• koristi se prijelaz kroz nulu druge derivacije • prati se pozornost i smjer pogleda• problem ograničenja se rješava inverznom kinematikom
– uz zadavanje šest podlanaca – ruku, nogu, kralježnice, vrata
• J. Lee & S.Y. Shin (1999. g.)– u interpolaciji rješenja dobivenih rješavačem problema
inverzne kinematike koristi se hijerhija B-savitljivih krivulja od grubljih do finijih
– složenost problema inverzne kinematike smanjena• analitičkim rukovanjem stupnjevima slobode četiri ekstremiteta
63
Naknadno prilagođenje kretanja ...
• I.S. Lim & D. Thalmann (2000. g.)
– rješavanje problema uređivanja kretanja primjenom evolucijskog računanja
– korištenjem interaktivne evolucije
• prilagođavaju se parametri modela čovjekovog hoda za računalnu animaciju
• prethodne primjene su se odnosile na razvoj nadzornog sustava kretanja jednostavnih stvorenja od početka
64
Sustavi prividne stvarnosti u prometu 15.09.2009.
Osnove računalne animacije 33
Naknadno prilagođenje kretanja
• P. Glardon i ostali (2004. g.)
– modeliranje generičkog čovjekovog hoda korištenjem zabilježenih podataka o kretanju
– sustav za animaciju prividnog čovjeka u stvarnom vremenu na osnovi analize glavnih komponenata zabilježenih podataka (Principal Component Analysis – PCA)
65
Osnove računalne animacije
• Uvod• Metode nadziranog kretanja• Bilježenje kretanja i digitalno lutkarstvo• Animacija preko ključnih slika• Inverzna kinematika• Naknadno prilagođenje kretanja• Proceduralna animacija• Fizikalno zasnovana animacija• Animacija ponašanjem
66
Sustavi prividne stvarnosti u prometu 15.09.2009.
Osnove računalne animacije 34
Proceduralna animacija
• Proceduralna animacija
– zadavanje opisa kretanja algoritmima ili formulama
– npr. kretanje kazaljke sata korištenjem zakona njihala
– opis zakonima fizike
– opis zakonima ponašanja
/* Algoritam rada sata
izradi SAT()
for SLIKA = 1 to BRSLIKA do
T = T + 1/25
KUT = A * SIN(OMEGA*T + FI)
promjeni(SAT, KUT)
nacrtaj SAT
zabilježi SAT
obriši SAT
end for
67
Osnove računalne animacije
• Uvod• Metode nadziranog kretanja• Bilježenje kretanja i digitalno lutkarstvo• Animacija preko ključnih slika• Inverzna kinematika• Naknadno prilagođenje kretanja• Proceduralna animacija• Fizikalno zasnovana animacija• Animacija ponašanjem
68
Sustavi prividne stvarnosti u prometu 15.09.2009.
Osnove računalne animacije 35
Fizikalno zasnovana animacija ...
• Zakoni dinamike zglobnih sustava
– razvijeni su učinkoviti algoritmi za rješavanje direktnih dinamičkih problema
• sustavi sa više stupnjeva slobode – robotika
Kretanje zasnovano na zakonima dinamike 69
Fizikalno zasnovana animacija ...
• Računalna animacija– dinamičko oponašanje kretanja ljudskog tijela
– uz zadani skup • vanjskih sila, npr. gravitacija, vjetar i
• unutranjih sila ili momenata sila, npr. nastalih djelovanjem mišida
algoritmi na osnovi zakona dinamike krutog tijela računaju kretanje zglobno modeliranog ljudskog tijela
– oponašanje različitih načina hoda, trčanja, skakanja
70
Sustavi prividne stvarnosti u prometu 15.09.2009.
Osnove računalne animacije 36
Fizikalno zasnovana animacija ...
• Problem nadzora modela
– zakoni direktne dinamike se preslikavaju u diferencijalne jednadžbe
• često postavljene kao problem početnih vrijednosti
• korisnik nakon što je postavio početnu konfigraciju nama nadzora na kretanjem modela
– kod animacije preko ključnih slika – animator ima potpuni nadzor nad kretanjem
71
Kretanje:pozicije, brzine,
akceleracije
Sile, momenti
Direktna dinamika
Inverzna dinamika
Fizikalno zasnovana animacija
• Problem direktne dinamike
– određivanje željenog aktivnog ponašanja modela
• na osnovi zadanog vremenski usklađenog slijeda djelovanja sila i momenata
Direktna i inverzna dinamika
72
Sustavi prividne stvarnosti u prometu 15.09.2009.
Osnove računalne animacije 37
Osnove računalne animacije
• Uvod• Metode nadziranog kretanja• Bilježenje kretanja i digitalno lutkarstvo• Animacija preko ključnih slika• Inverzna kinematika• Naknadno prilagođenje kretanja• Proceduralna animacija• Fizikalno zasnovana animacija• Animacija ponašanjem
73
Animacija ponašanjem ...
• Načini opisa ponašanja u animaciji– skriptama
– pravilima
– konačnim automatima
– jezikom zadavanja zadada
– modelom raspodjeljenog ponašanja
– mrežom osjetila i izvršnih članova
– konekcionističkim modelom
– L-sustavom
74
Sustavi prividne stvarnosti u prometu 15.09.2009.
Osnove računalne animacije 38
Animacija ponašanjem ...
• Opis ponašanja skriptama– interakcije zapisane u skriptama / scenariju
• potpuni nadzor i prilagodljivost modela • potrebno programirati svaki mogudi ishod inetrakcije
– zahtjevno za velike sustave
– korištenje skripta kao nadopunjujude metode opisa ponašanja• npr. detalji bliži izvedbi ponašanja (animaciji) skriptirani • više razine ponašanja u modulu zaključivanja
– pisanje skripata• posebno izgrađeni jezici ili jezici opde namjene
– upotreba jezika opde namjene traži proširenja jezika za jednostavnije pisanje skripata od strane ne programera / animatora
75
Animacija ponašanjem ...
• Opis ponašanja pravilima
– sustavi zasnovani na pravilima
• pravila odgovaraju iskazima ako-onda
• npr. Improv skriptni sustav opisa interakcija aktora u prividnim svijetovima
– povezuje skripte i pravila
– stroj za animaciju
» ostvaruje kretanje
– stroj za provedbu ponašanja
» donosi odluke na osnovi pravila
76
Sustavi prividne stvarnosti u prometu 15.09.2009.
Osnove računalne animacije 39
Animacija ponašanjem ...
• Opis ponašanja konačnim automatima
– mogudnost grafičkog prikaza
• dijagrami stanja i prijelaza
– zahtjevno kod velikih sustava
77
Animacija ponašanjem ...
• Opis ponašanja jezikom zadavanja zadada
– S. Vosinakis & T. Panayiotopoulos (2003. g.)
– povezivanje procesa odlučivanja više razine i međudjelovanja posrednika s okruženjem
– opis složenih zadada više razine korištenjem ugrađenih funkcija za paralelno, slijedno i uvetno izvođenje
– mogudnost korištenja istih zadada od različitih posrednika u različitim okruženjima
78
Sustavi prividne stvarnosti u prometu 15.09.2009.
Osnove računalne animacije 40
Animacija ponašanjem ...
• Opis ponašanja modelom raspodjeljenog ponašanja– C. Reynolds (1987. g.)
– ponašanje jata ptica, stada životinja, jata riba i sl.
– npr. model jata ptica• jato je sustav čestica – ptica je čestica
• ponašanje jata je rezultat zajedničkog međudjelovanja ponašanja ptica
• po sebi ptice žele ostati zajedno i izbjedi sudare među sobom i ostalim objektima u okruženju
– pozicija, brzina i orijentacija svih aktora je poznata u svakom trenutku
79
Animacija ponašanjem ...
– animator ima mogudnost nadzora više globalnih parametara, npr.
• težinskog parametra prepreka-izbjegavanje
• težinskog parametra približavanje cilju
• težinskog parametra središnjice skupine
• najvede brzine
• najvedeg ubrzanja
• najmanje udaljenosti između aktora
– animator unosi podatke o vodedoj putanji i ponašanju ostalih aktora prema vodedem
80
Sustavi prividne stvarnosti u prometu 15.09.2009.
Osnove računalne animacije 41
Animacija ponašanjem ...
• Opis ponašanja mrežom osjetila i izvršnih članova
– J. Wilhelms & A. Van Gelder (1997. g.)
• anatomski zasnovano modeliranje
• Opis ponašanja konekcionističkim modelom
– G. Risdale (1990. g.)
• motorika upravljana konekcionističkim modelom iz memorije vještina
– skupina naučenih umjetnih neuronskih mreža
81
Animacija ponašanjem
• Opis ponašanja L sustavom
– H. Noser i ostali (1992. g.)
– uvjetni i pseudo stohastički produkcijski L sustav
– izrada stvarnih ili zamišljenih oblika
– ostavrenje struktura stabala
– modeliranje rasta i razvojaživota
Okoliš izveden na osnovi L sustava
82