Торопова А.Д., Арсентьев Д.А.
ОСНОВНЫЕ АЛГОРИТМЫ СКЕЛЕТНОЙ АНИМАЦИИ ТРЁХМЕРНЫХ МОДЕЛЕЙ *
Аннотация:
в данной статье рассмотрены методы анимации трехмерных моделей посредством их привязки к некому каркасу, виртуальному скелету. Рассмотрен процесс создания такой анимации и проанализированы сильные и слабые стороны определенных подходов. Обосновано широкое распространение концепции использования скелета в анимации
Ключевые слова:
модель, вершины, скелет, риггинг, вес, иерархия
3D-анимация – это автоматизация перемещения и трансформации модели трехмерного объекта с течением времени. Такая модель представляет собой поверхность, состоящую из вершин, ребер и граней (т.н. полигональная сетка). Каждая вершина имеет свои координаты, и их изменение лежит в основе трехмерной анимации. Существует множество различных способов визуализации движения трехмерных объектов, при этом методы скелетной анимации пользуются наибольшей популярностью. Концепция способа заключается в создании скелета модели. Посредством «привязки» вершины фиксируют свое положение относительно кости скелета (обычно ближайшей). Это позволяет не анимировать каждую вершину, а только указывать положение и поворот кости. Также это уменьшает количество хранимой информации т.к. достаточно сохранить информацию только о движении кости и, исходя из нее, вычислять положение вершин. Риггинг В большинстве случаев виртуальный скелет по своей структуре схож со строением реальных скелетов позвоночных. Однако неподвижные кости, например, ребра, никак не помогут специалисту в анимации персонажа, поэтому в них нет необходимости. Так же как нет необходимости чрезмерно усложнять структуру скелета подвижными элементами (например, создавать множество позвонков в позвоночнике модели). Реалистичность анимации и гибкость модели напрямую зависит от количества костей рига, однако усложнение его структуры делает процесс анимации долгим и кропотливым. Специалист, занимающийся созданием виртуального скелета модели, должен четко представлять себе на какие вершины будет воздействовать трансформация каждой кости, какие области будут подвергаться воздействиям нескольких костей и так далее. Корректно выстроенная иерархия в скелете даст возможность цепочкам костей и суставов двигаться естественно и позволит избежать нелепых изгибов модели [2]. Прямая и инверсная кинематика В скелете модели кости объединяются в кинематические пары, из которых формируются кинематические цепи. Те кости, которые расположены выше в иерархии этих цепочек, являются родительскими, ниже – дочерними. Типы планирования движения определяют, как родительские и дочерние сегменты перемещаются относительно друг друга. 1) Прямая кинематика (Forward Kinematics - FK). По принципу прямой кинематики воздействие передается от родительской кости к дочерней. То есть, сначала задается положение главного родителя, и вместе с ним меняют положение все идущие от него дочерние. После, если изменить положение следующего звена цепочки, оно так же повлияет на перемещение нижестоящих по иерархии звеньев. Однако те кости, что по иерархии выше, останутся неподвижны [3]. Если рассматривать принцип действия на примере руки человека, то для того, чтобы рука приняла нужное положение, сначала она повернется в плечевом суставе. Так как он по иерархии стоит выше остальных сегментов руки и является для них родительским, локоть, запястье и пальцы изменят свое положение в соответствии с его перемещением или поворотом. Однако положение нижестоящих сегментов относительно друг друга меняться не будет. Далее изменится положение локтя. Плечевая кость останется там же, где была, а запястье и пальцы последуют в направлении его поворота. И так далее по цепочке до последней фаланги пальцев либо до достижения желаемого результата. 2) Инверсная кинематика (Inverse Kinematics — IK). В инверсной кинематике, в отличие от прямой, существует такое понятие как эффектор. Эффектор – это дочерний сегмент, расположенный в середине (простой эффектор) или конце (конечный эффектор) кинематической цепи. При изменении положения конечного эффектора свое положение меняют все звенья иерархической цепочки в соответствии с законами инверсной кинематики. При воздействии же на простой эффектор свое положение изменяют только более высокие по иерархии звенья. Дочерние сегменты перемещаются по принципу прямой кинематики [3]. При выборе инверсной кинематики для планирования движения важно учитывать пределы ограничений. Их корректная расстановка позволит движениям модели придерживаться разумных анатомических пределов. Основные методы скелетной анимации 1) Сегментная анимация Одним из самых примитивных методов скелетной анимации модели является сегментная анимация. Ввиду своей простоты она активно использовалась в ранних видеоиграх (например, The Elder Scrolls III: Morrowind). Модель представляет собой набор отдельных сегментов, привязанных к соответствующим костям. Каждый сегмент является недеформируемой поверхностью. Основной минус данного метода – нереалистичный внешний вид, так как возникают разрывы в сочленениях сегментов.
Номер журнала Вестник науки №1 (22) том 1
Ссылка для цитирования:
Торопова А.Д., Арсентьев Д.А. ОСНОВНЫЕ АЛГОРИТМЫ СКЕЛЕТНОЙ АНИМАЦИИ ТРЁХМЕРНЫХ МОДЕЛЕЙ // Вестник науки №1 (22) том 1. С. 220 - 224. 2020 г. ISSN 2712-8849 // Электронный ресурс: https://www.вестник-науки.рф/article/2585 (дата обращения: 19.04.2024 г.)
Вестник науки СМИ ЭЛ № ФС 77 - 84401 © 2020. 16+