Анимация 3d изображений в специальных программых средствах

ФГБОУ ВО «МОРДОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ИМЕНИ М. Е. ЕВСЕВЬЕВА»

Факультет физико-математический

Кафедра информатики и вычислительной техники

АНИМАЦИЯ 3D ИЗОБРАЖЕНИЙ В СПЕЦИАЛЬНЫХ ПРОГРАММЫХ СРЕДСТВАХ

Реферат выполнила

студентка 5 курса группы МДМ-213 Н. С. Пантюшина

Направление подготовки 050100 «Педагогическое образование».

Профили подготовки «Математика» и «Информатика».

Реферат проверила ______________________ Т. В. Кормилицина

Саранск 2018

Содержание

Введение………………………………………………………………………...…3

1. История анимации…...........................................................................................4

2. Программное обеспечение для создания анимации……………………….10

Заключение……………………………………………………….……………...17

Список использованных источников…………………………………………...18

Введение

На протяжении всего своего существования человек пытался отразить движение в своем искусстве. Сегодня передача движения может быть реализована средствами анимации.

Под определение "компьютерная анимация" подходят различные технологии. Компьютерная анимация может быть двухмерной и трехмерной, существует и компьютерная перекладка. Поначалу художники-аниматоры воспринимали компьютер просто как помощника, который избавит их от самой трудной и скучной работы, но со временем выяснилось, что его возможности куда богаче: он позволяет имитировать любую технику, любые материалы, любой стиль. Однако даже самый совершенный компьютер остается всего лишь инструментом.

Неподвижные изображения пригодны для некоторых программ-приложений компьютерной графики, но иногда возникает необходимость в движущихся изображениях. Так, например, имитаторы полета и видео игры постоянно меняют экран, создавая объекты и даже целые сцены, показываемые в движении. Иллюзия движения, достигаемая стремительной сменой изображения на экране, называется анимацией.

Программ для работы с компьютерной анимацией, существует великое множество.

История анимации

Анимация (animation) - от латинского "anima" - душа,  анимация означает одушевление или оживление

Анимация - это последовательность сменяющихся изображений (кадров), в результате которого возникает иллюзия движения

У анимации есть своя история, так создателем технологии выполнения мультфильмов кадр за кадром считается Э.Рейно. Но наиболее широкое распространение анимация получила во времена Уолта Диснея. Принципы анимации, которые он использовал, стали настолько результативными, что они до сих пор считаются основой основ для мультипликатора. Существует несколько видов анимации: Традиционная, Стоп-кадровая, Компьютерная. Компьютерная и Традиционная - по-сути, одно и то же, только Традиционная рисуется руками на бумаге, а Компьютерная - на планшете, в какой-либо программе. Анимация - сложный процесс, занимающий очень много времени. Наиболее трудоемкой в исполнении считается Традиционная анимация, поэтому она сейчас используется очень редко. В Компьютерной анимации все намного проще.

Компьютерная анимация — вид анимации, создаваемый при помощи компьютера. В отличие от более общего понятия «графика CGI», относящегося как к неподвижным, так и к движущимся изображениям, компьютерная анимация подразумевает только движущиеся. На сегодня получила широкое применение как в области развлечений, так и в производственной, научной и деловой сферах. Являясь производной от компьютерной графики, анимация наследует те же способы создания изображений: векторная графика, растровая графика, фрактальная графика, трёхмерная графика(3D).

Так же компьютерную анимацию можно разделить на виды: Flash-анимация, покадровая классическая, 3D анимация.

Первые попытки запечатлеть движение в рисунках относят к палеолитическим пещерным рисункам, где животных изображали с множеством ног, перекрывающих друг друга.

В Шахр-и Сохта (Иран) был найден глиняный сосуд, возраст которого оценивается в 5000 лет. На стенках сосуда сделано 5 изображений козла в движении.

Рисунок 1. Первые примеры анимации

Также были найдены рисунки, в Египте (относят к 2000 году до н.э.). Были заявления о том, что эти рисунки необходимо назвать первыми примерами анимации, однако, это не совсем корректно, так как не было оборудования, способного показать эти рисунки в движении.

История мультипликации начинается 20 июля 1877 году во Франции, когда инженер-самоучка Эмиль Рейно создал и представил публике первый праксиноскоп. 28 октября 1892 года Эмиль Рейно демонстрирует в парижском Музее Гревен первую графическую ленту с помощью аппаратов «оптический театр», действующих иначе, чем кинопроектор - до изобретения кинематографа.

Рисунок 2. «Оптический театр»

Первые мультфильмы представляли собой рисованные и раскрашенные от руки пантомимы продолжительностью вплоть до пятнадцати минут. Уже тогда могло применяться звуковое сопровождение, синхронизированное с изображением. Рейно создал также мультфильмы, в которых наряду с рисунками применялись фотографии. В дальнейшем вклад в развитие мультипликации вносили другие мультипликаторы, создавая картины в различных жанрах и техниках.

Бурное развитие анимации началось в начале 20 века. Сразу несколько человек примерно в одно время и независимо друг от друга начали работу над созданием анимационных фильмов.

Джордж Меллис случайно изобрел технику съемки, называемую «stop-motion». Суть этой техники заключалась в следующем: Мелис снимал кадр, затем менял что-то в снимаемой сцене, затем снимал следующий кадр и так далее. После чего, быстро сменяя эти кадры, добивался анимационного эффекта.

Американец Стюарт Блэктон анимировал дым в сцене в 1900 году.

Винзор МакКей создал первый анимационный мультфильм в 1906 году.

Уолт Дисней был первым, кто использовал звук в анимации. Дисней также был одним из пионером в использовании цвета в анимации. Одним из наиболее существенных нововведений студии Диснея было изобретение многоплоскостной камеры, позволявшей получать эффекты параллакса, вытянутых форм фигур, глубины и нечеткости. Его студией создано множество анимаций, персонажи которых известны по сей день (Микки Маус, Плутто, Гуффи и т.д.). Коммерческий успех первых аниматоров широкого показа создал почву для появления новых анимационных студий.

К 1930 году уже функционировало множество таких студий, среди которых – функционирующие по сей день Universal Pictures, Paramount, Warner Brothers и другие.

Наиболее ранние компьютерные анимации конца 60- начала 70-х годов были получены совместными усилиями исследователей в университетских лабораториях и отдельных художников. Первые исследования в области компьютерной графики и анимации проводились в 1963 году в MIT (Массачусетском технологическом институте), когда Иван Сазерленд разработал диалоговую систему решения задач с ограничениями на векторном дисплее.

Первые работы по компьютерной анимации в СССР связаны с именем Юрия Баяковского. В 1990 году на конференции SIGGRAPH ассоциация ACM присвоила ему титул "Computer Graphics Pioneer". Сейчас Юрий Матвеевич возглавляет в МГУ Лабораторию компьютерной графики и мультимедиа на факультете ВМК (graphics.cs.msu.su), но продолжает работать и в Институте прикладной математики им. Келдыша РАН, где он много лет заведовал отделом компьютерной графики и где еще в 1964 году в соавторстве с физиком Тамарой Сушкевич выполнил первую в СССР работу по "машинной графике". Это была как раз анимация, небольшой фильм об обтекании цилиндра плазмой. В 1971 году в ИПМ был разработан более совершенный софт для создания компьютерных фильмов и установлена камера для съемки кадров с экрана дисплея. При помощи этой системы вскоре были сделаны еще две впечатляющие анимации. Одна визуализировала движение робота, другая - смоделированное "приливное взаимодействие" двух галактик.

В начале 70-х несколько значительных работ по анимации были произведены в штате Юта: анимированная рука и лицо, созданные Эдвин Кэтмулом (1972), идущая и говорящая фигура, сделанная Берри Веслером в 1973, говорящее лицо, созданное Фредом Парком в 1974. По нынешним меркам качество изображения анимации было примитивным, однако для той поры это были впечатляющие результаты.

В конце 70х Нью-Йоркский технологический институт начал работу над проектом создания фильма «The works», полностью созданным с помощью компьютера с использованием трехмерной компьютерной анимации. Проект не был закончен, но отдельные фрагменты показывались на конференциях SIGGRAPH. Эти фрагменты демонстрировали высокое качество визуализации, сочлененные фигуры и взаимодействующие объекты. При создании «The works» использовалась система BBOP – трехмерная система анимации сочлененных фигур.

В начале 80х годов вклад в развитие анимации внесла лаборатория Даниэля Толман и Нади Магнинат-Толман(компьютерные анимации «Dream Flight», «Tony de Peltrie», «Rendez - vous a Montrual»). Среди других, внесших вклад в этот период были Эд Эмшвиллер, который показал двигающиеся текстурные карты в Sunstone; Джим Блинн, который создал анимацию «Voyager»; Дон Гринберг, создавший архитектурные обходы университетского городка Корнельского университета и другие.

Рисунок 3. Мультфильм "Tony de Peltrie", 1985

К 1980-м годам заметно продвинулось аппаратное обеспечение. В это же время графические программы становились все более сложными: Тернер Виттед ввел понятие трассировки лучей с устранением погрешностей дискретизации; Нельсон Макс создал несколько фильмов о молекулах и один из первых фильмов с анимированными волнами; Лорен Карпентер создал полет вокруг фрактального ландшафта и т.д.

Очень важным направлением в компьютерной анимации является создание искусственного человека, неотличимого от настоящего. В этих фильмах качество анимации человека было таким, что для кинозрителей было очевидно, что персонаж нереален, и в этих фильмах компьютерные актеры играли второстепенные роли. Последние же достижения в моделях освещения и текстурирования позволяют много более реалистично моделировать человека.

Фильм «Young Sherlock Holmes» (1986) был первым, который поместил искусственный персонаж в художественный фильм.

поместил искусственный персонаж в художественный фильм.

Рисунок 4. Кадр из фильма «Young Sherlock Holmes» (1986)

Начинают выходить фильмы, в которых все чаще используются компьютерные спецэффекты: имитация торнадо системой частиц, превращения в вампиров, летающие персонажи, персонажи без ног и т.д. 1993 год - выход «Jurassic Park» с анимированными моделями динозавров, 1995 год - выход «Jumanji» с моделями как реальных, так и выдуманных животных.

В конце 20 века появились новая технология производства анимации - захват движения (motion capture). Объект захвата движения обычно оборудуется какой-либо измерительной аппаратурой так, чтобы положение ключевых точек на нем было легко обнаружить и зафиксировать в любой момент времени. После этого в эти положения можно поместить трехмерную компьютерную модель и анимировать ее так, что она будет повторять движения рассчитанных положений. 

Метод захвата движения применяется в производстве CGI-мультфильмов, а также для создания спецэффектов в фильмах. Широко используется в игровой индустрии. С использованием этого метода в 2004 году созданы мультфильмы «Полярный экспресс» (модель - Том Хэнкс), «Последняя фантазия», «Властелин колец» (модель - Энди Серкис). В 2006 - 2012 году при помощи этой технологии был создан «Ренессанс», «Беовульф», «Рождественская история», «Аватар», «Гарри Поттер»,  «Пираты Карибского моря», «Ранго».

Программное обеспечение для создания анимации.

1. Blender (Блендер) – профессиональное приложение для работы с трехмерной компьютерной графикой. Применяется для моделирования, анимации, монтажа, озвучивания графических образов. Популярность приложения объясняется свободным распространением и достаточно широкой функциональностью. Blender имеет мультиязычный интерфейс и выпускается под операционные системы Linux, Windows, Solaris, OpenBSD, macOS, BSD.

Функционал пакета Blender

Функции и набор инструментов пакета Blender позволяют успешно использовать разработку для создания интерактивных игровых компонентов, для обработки художественных произведений, в киноиндустрии. Количество пользователей по всему миру составляет порядка 500 000.Самые крупные проекты, в которых были использованы инструменты Blender:

• фильм Человек-паук 2;

• анимационное кино «Тайна Келлс»;

• мультфильм Big Buck Bunny;

• анимационный фильм Elephants Dream.

Основные особенности Blender – компактные размеры, которые получены за счет отсутствия подробной документации и минимального количества демонстрационных сцен. Blender поддерживает всевозможные геометрические примитивы, базовые инструменты нелинейного редактирования, рендеринг и программируемую логику. Значительная часть пакета – инструменты анимации, включая такие популярные, как скелетная анимация, инверсная кинематика, движение по ключевым кадрам и сеточная деформация.

Пакет Blender имеет открытый код, который позволил создать информативные и удобные контекстные меню для упрощения работы с программой. В приложении широко применяются горячие клавиши, предусмотрено два режима редактирования и удобное управление рабочей областью с возможностью разделения на несколько экранов.

2. Anime Studio - программа для создания двумерной анимации. Anime Studio включает в себя набор мощных инструментов по созданию векторной графики, работе с растровыми изображениями. Имеется встроенный мастер создания персонажей, есть обучающий режим, поддерживается трассировка растровых картинок. Программа позволяет импортировать в проект звуковые файлы или записать собственные, синхронизировав речь персонажа с воспроизводимым звуком. Библиотека программы включает в себя множество готовых сцен, персонажей, аудио- и видеоклипов, кистей для рисования и т.д. Использование встроенной системы "костей" позволяет с лёгкостью анимировать движения частей тела персонажа. Есть возможность публикации проекта на YouTube и Facebook. Созданные мультяшки можно экспортировать в форматы MOV, AVI и SWF.

3. Autodesk MotionBuilder  2011– программа с возможностями работы в режиме реального времени с анимацией большого количества 3D-персонажей. Это решение для специалистов, занятых в производстве виртуального кино, в области компьютерных игр, в производстве фильмов, телепередач, мультфильмов

К основным составляющим элементам программы можно отнести такие возможности, как:

• работы с анимациями большого количества 3D-персонажей

• обработка данных из систем захвата движения

• высококачественной предварительной визуализации результатов работ, предназначенных для использования в будущих играх или фильмах

• возможности в совместимости и интеграции с другими продуктами

4.CINEMA 4D (сокращенный вариант C4D) – это универсальная комплексная 3D программа, которая позволяет создавать и редактировать трёхмерные объекты и эффекты.

Программа Синема 4Д позволяет выполнять рендеринг объектов по методу Гуро. Поддерживает как высококачественный рендеринг, так и анимацию.

Главные достоинства программы Cinema 4D:

• Максимально простой интерфейс по сравнению с аналогичными программами. Люди, которые начинают изучать трехмерную графику именно в C4D, говорят, что программа довольно проста и понятна в освоении по сравнению с тем же 3ds Max;

• Имеется встроенная поддержка русского языка;

• Данные из Cinema 4D можно легко экспортировать в After Effects и наоборот;

• Основная программа содержит инструменты для текстурирования, моделирования, рендера и анимации;

• Имеются модули, которые открывают доступ к дополнительным специализированным функциям и инструментам программы;

• Возможность выбрать определенную версию (так называемые Bundles и Editions), которая будет содержать модули и дополнения под Ваши конкретные задачи. К примеру, для начала можно иметь только основную программу, а потом, уже по мере необходимости, приобретать дополнительные модули.

• Помимо основного рендера Cinema 4D может работать также и со сторонними рендерами. Они могут встраиваться как непосредственно в саму среду программы, так и при помощи коннекторов;

• C4D позволяет не только импортировать 3D-геометрию в самом широком диапазоне файловых форматов, но также выбирать необходимую Вам модель из сотен имеющихся вариантов;

• Многофункциональный набор различных инструментов моделирования Cinema 4D позволяет быстро создавать любые собственные объекты;

• Вы можете выбирать сложные шейдеры либо просто файлы изображений, анимации, созданные вручную картинки из большого количества уже готовых материалов;

• Можно анимировать любые параметры объекта;

• Функция клонирования позволяет задать сложную анимацию для сотен объектов всего за несколько кликов;

• С помощью MoDynamics можно создать фотореалистичные имитации различных физических эффектов, например, трение, столкновение или сила тяжести.    

• Имеется функция глобального освещения, которая позволяет создавать очень правдоподобное освещение, выполнять физический рендеринг для получения реалистичных эффектов объективов и др.

5.Autodesk Maya - инструментальная система трёхмерной графики и компьютерной трехмерной анимации, обладающая также функциональностью мощного редактора трехмерной графики.

Особенности программы

Autodesk Maya оснащена разноплановыми инструментами для качественной и удобной работы с трехмерной графикой. В ней можно найти все, что угодно требовательному моделлеру, а также подобрать собственный алгоритм действий. Короткий перечень того, что предлагает приложение:

• Работа с кривыми, в том числе NURBS;

• Полигональное моделирование, возможность ретопологии;

• Несколько способов наложения материалов, текстур, а также удобный UV-маппинг (развертка);

• В версии Autodesk Maya 2016 имеются инструменты для скульптинга, подобные кистям ZBrush. Причем скульптинг здесь применим также для моделирования простого ландшафта;

• Ряд инструментов для создания анимации высокого качества. Есть возможность проанимировать даже отдельную прядь волос;

• Динамика твердых и мягких тел;

• Уникальные инструменты для создания реалистичных волос и шерсти;

• Симуляция жидкости;

• Создание спецэффектов (дым, облака, атмосферные эффекты);

• Визуализация как с помощью встроенных инструментов, так и дополнительных плагинов. К примеру, плагин V-Ray позволяет добиться фотореалистичной визуализации.

6. Autodesk 3ds Max (ранее 3D Studio MAX) — полнофункциональная профессиональная программная система для создания и редактирования трёхмерной графики и анимации. Содержит самые современные средства для художников и специалистов в области мультимедиа. Работает в семействе операционных систем Windows (как 32‑, так и 64‑битных). В марте 2014 года выпущена версия 17.0 этого продукта под названием Autodesk 3ds Max 2015.

DS Max – это профессиональная программа для высококачественного трехмерного моделирования от лидера 3D-индустрии Autodesk. Данный редактор широко применяется для создания фильмов, игр и графики движения, т. к. обладает полным комплексом функций и модулей для 3D-моделирования, визуализации, имитации и анимации.

Грамотный рабочий процесс в 3ds Max достигается благодаря возможности одновременного использования различных способов моделирования, удобному интерактивному интерфейсу, а также подключаемым внешним модулям и плагинам.

Функциональные возможности

• создание толпы персонажей с высокой детализацией и натуральными движениями;

• поддержка инструментов для работы с ключевыми кадрами;

• жидкостный эффект с возможностью «оживления персонажей»;

• работа со сложной топологией при помощи OpenSubdiv-библиотек;

• возможность создания расширенных шейдеров c модулем ShaderFX, а так же их обмен;

• построение эффектных органических и параметрических элементов;

• воссоздание сложных эффектов частиц, моделирование травы и волос в модуле MassFX;

• доступен для подключения широкий выбор модулей визуализации;

• создание сценариев на языке программирования Python;

• обработка при помощи новейшей технологии для рендеринга NVIDIA iray;

• построение процесса работы на основе графического ядра Nitrous;

• совместная обработка объектов композитинга в модуле Slate;

• размещение графических объектов и сопоставление видовых камер на фоновых фотоизображениях;

• возможность быстрого переноса данных;

• несколько способов моделирования: полигональный, NURBS, на основе поверхностей Безье, с использованием примитивов и модификаторов, на базе сплайнов с применением Bevel Profile, Surface, Lathe или Extrude.

Заключение

Компьютерная графика, за последнее десятилетие переросшая тесные рамки научных и технических приложений и прочно обосновавшаяся во многих областях масс-медиа, включая прессу, кино и телевидение, привлекает все большее внимание не только специалистов, но и далеких от этой области людей. Учитывая стремительное удешевление компьютеров и появление все большего разнообразия инструментов для художников, аниматоров и кинопроизводителей, можно сказать, что наступает время, когда любой может попробовать себя в этой области. Так же, это подтверждает и наличие большого число свободного программного обеспечения для создания различного вида компьютерной анимации.

Компьютерная анимация может применяться в компьютерных играх, мультимедийных приложениях (например, энциклопедиях), а также для «оживления» отдельных элементов оформления, например, веб-страниц и рекламы (анимированные баннеры). На веб-страницах анимация может формироваться модулями, созданными с помощью технологии Flashили её аналогов (флеш-анимация).

Список использованных источников

1. Трошина, Г.В. Трехмерное моделирование и анимация: учебное пособие / Г.В. Трошина. - Новосибирск: НГТУ, 2010. - 99 с.

2. Примеры моделирования в редакторе 3D Studio Max: учебно-методическое пособие / Е.И. Заболоцкий, Р.Я. Оржеховская, Д.З. Хусаинов и др. ; Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Уральская государственная архитектурно-художественная академия» (ФГБОУ ВПО «УралГАХА»), Министерство образования и науки Российской Федерации. - Екатеринбург: УралГАХА, 2013. - Ч. 1. - 66 с.

3. Шпаков, П.С. Основы компьютерной графики : учебное пособие / П.С. Шпаков, Ю.Л. Юнаков, М.В. Шпакова ; Министерство образования и науки Российской Федерации, Сибирский Федеральный университет. - Красноярск: Сибирский федеральный университет, 2014. - 398 с. : табл., схем. - Библиогр. в кн.. - ISBN 978-5-7638-2838-2 ; То же [Электронный ресурс]. - URL: http://biblioclub.ru/index.php?page=book&id=364588 (18.10.2017).

4. Гафурова, Н.В. Методика обучения информационным технологиям. Практиум: учебное пособие / Н.В. Гафурова, Е.Ю. Чурилова. - Красноярск: Сибирский федеральный университет, 2011. - 181 с.

5. Белова, О.П. Использование маркерной технологии дополненной реальности для графической визуализации учебных задач пространственной геометрии: выпускная квалификационная работа (магистерская диссертация) / О.П. Белова; Министерство образования и науки Российской Федерации, Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова. - Архангельск: , 2017. - 94 с.

2