producción de animación distintos tipos de animación...
TRANSCRIPT
1
Animación
S. Castro, D. Urribarri CG 2015
Animación
VyGLab – Lab. de Visualización y Computación Gráfica
Dpto. de Cs. e Ing. de la Computación
Universidad Nacional del Sur
1º Cuatrimestre 2015
Contenido
S. Castro, D. Urribarri CG 2015
Animación
¿Qué es la Animación?
Producción de Animación
Principios de la Animación Tradicional
Distintos tipos de Animación
Conceptos básicos
Animación basada en la Geometría
• Cuadro por cuadro
• Cinemática Directa e Inversa
• Captura de Movimiento
• ...
Animación basada en la Física
Animación de Comportamiento
http://wgnradio.com/2013/03/29/activision-rd-real-time-character-demo/
S. Castro, D. Urribarri CG 2015
¿Qué es la Animación?
¿Qué es la Animación?
Animación
Hacer que los objetos de la escena cambien a medida
que transcurre el tiempo
Una escena tridimensional está compuesta por 3 tipos de
entidades que pueden evolucionar en el tiempo:
Objetos
Cámaras
Luces
S. Castro, D. Urribarri CG 2015
¿Qué es la Animación?
Algunas características que pueden evolucionar
• Para los objetos:
posición (automóvil)
orientación (brazo de robot)
tamaño
forma (nube, corazón humano)
color (placa de una cocina eléctrica que se calienta)
transparencia
…
• Para las cámaras:
posición
punto de interés
ángulo de vista (zoom in)
…
• Para las fuentes luminosas:
intensidad
posición
…
S. Castro, D. Urribarri CG 2015
Conceptualmente, una secuencia de animación por computadora
puede definirse como un conjunto de objetos caracterizados
por variables de estado que evolucionan en el tiempo.
Un caracter humano, por ejemplo, se puede caracterizar usando
como variables de estado los ángulos de las distintas
articulaciones.
Generalmente se distinguen 2 tipos de animaciones:
Animación en tiempo real
Animación imagen por imagen
S. Castro, D. Urribarri CG 2015
¿Qué es la Animación?
2
Animación 2D Animación 3D
S. Castro, D. Urribarri CG 2015
¿Qué es la Animación?
http://www.youtube.com/watch?v=2RKkPo8WvZE
S. Castro, D. Urribarri CG 2015
Producción de una Animación
El proceso de producción digital corresponde a las
distintas etapas por las que atraviesa la
producción digital, comenzando por la concepción
de la idea y finalizando con la grabación de la
misma en el formato apropiado.
S. Castro, D. Urribarri CG 2015
Producción de una Animación Producción de una Animación
Etapas en el Proceso de Producción Digital
Preproducción. Involucra la conceptualización y el planeamiento que tiene lugar antes
que el proyecto de animación por computadora se produzca. Esta etapa involucra
tareas no visuales tales como la escritura del guión y tareas visuales como el
story boarding y el aspecto visual de distintos elementos del proyecto. Es la base
del proyecto.
Producción. En un proyecto de animación 3D por computadora involucra una serie de
pasos estándar: modelado, animación y rendering. Primero se modelan los
objetos con las distintas técnicas existentes. Luego que fueron creados, los
objetos y los actores virtuales pueden ubicarse en la escena y ser animados con
distintas técnicas. Una vez que los objetos se modelaron y animaron, pueden ser
renderizados.
Posproducción. Involucra la tarea de aplicar distintas técnicas de postprocesamiento y
postproducción a las imágenes generadas antes de que éstas sean grabadas en
un formato adecuado.
S. Castro, D. Urribarri CG 2015
S. Castro, D. Urribarri CG 2015
BreakDown de escena y asignación de tareas
Iluminar Escena
Escribir Shaders
Modelos y Props
Modelado Personajes Pintado, Scan Texturas
Efectos de Animación
Diagramado escena y Setup Cámaras Movimientos cámara
Shoot Live Action
Captura de Movimientos
Animación Personajes
Construcción Esqueletos IK
Rendering Final
Salida Final y Realease
Postprocesado
Compositing
Escritura Guión
Diseño Personajes
StoryBoarding y Story Reel
Pre
pro
du
cció
n
Pro
du
cció
n
Po
stp
rod
ucció
n
Stuart Little
La historia fue originalmente
escrita en el año 1945 por
E.B. WHITE.
Para hacer la película, la
historia tuvo que ser
adaptada para poder
llevarla a un film de los años
90’
S. Castro, D. Urribarri CG 2015
3
Stuart Little: Preproducción
S. Castro, D. Urribarri CG 2015
Diseño de Personajes
Estilo de visualización
• Caricatura
• Estilizado
• Real
Stuart Little: Preproducción
S. Castro, D. Urribarri CG 2015
Diseño de Personajes
Características del personaje
• Personalidad
• Actitudes
• Posiciones del cuerpo
• Expresiones faciales
Stuart Little: Preproducción
• ¿Cómo se verá?
• ¿Se parecerá más a un
ratón o a una persona?
• ¿Cómo será de alto?
• ¿Cómo serán sus manos?
S. Castro, D. Urribarri CG 2015
• ¿Cómo será su ropa?
• ¿Cómo será su piel?
• ¿Será agresivo o será
simpático?
• ¿Caminará en dos o cuatro
patas?
Stuart Little: Preproducción
Distintas posiciones del
personaje
S. Castro, D. Urribarri CG 2015
Stuart Little: Preproducción
S. Castro, D. Urribarri CG 2015
Diseño de Personajes
Etapas • Dibujos , bosquejos y pinturas
• Esculturas y maquetas
Stuart Little: Preproducción
S. Castro, D. Urribarri CG 2015
Pinturas
Dibujos
Esculturas
4
Stuart Little: Preproducción
S. Castro, D. Urribarri CG 2015
Storyboard que
muestra una
escena de la
película. Notar
cómo se
describen las
posiciones de la
cámara en
relación al punto
de vista de los
personajes.
Las flechas
indican el
movimiento de la
cámara.
Stuart Little: Preproducción
S. Castro, D. Urribarri CG 2015
Imágenes de pre-
vizualización de la escena
de la carrera de barcos.
Permitió planificar los
movimientos de cámara y
del objeto, y así definir
completamente la escena,
con objetos y animaciones
de baja resolución.
Stuart Little: Producción
S. Castro, D. Urribarri CG 2015
Modelado
Efectos
Visuales
(Agua)
Iluminación
y Sombreado
Animación
con puntos
de control
Stuart Little: Película Finalizada
S. Castro, D. Urribarri CG 2015
Imágenes de la
película
finalizada
S. Castro, D. Urribarri CG 2015
Principios de la Animación
• Aplastar y Estirar (Squash & stretch)
• Temporizado (Timing)
• Anticipación
• Puesta en escena (Staging)
• Terminación y solapamiento de una acción
• Acción hacia adelante vs. acción pose-a-pose
• Slow in and out
• Arcos
• Exageración
• Acción secundaria
• Atractivo
S. Castro, D. Urribarri CG 2015
Los principios fundamentales (Lasseter, siggraph ‘87)
Los principios básicos de la animación tradicional (2D generados a
mano) se aplican a la animación computarizada 3D. Estos son:
Principios de la Animación
5
Principios de la Animación
• Aplastar y Estirar (Squash & stretch)
• Temporizado (Timing)
• Anticipación
• Puesta en escena (Staging)
• Terminación y solapamiento de una acción
• Acción hacia adelante vs. acción pose-a-
pose
• Slow in and out
• Arcos
• Exageración
• Acción secundaria
• Atractivo
S. Castro, D. Urribarri CG 2015
Los principios fundamentales de la animación computarizada 3D son,
según Lasseter :
Principios de la Animación
• Aplastar y Estirar (Squash & stretch)
• Temporizado (Timing)
• Anticipación
• Puesta en escena (Staging)
• Terminación y solapamiento de una acción
• Acción hacia adelante vs. acción pose-a-
pose
• Slow in and out
• Arcos
• Exageración
• Acción secundaria
• Atractivo
S. Castro, D. Urribarri CG 2015
Los principios fundamentales de la animación computarizada 3D son,
según Lasseter :
Principios de la Animación
• Aplastar y Estirar (Squash & stretch)
• Temporizado (Timing)
• Anticipación
• Puesta en escena (Staging)
• Terminación y solapamiento de una acción
• Acción hacia adelante vs. acción pose-a-
pose
• Slow in and out
• Arcos
• Exageración
• Acción secundaria
• Atractivo
S. Castro, D. Urribarri CG 2015
Los principios fundamentales de la animación computarizada 3D son,
según Lasseter :
Principios de la Animación
Anticipación
La desaparicón de Wally B. dura sólo 3 ó cuatro cuadros, pero la
anticipación es la suficiente para que la audiencia perciba qué
va a suceder.
S. Castro, D. Urribarri CG 2015
Principios de la Animación
• Aplastar y Estirar (Squash & stretch)
• Temporizado (Timing)
• Anticipación
• Puesta en escena (Staging)
• Terminación y solapamiento de una acción
• Acción hacia adelante vs. acción pose-a-
pose
• Slow in and out
• Arcos
• Exageración
• Acción secundaria
• Atractivo
S. Castro, D. Urribarri CG 2015
Los principios fundamentales de la animación computarizada 3D son,
según Lasseter :
Principios de la Animación
• Aplastar y Estirar (Squash & stretch)
• Temporizado (Timing)
• Anticipación
• Puesta en escena (Staging)
• Terminación y solapamiento de una acción
• Acción hacia adelante vs. acción pose-a-
pose
• Slow in and out
• Arcos
• Exageración
• Acción secundaria
• Atractivo
S. Castro, D. Urribarri CG 2015
Los principios fundamentales de la animación computarizada 3D son,
según Lasseter :
6
Principios de la Animación
• Aplastar y Estirar (Squash & stretch)
• Temporizado (Timing)
• Anticipación
• Puesta en escena (Staging)
• Terminación y solapamiento de una acción
• Acción hacia adelante vs. acción pose-a-
pose
• Slow in and out
• Arcos
• Exageración
• Acción secundaria
• Atractivo
S. Castro, D. Urribarri CG 2015
Los principios fundamentales de la animación computarizada 3D son,
según Lasseter :
Principios de la Animación
• Aplastar y Estirar (Squash & stretch)
• Temporizado (Timing)
• Anticipación
• Puesta en escena (Staging)
• Terminación y solapamiento de una acción
• Acción hacia adelante vs. acción pose-a-
pose
• Slow in and out
• Arcos
• Exageración
• Acción secundaria
• Atractivo
S. Castro, D. Urribarri CG 2015
Los principios fundamentales de la animación computarizada 3D son,
según Lasseter :
Principios de la Animación
• Aplastar y Estirar (Squash & stretch)
• Temporizado (Timing)
• Anticipación
• Puesta en escena (Staging)
• Terminación y solapamiento de una acción
• Acción hacia adelante vs. acción pose-a-
pose
• Slow in and out
• Arcos
• Exageración
• Acción secundaria
• Atractivo
S. Castro, D. Urribarri CG 2015
Los principios fundamentales de la animación computarizada 3D son,
según Lasseter :
Principios de la Animación
• Aplastar y Estirar (Squash & stretch)
• Temporizado (Timing)
• Anticipación
• Puesta en escena (Staging)
• Terminación y solapamiento de una acción
• Acción hacia adelante vs. acción pose-a-
pose
• Slow in and out
• Arcos
• Exageración
• Acción secundaria
• Atractivo
S. Castro, D. Urribarri CG 2015
Los principios fundamentales de la animación computarizada 3D son,
según Lasseter :
Principios de la Animación
• Aplastar y Estirar (Squash & stretch)
• Temporizado (Timing)
• Anticipación
• Puesta en escena (Staging)
• Terminación y solapamiento de una acción
• Acción hacia adelante vs. acción pose-a-
pose
• Slow in and out
• Arcos
• Exageración
• Acción secundaria
• Atractivo
S. Castro, D. Urribarri CG 2015
Los principios fundamentales de la animación computarizada 3D son,
según Lasseter :
Principios de la Animación
• Aplastar y Estirar (Squash & stretch)
• Temporizado (Timing)
• Anticipación
• Puesta en escena (Staging)
• Terminación y solapamiento de una acción
• Acción hacia adelante vs. acción pose-a-
pose
• Slow in and out
• Arcos
• Exageración
• Acción secundaria
• Atractivo
S. Castro, D. Urribarri CG 2015
Los principios fundamentales de la animación computarizada 3D son,
según Lasseter :
7
S. Castro, D. Urribarri CG 2015
Introducción a las
Técnicas de Control
de la Animación
Introducción
S. Castro, D. Urribarri CG 2015
Animación
La siguiente clasificación de Thalmann y Thalmann está basada en los
distintos métodos existentes para controlar la animación. Un método de
control de la animación especifica cómo un objeto o un cuerpo articulado
se anima y puede caracterizarse de acuerdo al tipo de información que
es privilegiada al animar el objeto o el cuerpo.
La naturaleza de la información privilegiada para el control de la
animación de caracteres corresponde a tres categorías: geométrica,
física y de comportamiento, derivando en tres categorías de técnicas de
control de la animación:
Animación basada en la Geometría
Animación basada en la Física
Animación de Comportamiento
Introducción
• Animación basada en la Geometría
Corresponde a métodos que dependen fuertemente del animador. Algunos
ejemplos son:
Animación paramétrica cuadro por cuadro
Transformación de formas
Captura de movimiento
...
Los objetos animados se controlan localmente; los métodos son mayormente
manejados con datos geométricos. Típicamente, el animador provee muchos
datos geométricos correspondientes a la definición local del movimiento.
S. Castro, D. Urribarri CG 2015
ACM © 1987 “Principles of traditional animation applied to 3D computer animation”
Introducción
• Animación basada en la Física
El usar leyes físicas garantiza una animación realista especialmente en
simulaciones dinámicas. El problema es controlar el movimiento
producido al simular las leyes físicas que gobiernan el movimiento en
el mundo real. El animador debe proveer los datos físicos necesarios
para definir completamente el movimiento.
Asigna propiedades físicas a los objetos (masas, fuerzas,
propiedades inerciales)
Simula la física resolviendo ecuaciones
Realista pero no siempre fácil de controlar
S. Castro, D. Urribarri CG 2015
ACM© 1988 “Spacetime Constraints”
Introducción
• Animación de Comportamiento
Se consideran de este tipo los métodos de control que manejen el
comportamiento de los objetos proveyendo directivas de alto nivel que
indiquen un comportamiento específico sin ningún otro estímulo. Toma en
cuenta las relaciones entre objetos.
Describe algorítmicamente el movimiento
Expresa la animación como una función de una pequeña cantidad de
parámetros
S. Castro, D. Urribarri CG 2015 S. Castro, D. Urribarri CG 2015
Animación basada
en la Geometría
8
Animación cuadro por cuadro
Tradicionalmente, la animación cuadro por cuadro se refiere a definir
las poses del personaje en determinados instantes de tiempo clave,
denominados keyframes (o cuadros clave) y luego a interpolar las
variables que describen los keyframes para determinar así las poses
para el personaje “entre” éstos.
S. Castro, D. Urribarri CG 2015
Animación cuadro por cuadro
• Es difícil interpolar imágenes dibujadas a mano Las computadoras no ayudan mucho
• La situación es diferente en animación por computadora Cada cuadro clave está definido por un conjunto de parámetros
(estado)
Secuencia de keyframes = puntos en el espacio de estados altamente dimensional
• El inbetweening por computadora interpola los valores de estos parámetros.
S. Castro, D. Urribarri CG 2015
Animación cuadro por cuadro
• Cuadros clave para una pelota que rebota
¿Posición en 3D?
¿Orientación?
¿Cuánto se aplasta?
S. Castro, D. Urribarri CG 2015
Animación cuadro por cuadro
• Cuadros clave para un monstruo
Posición y orientación en 3D
Ángulos en las uniones de la jerarquía
¿Deformaciones?
Características faciales
¿¿¿Pelo/pelaje???
¿¿¿Ropa???
S. Castro, D. Urribarri CG 2015
Animación cuadro por cuadro
¿Qué es la Animación Cuadro por Cuadro?
• A pesar del nombre, no son realmente keyframes, per se.
• Para cada variable, se debe especificar su valor en los cuadros
importantes. No todos los cuadros importantes coinciden para cada una de
las variables.
• Valores clave, más que cuadros clave (keyframes).
• Los caminos para cada parámetro se determinan interpolando los valores
clave.
S. Castro, D. Urribarri CG 2015
Valor clave Valor interpolado
Animación cuadro por cuadro
Para un determinado personaje, deben tenerse en cuenta los cuadros clave
para cada parámetro. Cuando se haga referencia a interpolar entre cuadros
clave, nos estaremos refiriendo a los cuadros clave de un determinado
parámetro .
S. Castro, D. Urribarri CG 2015
Valor clave Valor interpolado
9
Animación cuadro por cuadro
Interpolación
La interpolación debe sintetizar la relación entre el tiempo y el parámetro que va a
ser animado. El tiempo se representa usualmente en el eje horizontal y el
parámetro en cuestión en el eje vertical. La pendiente de la curva representa la
velocidad de cambio.
S. Castro, D. Urribarri CG 2015
Tiempo
Valor
del
Parámetro
Animación cuadro por cuadro
Interpolación lineal
Es la más simple y directa para calcular valores intermedios. Simplemente
promedia los valores de los parámatros en los key frames y provee tantos
cuadros igualmente espaciados como sea necesario. Esta interpolación
usualmente no provee continuidad suficiente.
S. Castro, D. Urribarri CG 2015
Interpolación lineal Interpolación lineal de Color
Interpolación lineal de forma
Animación cuadro por cuadro
Interpolación mediante curvas
En las distintas interpolaciones curvas que se muestran se puede ver
cómo la distancia recorrida por el modelo animado varía con la pendiente
de la curva.
S. Castro, D. Urribarri CG 2015
Animación cuadro por cuadro
Interpolación
La interpolación de la forma geométrica entre dos objetos se conoce
como morphing geométrico.
S. Castro, D. Urribarri CG 2015
Secuencia de morphing cambiando la topología
Dos secuencias de morphing
diferentes entre dos figuras
planas
Animación cuadro por cuadro
Interpolación
La interpolación 3D de la forma geométrica entre dos objetos se
conoce como morphing geométrico 3D.
S. Castro, D. Urribarri CG 2015
Secuencia de morphing entre dos sólidos
Secuencia de morphing entre dos objetos 3D
Animación cuadro por cuadro
Interpolación o Inbetweening
La interpolación entre dos imágenes se conoce como morphing. Hay distintas
técnicas para realizar esto:
- Crossdisolve
- Morphing mediante cambio de coordenadas
- Morphing de características
S. Castro, D. Urribarri CG 2015
10
Animación cuadro por cuadro
Interpolación o Inbetweening
S. Castro, D. Urribarri CG 2015
Morphing mediante cambio de
coordenadas
Morphing de características
Animación cuadro por cuadro
Interpolación o Inbetweening
Las técnicas de interpolación pueden usarse no sólo para variar
las distintas características de los personajes sino también las de
S. Castro, D. Urribarri CG 2015
los objetos en la
escena. Es decir que
también se incluyen
las cámaras y las
luces.
S. Castro, D. Urribarri CG 2015
Estructuras Articuladas
Estructura articulada
¿Qué es una estructura articulada?
Una estructura articulada es una estructura jerárquicamente organizada,
que consta de un conjunto de objetos rígidos (enlaces) conectados
entre sí por uniones (o junturas); la ubicación de las uniones depende
de los requerimientos de la animación. Las uniones permiten que las
distintas partes de la estructura se muevan unas con respecto a las
otras.
Cada una de las junturas tiene tiene uno o más grados
de libertad rotacional (DOF). Una juntura puede tener
diferentes rangos de rotación para cada uno de sus
grados de libertad.
S. Castro, D. Urribarri CG 2015
Para una cirugía, por ejemplo, puede ser relevante
modelar cada vértebra de la columna; para el modelo
de un humano de un videojuego, puede alcanzar con
tener el control de unas pocas uniones.
Estructura articulada
Las estructuras articuladas pueden animarse mediante
• La especificación interactiva de los keyframes o manipulación directa
• Cinemática directa
• Cinemática inversa
S. Castro, D. Urribarri CG 2015
Estructura articulada
S. Castro, D. Urribarri CG 2015
Las estructuras articuladas no necesariamente
se utilizan para humanos; de este modo
también podemos modelar animales …
11
Estructura articulada
www.hermoni.com/workshop
S. Castro, D. Urribarri CG 2015
y no sólo humanos y animales sino también …
Cinemática
La cinemática es el estudio del movimiento de los objetos sin tener en cuenta las fuerzas que lo causan; incluye posición, velocidad y aceleración.
S. Castro, D. Urribarri CG 2015
Cinemática Directa
La cinemática directa consiste en encontrar la posición de los puntos
finales (e.g., mano, pie) con respecto a un sistema de coordenadas fijo
como una función del tiempo sin tener en cuenta las fuerzas o momentos
que causan el movimiento; es decir que consiste en determinar el
movimiento y la posición final de un objeto especificando los ángulos de
sus junturas. Este método es tedioso ya que la especificación debe
hacerse explícitamente.
La estructura articulada es una jerarquía de nodos
con una transformación asociada que mueve de
alguna forma el enlace conectado al nodo.
Podemos animar esta estructura usando distintas
técnicas para especificar los valores de la
transformación como función del tiempo.
S. Castro, D. Urribarri CG 2015
Cinemática Directa
S. Castro, D. Urribarri CG 2015
Ejemplo: Estructura de 2 enlaces
Dos enlaces conectados por uniones que rotan. Cada enlace se
mueve en el plano de la diapositiva.
Cinemática Directa
S. Castro, D. Urribarri CG 2015
• El animador especifica los ángulos de las uniones: Θ1 y Θ2
• La computadora encuentra las distintas posiciones X
X = (l1 cos1 + l2 cos(1 + 2 ), l1 sen1 + l2 sen(1 + 2 ))
Cinemática Directa
S. Castro, D. Urribarri CG 2015
Los movimientos de las uniones pueden especificarse mediante
curvas spline
12
Cinemática Directa
S. Castro, D. Urribarri CG 2015
Los movimientos de las uniones también pueden especificarse
dando las condiciones iniciales y las velocidades
Cinemática Directa
S. Castro, D. Urribarri CG 2015
Ciclo para Caminar
Dada la siguiente figura articulada, ¿cómo podemos especificar,
mediante cinemática directa, la animación de dicha estructura
articulada para caminar?
Cinemática Directa
S. Castro, D. Urribarri CG 2015
Ciclo para Caminar
• Orientación de la articulación
de la cadera
Ángulo a ser animado
Cinemática Directa
S. Castro, D. Urribarri CG 2015
Ciclo para Caminar
• Orientación de la articulación de la rodilla
Ángulo a ser animado
Cinemática Directa
S. Castro, D. Urribarri CG 2015
Ciclo para Caminar
• Orientación de la articulación del tobillo
Ángulo a ser animado
La cinemática inversa permite determinar el movimiento de un
esqueleto u objeto articulado basada en los ángulos finales de
algunas de las junturas clave que definen el movimiento. En este
caso, el animador debe especificar el movimiento; por ejemplo,
caminar lentamente del punto A al B.
En la cinemática inversa se especifica un script para todas las
partes de la estructura de modo tal que toda ésta lleve a cabo la
acción deseada.
Esto significa que en la cinemática inversa se especifica sólo la
posición final. El animador no debe especificar cómo se mueve
cada parte de la estructura articulada. Esto proviene del campo
de la robótica.
S. Castro, D. Urribarri CG 2015
Cinemática Inversa
13
Cinemática Inversa
A medida que la estructura articulada es más compleja, resulta más
dificultoso encontrar la solución. La cinemática inversa tampoco le
permite al animador darle personalidad a los movimientos.
La cinemática inversa funciona como una caja negra cuya entrada es
el movimiento final deseado de la estructura y el movimiento detallado
se controla por el método de la cinemática inversa. Ejemplo: bailarín al
que se le especifican los pasos.
S. Castro, D. Urribarri CG 2015
Cinemática Inversa
S. Castro, D. Urribarri CG 2015
Ejemplo: Estructura de 2 enlaces
¿Qué ocurre si el animador conoce la posición del efector final?
El efector final o efector en una cadena jerárquica es la juntura de una
figura articulada que se usa para determinar las posiciones de una cadena
en movimiento con cinemática inversa (IK).
Efector
Cinemática Inversa
S. Castro, D. Urribarri CG 2015
Efector
• El animador especifica las posiciones del efector: X
• La computadora encuentra los ángulos en las uniones: Θ1 y Θ2:
xllyl
yllxl
ll
llyx
22122
221221
21
2
2
2
1
221
2
cossin
cossin
2
cos
Cinemática Inversa
S. Castro, D. Urribarri CG 2015
Las posiciones del efector pueden especificarse con splines
Efector
Cinemática Inversa
S. Castro, D. Urribarri CG 2015
Problema para estructuras más complejas
• Sistema de ecuaciones está usualmente indeterminado
• Múltiples soluciones
Tres incógnitas: Θ1, Θ2 , Θ3
Dos ecuaciones: x, y
Cinemática Inversa
Cinemática Inversa
Al detallar el efector puede ocurrir que haya
• Soluciones Disjuntas
• Un continuo de soluciones
• Ninguna solución
S. Castro, D. Urribarri CG 2015
P1
P2
14
Cinemática
S. Castro, D. Urribarri CG 2015
Cinemática Directa
• Especificación de condiciones
(ángulos en las uniones)
• Cálculo de posiciones del efector
Cinemática Inversa
• Movimiento “Dirigido a las metas”
• Especificación de las posiciones
objetivo de los efectores
• Cálculo de condiciones requeridas
para alcanzar objetivos
La cinemática inversa (IK) brinda la especificación más sencilla para
muchas tareas de animación; sin embargo, es computacionalmente más
dificultosa.
Captura de movimiento es la medición y
grabación de acciones directas de un
actor para el análisis o ejecución
inmediata o diferida.
La información capturada puede ser tan
general como la simple posición del
cuerpo en el espacio o tan compleja como
las deformaciones de la cara y de las
masas musculares.
S. Castro, D. Urribarri CG 2015
Captura de Movimiento
Captura de Movimiento
Animación Facial
La cara básicamente está constituida por una red de polígonos
conectados. Para lograr una animación es necesario variar la posición
de los vértices de los polígonos.
S. Castro, D. Urribarri CG 2015
Captura de Movimiento
Animación Facial
Podemos mencionar tres métodos para realizar la animación facial:
Interpolación de expresiones claves.
Modelos parametrizados.
Modelos físicos.
S. Castro, D. Urribarri CG 2015
Captura de Movimiento
La práctica de usar un esqueleto para
controlar un personaje 3D se ha vuelto
muy popular en los últimos años.
S. Castro, D. Urribarri CG 2015
Animación de esqueletos
Esta animación le permite al artista posicionar y controlar fácilmente los puntos de rotación de un personaje 3D .
S. Castro, D. Urribarri CG 2015
El artista puede concentrarse en animar el
personaje que usa el sistema de esqueleto; él
puede crear una "piel" geométrica y lo ata al
esqueleto animado.
Animación de esqueletos
Captura de Movimiento
15
S. Castro, D. Urribarri CG 2015
Captura de Movimiento
S. Castro, D. Urribarri CG 2015
Animación basada
en la Física
Animando Proceduralmente
La animación puede hacerse de modo procedural permitiendo animar los elementos
de una escena basándose en un conjunto de procedimientos y/o reglas que controlan
el movimiento. La generación del movimiento usando un procedimiento no es
realmente una técnica sino un marco. Las posibilidades para expresar el movimiento
mediante procedimientos son ilimitadas. Dos casos importantes son aquéllos en los
que las leyes son leyes físicas y en los que son leyes de comportamiento.
S. Castro, D. Urribarri CG 2015
Introducción
S. Castro, D. Urribarri CG 2015
La simulación de la física asegura el realismo del movimiento
Introducción
S. Castro, D. Urribarri CG 2015
La dinámica estudia la relación entre el movimiento de un cuerpo y las
causas que lo producen; es decir que considera las fuerzas
subyacentes en el movimiento y calcula el movimiento a partir de las
condiciones iniciales y de la física del mismo.
Animación basada en la física
S. Castro, D. Urribarri CG 2015
Las técnicas de animación dinámicas generan el movimiento
realístico de los objetos simulando sus propiedades físicas y las
leyes físicas del movimiento.
Estas técnicas tienen en cuenta las características de los objetos
tales como peso, masa, inercia y flexibilidad, así como también las
fuerzas externas tales como gravedad, fricción y aún colisión con
otros objetos.
Estas técnicas pueden combinarse con otras técnicas de animación
avanzadas tales como IK o con técnicas simples de animación
cuadro por cuadro.
16
Animación basada en la física
S. Castro, D. Urribarri CG 2015
Propiedades Físicas de los Objetos
La habilidad de los objetos flexibles de
absorber el impacto de una colisión
deformándose es controlada en las
simulaciones dinámicas aplicando fuerzas
a un reticulado flexible que controla los
vértices del objeto.
Algunos sistemas de animación simulan
la dureza de un objeto con funciones que
simulan el efecto de tener resortes entre
los vértices, sobre la superficie del objeto.
Los resortes tienen una posición natural
de reposo, a la cual siempre retornan
luego de comprimirse o estirarse.
Animación basada en la física
S. Castro, D. Urribarri CG 2015
Propiedades Físicas de los Objetos
En algunos casos, la dureza de los objetos rígidos y la fuerza de una
colisión son tales que el objeto real es incapaz de absorber la fuerza del
impacto y se quiebra o se raja. La simulación dinámica de un objeto que
se quiebra es mucho más compleja que la simulación de los objetos
que no se quiebran porque en esencia, los resultados de la colisión
deben aplicarse a miles de fragmentos en lugar de a un solo objeto.
Animación basada en la física
S. Castro, D. Urribarri CG 2015
Métodos probabilísticos
Animación basada en la física
S. Castro, D. Urribarri CG 2015
Modelos simplificados
Métodos basados en partículas
Animación basada en la física
Sistemas de Partículas
Este tipo de animación se realiza de manera procedural y recrea
el movimiento de partículas que siguen algún movimiento
definido en forma general.
Los sistemas de partículas se
usan para representar objetos
dinámicos que tienen formas
irregulares y complejas, cada
una de las cuales tiene su propio
comportamiento.
S. Castro, D. Urribarri CG 2015
Animación basada en la física
Sistemas de Partículas
Las partículas tienen un tiempo en el cual son creadas, se comportan de determinada
manera, envejecen y mueren. Las partículas también pueden usarse para controlar el
movimiento de modelos tridimensionales, tales como nieve, agua o aún bandadas y
también para animar el proceso de crecimiento de las plantas.
S. Castro, D. Urribarri CG 2015
Star Trek II
17
Animación basada en la física
Una partícula …
es un punto de masa que tiene atributos como:
Masa
Posición
Velocidad
Fuerzas
Color
Transparencia
Apariencia
Tiempo de vida
Se usarán distintos métodos para actualizar los distintos
atributos de las partículas; se modelarán así distintos
fenómenos.
S. Castro, D. Urribarri CG 2015
Animación basada en la física
Ciclo de vida de una partícula
La generación de un cuadro en una secuencia
animada se describe como un proceso de cinco
pasos:
Se generan nuevas partículas que se incorporan al sistema.
Se asignan a cada partícula sus atributos individuales.
Cualquier partícula que exceda el tiempo de vida es
extinguida.
Las partículas actuales sufren las transformaciones
correspondientes de acuerdo a sus atributos dinámicos y
finales.
Las partículas actuales son renderizadas.
S. Castro, D. Urribarri CG 2015
Animación basada en la física
Creación de una partícula
¿Dónde se crean las partículas? Se denominan
emisores. Estos pueden ser:
Fuentes predefinidas
Lugares en los cuales la densidad de las
mismas es baja
,,,
S. Castro, D. Urribarri CG 2015
Animación basada en la física
• Controla la cantidad de partículas y la
dirección general en que son emitidas junto
con otros parámetros globales.
• El comportamiento de las partículas es
heredado del emisor.
Un sistema de partículas también tiene una
forma de generación (generation shape),
que define una región que contiene al
origen y es donde las nuevas partículas
son colocadas.
Modelo de Emisor
El emisor de partículas es la entidad responsable de crear
partículas en el sistema.
S. Castro, D. Urribarri CG 2015
Animación basada en la física
Extinción de una partícula
¿Cuándo deben eliminarse las partículas?
Sumideros predefinidos
Cuando la densidad de las mismas es
alta
Cuando se termine su tiempo de
vida
Aleatoriamente
…
S. Castro, D. Urribarri CG 2015
Animación basada en la física
Renderizado
¿Cómo deben renderizarse las partículas?
Puntos
Polígonos
Formas
Líneas
S. Castro, D. Urribarri CG 2015
18
Animación basada en la física
Renderizado
¿Cómo deben renderizarse las partículas?
Puntos
Polígonos
Formas
Líneas
S. Castro, D. Urribarri CG 2015
Animación basada en la física
Renderizado
¿Cómo deben renderizarse las partículas?
Puntos
Polígonos
Formas
Líneas
S. Castro, D. Urribarri CG 2015
Animación basada en la física
Renderizado
¿Cómo deben renderizarse las partículas?
Puntos
Polígonos
Formas
Líneas
S. Castro, D. Urribarri CG 2015
Animación basada en la física
Actualización de una partícula
Una forma sencilla de actualizar las partículas sería considerar un
punto ideal sujeto a las leyes de Newton. Si cada partícula tiene
una masa m, una posición inicial p0 y una velocidad inicial v e
ignoramos efectos como fricción, interacción entre partículas, etc,
su posición en el tiempo t estará dada por:
donde g es la constante gravitacional
S. Castro, D. Urribarri CG 2015
tvztz
tm
gtvyty
tvxtx
z
y
x
0
2
0
0
2
S. Castro, D. Urribarri CG 2015
Animación de Comportamiento
Animación de Comportamiento
Animación de Comportamientos
La animación de comportamientos es, en muchas de sus
manifestaciones, una elaboración de animación de partículas.
Se simula un tipo de modelo
sociológico rudimentario involu-
crando el comportamiento de
una población de entidades.
S. Castro, D. Urribarri CG 2015
19
Animación de Comportamiento
Animación de Comportamientos
En este tipo de animación, cada entidad tiene un conjunto de reglas
que gobiernan su comportamiento como función de su relación
(usualmente espacial) con sus entidades vecinas.
Los primeros modelos fueron desarrollados por Reynolds en 1987
para simular el fenómeno de agrupamiento de pájaros y peces.
Cada pájaro o pez posee un conjunto de reglas que gobierna su
comportamiento con respecto a sus vecinos en el grupo. La idea
básica fue usada para controlar una estampida en El rey león
(1994).
S. Castro, D. Urribarri CG 2015
Estampida Rey León
Animación de Comportamiento
S. Castro, D. Urribarri CG 2015
Animación de comportamientos
Reynolds simuló el comportamiento de los grupos con tres reglas
que, en orden decreciente de precedencia son:
- El evitar las colisiones
- La coincidencia de la velocidad de cada entidad con la del
grupo. - Centrado del grupo; cada entidad tiende a estar cerca de sus
compañeros de grupo.
Video Bandadas
Animación de Comportamiento
El aspecto del comportamiento es implementado como una serie de
rutinas que generan las acciones apropiadas para controlar los
músculos.
S. Castro, D. Urribarri CG 2015
Animación de Comportamiento
Las acciones son seleccionadas por el generador de intenciones que
selecciona un comportamiento basado en la información de los
sensores, el estado mental actual del pez y sus hábitos.
Las rutinas de comportamiento
simulan actividades tales como:
EvitarObjEstáticos
EvitarPez
Comer
Escapar
...
S. Castro, D. Urribarri CG 2015
Animación de Comportamiento
Descripción de cómo se mueve coordinadamente cada punto del pez.
S. Castro, D. Urribarri CG 2015
Animación de Comportamiento
Los sistemas de Lindenmayer o Sistemas-L fueron introducidos como un
modelo teórico para el desarrollo de plantas y otros componentes. Los
especialistas en Computación Gráfica han hecho que estas ideas teóricas
se convirtieran en una poderosa herramienta para crear modelos realistas
de plantas, permitiendo además simular su crecimiento y la interacción
con el medioambiente.
La mayoría del trabajo de modelamiento utilizado en Computación
Gráfica se debe al trabajo de Prusinkiewicz y sus colaboradores.
S. Castro, D. Urribarri CG 2015
Animación de Plantas
20
Animación de Comportamiento
Un sistema-L consiste en un conjunto de reglas denominadas
producciones que describen el desarrollo de las ramas, las hojas, las
flores y otras componentes de una planta. En una generación, estas
producciones se aplican a una cadena inicial denominada axioma, en
una secuencia de pasos de derivación. Éstas especifican el
comportamiento de una determinada especie.
Luego de una determinada cantidad de pasos, el estado del modelo
del sistema-L se codifica en una cadena de símbolos, llamada
cadena-L.
En una fase de interpretación subsecuente, la cadena-L es convertida
a una interpretación geométrica de una planta.
S. Castro, D. Urribarri CG 2015
Animación de Comportamiento
S. Castro, D. Urribarri CG 2015
Se da el alfabeto {A, B, [, ]} y las dos reglas de producción
siguientes:
1. A AA
2. B A[B]AA[B]
Comenzando con el axioma A, las primeras generaciones son A,
AA, AAAA y así siguiendo. En cambio, si comenzamos con el
axioma B, las primeras generaciones son:
B
A[B]AA[B]
AA[A[B]AA[B]]AAAA[A[B]AA[B]]
Sistema L
Cadena L
Animación de Plantas: Sistemas-L con corchetes
Animación de Comportamiento
S. Castro, D. Urribarri CG 2015
Si decimos que una palabra en el lenguaje representa una serie de
segmentos y que las porciones entre corchetes representan porciones
que ramifican del símbolo precedente, las figuras asociadas a estos
tres niveles son
B A[B]AA[B] AA[A[B]AA[B]]AAAA[A[B]AA[B]]
Esta es una interpretación
geométrica simple de la
cadena-L.
B
A[B]AA[B]
AA[A[B]AA[B]]AAAA[A[B]AA[B]]
Animación de Comportamiento
S. Castro, D. Urribarri CG 2015
En este caso podría considerarse que la interpretacón
geométrica de los símbolos es
B A[B]AA[B] AA[A[B]AA[B]]AAAA[A[B]AA[B]]
B
A[B]AA[B]
AA[A[B]AA[B]]AAAA[A[B]AA[B]]
B : dibujar una rama que será
ramificada en la próxima
instancia
A: dibujar una rama de una
determinada longitud
[ : guardar el estado, doblar a
izquierda 90º y prepararse para
comenzar una nueva rama
] : terminar rama, reestablcer
estado guardado
Ejemplo de crecimiento
S. Castro, D. Urribarri CG 2015
Animación de Comportamiento Bibliografía
ACM SIGGRAPH Proceedings
Angel, E., Shreiner, D. Interactive Computer Graphics: A top-down approach with
shader-based OpenGL, Addison Wesley, 6th. Ed., 2011.
Foley, J., van Dam, A., Feiner, S. y Hughes, J., Computer Graphics. Principles and
Practice, Addison Wesley, 1992, 2nd Edition.
Hearn, D., Baker, M.P., Computer Graphics, C Version, Prentice Hall Inc., 2003, 3rd
Edition.
Hill, F. Jr, Kelley, S., Computer Graphics Using OpenGL, Prentice Hall, 3rd Ed.,
2006.
Lasseter, J., Principles of Traditional Animation Applied to 3D Computer Animation,
Proceedings of SIGGRAPH ’87, pp.35-44, July 1987.
Parent, R., Computer Animation. Algorithms and Techniques, Morgan-Kaufmann
Pub., 2002.
Parent, R., et al. Computer Animation Complete, Morgan-Kaufmann Pub., 2010.
Watt, A., Watt, M., Advanced Animation and Rendering Techniques. Theory and
Practice, Addison-Wesley, 1992.
S. Castro, D. Urribarri CG 2015