Если для создания инверсной кинематики обычно достаточно пары кликов мышкой, то для того, чтобы сделать мышцу, придется программировать. Большинство солидных 3D-пакетов включают в себя язык для написания встроенных программ. Вот и в этом случае поведение мышцы зависит не только от расположения костей, но и от скорости их взаимного движения. Ведь при одном и том же положении локтевого сустава бицепс будет находиться в совершенно разных состояниях в зависимости от того, сгибается рука или разгибается.
Если мы присмотримся, например, к бегущей собаке, то увидим, что некоторые части ее тела колеблются в такт прыжкам. Это, конечно, можно сделать аналогично мышцам, написав соответственный код. Но можно воспользоваться возможностью 3D-пакетов рассчитывать динамику упругих тел. Многие физические процессы можно моделировать встроенными средствами программ для моделирования. И так «подвесив» в нужном месте деформирующее тело на специальные пружины и настроив необходимые динамические параметры, мы получим желаемый результат. Существенно повысить реалистичность можно, если применить аналогичный метод ко всем крупным мышцам существа.
Посмотрите на свою руку: видите морщины, появляющиеся на ней, когда вы сгибаете локоть? Нашему персонажу такие морщины тоже нужны. Для их имитации строятся специальные кривые, которые, в отличие от костей, продавливают кожу. И после размещения в нужном месте «привязываются» к скелету.
Теперь тело персонажа практически готово. Но лицо, ну или морда, что у него там есть, остается неподвижным. А если в фильме будут крупные планы? Для создания мимики существует несколько принципиально разных подходов. Естественный – для мимики используется имитация лицевых мышц. Они, как ни удивительно, делаются из тех же костей, что и скелет, но работают, как настоящие мышцы, – изменяя длину, двигают ткани лица. Этот метод дает практически полную свободу в создании различных выражений лица, но достаточно сложен в управлении, ведь лицевых мышц может быть очень много.
Более простой в управлении метод основан на плавной модификации трехмерных объектов. Сначала лицо персонажа дублируется в нескольких экземплярах, обычно не более пяти. Каждый из дублей модифицируется таким образом, что выражает крайнюю степень той или иной эмоции: радости, гнева, страха.… После чего специальный инструмент позволяет «смешивать» в разных пропорциях эти лица. Теперь при помощи пяти ползунков можно управлять мимикой персонажа. Более того, таким же образом можно создать и эффект плавной трансформации, всего лишь сделав пару из новых лиц, сильно не похожих друг на друга.
Когда все предварительные работы завершены, в дело вступают аниматоры. Именно эти люди научат наше существо двигаться на экране. Самый простой метод анимации компьютерных персонажей называется методом ключевых кадров (Key Frames). Состояние героя точно задается на некотором наборе кадров, эти кадры не обязаны идти в фильме последовательно, например поза существа может быть задана на первом десятом и пятидесятом кадрах. После чего для всех промежуточных (не ключевых) кадров автоматически вычисляется положение всех частей героя. Этот способ достаточно прост в реализации, но слишком трудоемок для создания движений сложной конфигурации и требует большого умения аниматора для получения реалистичности поведения персонажа. Более того, не все позы персонажа в реальности бывают возможными. Зритель вряд ли поверит в существо с явно смещенным центром тяжести. Например, при анимации хвоста бегущего динозавра надо следить за тем, чтобы хвост, как и его прототип, балансировал в воздухе, помогая своему хозяину не упасть. В таких случаях зачастую применяется процедурная анимация, здесь для управления персонажем или его частью пишется специальная программа, которая может расположить одни части тела персонажа оптимальным образом исходя из других и существа в целом. Но и такой подход не всегда дает приемлемый результат.
Что же может стать источником реалистичного движения? Правильно, сам человек. Для того чтобы перенести движения с человека на цифрового персонажа, существуют системы захвата движения (Motion Capture), позволяющие анимировать в реальном времени. Существует три принципиально разных подхода к созданию таких систем. Первый: можно разместить на руках, ногах и других частях тела специальные датчики, которые будут передавать на компьютер информацию о своем положении в пространстве. Второй: на человека можно «надеть» внешний скелет, регистрирующий изменение положения своих костей. Однако обе эти технологии громоздки и дороги.
Третий же (новейший) способ захвата движения куда проще. На теле человека в особых точках размещаются специальные маркеры, например ярко-оранжевые перчатки. А программный комплекс восстанавливает положение маркеров в пространстве, получая данные с обычных цифровых камер, расположенных вокруг движущегося человека. Этот способ наиболее удобен, так как оборудование почти не мешает двигаться. Впрочем, для достижения более реалистичных результатов могут применяться особые костюмы, сковывающие движения актера, для восстановления походки рыцаря в тяжелых латах, может быть, и актеру придется облачаться в некоторое подобие средневековых лат. К тому же технологии Motion Capture годятся для копирования движений не только человека, но и животных.
Даже мимику можно перенести с реального персонажа на виртуального. Для этого на лицо человека наклеиваются яркие кружочки, после чего его снимают с нескольких камер одновременно, и с помощью программного обеспечения, схожего с тем, которое используют для Motion Capture, физиономия человека в реальном времени переносится на компьютерного героя.
А что это мы совсем забыли о механических актерах. Их можно сделать очень похожими на живой организм, просто скопировав его устройство с начала и до конца. Сначала изготовить копию скелета с функциональными устройствами, заменяющими мышцы, после чего разместить муляжи мышц, снабдив их возможностью увеличивать объем и, наконец, обтянуть все «кожей». Так как ее можно изготовить из материалов, похожих по свойствам на настоящий покров животного, результат может быть очень реалистичен. Но это пока наш механический актер неподвижен. Во время съемок ему придется двигаться. Это могут быть однокадровые движения как в классической кукольной мультипликации, но тогда можно будет забыть о сложных прыжках и естественности движений. Более того, этот метод съемок требует большого количества времени. Так, при съемках первого «Кинг-Конга», где роль большой обезьяны играла кукла, а деревья в джунглях были простыми комнатными растениями, в сцене, пока Конг шел по лесу, одно из деревьев успело выбросить бутон и даже зацвести.
Если нам надо снимать непрерывные движения, то кукла должна либо самостоятельно двигаться, либо использовать помощь человека. Куклы-роботы хорошо подходят только на роли роботов, все дело в их необычном стиле передвижения: согласитесь, трудно не узнать походку даже самого изощренного робота и еще труднее выдать ее за прыжки зайца или бег человека. Помощь человека машине может прийти как снаружи, так и изнутри. Да, именно изнутри, персонаж может надеваться на актера, как новогодний костюм. Это позволяет достичь некоторой реалистичности движений, но не позволяет создать героя ростом четыре метра или существо с непропорционально длинными конечностями: тот же Кинг-Конг с человеческими пропорциями смотрелся бы не так колоритно. Существуют и другие вариации на тему марионеток, но всем им присущ крупный недостаток – даже не необходимость стирать на отснятом материале веревки, а все та же неестественность движений, зритель в них не верит.
Если механического актера, как и живого, можно снять обычной камерой, то для их компьютерных коллег применяются специальные программы рендеринга, позволяющие создавать реалистичное изображение на основе 3D-сцен. Для наиболее сложных сцен обычно используют так называемые рейтрейсеры (Raytracer). Принцип действия этих программ довольно прост. Из оптического центра камеры через каждый пиксел на экране пускается луч. Он может отражаться, преломляться и затухать в зависимости от того, какие объекты встречаются у него на пути, и в конце концов приносит информацию о цвете того пиксела, через который прошел в самом начале своего пути. Понятно, что такой способ визуализации требует немалых вычислительных мощностей, особенно если учесть огромные разрешения кинематографических форматов.
Теперь осталось только совместить результаты рендеринга с отснятым материалом, если, конечно, фильм не полностью цифровой. Но это уже тема отдельной статьи.
Виртуальные массовкиИногда по сценарию требуется присутствие в одном кадре множества персонажей. Можно, конечно, набрать необходимое количество статистов, но это дорого. Представьте, во что обошлись бы сцены битв из «Властелина колец», если бы режиссер решил собрать такое количество людей, надеть на них доспехи, раздать оружие и погнать в атаку. Но это еще не все проблемы, таким скопищем людей очень трудно управлять, даже полководцу это не всегда под силу.
Теперь осталось только совместить результаты рендеринга с отснятым материалом, если, конечно, фильм не полностью цифровой. Но это уже тема отдельной статьи.
Виртуальные массовкиИногда по сценарию требуется присутствие в одном кадре множества персонажей. Можно, конечно, набрать необходимое количество статистов, но это дорого. Представьте, во что обошлись бы сцены битв из «Властелина колец», если бы режиссер решил собрать такое количество людей, надеть на них доспехи, раздать оружие и погнать в атаку. Но это еще не все проблемы, таким скопищем людей очень трудно управлять, даже полководцу это не всегда под силу.
В современном кинематографе массовки принято размножать или рисовать с нуля, полностью собирая из 3D-персонажей. У каждого из этих методов есть свои достоинства и недостатки. Размножение двухмерных персонажей на первый взгляд кажется менее трудоемкой задачей, а 3D открывает больше возможностей для управления.
В фильме «Гладиатор» толпы зрителей в Колизее были размножены из небольшого количества статистов. Тогда мощности компьютеров для создания такого количества реалистичных 3D-людей были еще не достаточны. Поэтому была выбрана технология размножения при помощи композитинга. Так как камера практически во всех кадрах находилась в центре арены, ракурс для всех людей на трибунах был практически одинаков. Для таких сцен как нельзя лучше подходит 2D-метод размножения массовки.
А вот в трилогии «Властелин колец», во-первых, нужны были воистину масштабные батальные сцены, и, во-вторых, камера должна была пролетать над строями воинов. Поскольку во время пролета камеры ракурс, с которого видно человека внизу, существенно меняется, то двухмерное размножение не подходило, было решено делать участников массовки в 3D.
Персонаж для участия в массовке делается по тем же принципам, что и любой другой, но кроме меньшей детализации он еще должен обладать очень простыми инструментами для управления. Если у вас всего один персонаж, то вы можете следить за движением каждого сустава, а если их больше? Хорошо, если вам не лень указывать каждому участнику сцены, когда и куда ему бежать. Для такого персонажа создается некоторое количество элементарных анимаций: ходьба, бег, прыжок, падение. Также некоторые параметры персонажа делаются так, чтобы при размножении их легко было задать случайным образом, – например, рост, полнота, цвет одежды и кожи.
При работе над «Властелином колец» для управления массовками доселе невиданных масштабов (более 70 тысяч объектов) на студии Weta Digital была разработана программа Massive. Она позволяет управлять как отдельным существом, так и строями, при этом они движутся по 3D-ландшафту, автоматически обходя преграды и не сталкиваясь друг с другом. Каждый агент (так принято называть участника массовки) имеет свой искусственный интеллект, который позволяет ему не только адекватно перемещаться, но и атаковать противника, стараясь нанести свой удар так, чтобы попасть в наименее защищенную часть тела. Эта программа вышла за пределы родной студии, что редко случается в мировой практике, и была взята на вооружение крупнейшими студиями планеты.
А вот в фильме «9 рота» массовку для финального боя решили делать двухмерной. При натурных съемках были задействованы актеры только для первых рядов наступающих душманов. Остальных же пришлось дорисовывать, для чего в студии на зеленом фоне отсняли множество кадров с различными ракурсами и движениями актеров. Впоследствии из этих материалов и была собрана финальная массовка.
Технологии: Эффекты в компьютерных играх
Спецэффекты нужны не только в кино, но и в компьютерных играх. Причем то, что для киношников не составляет никакого труда, может вызвать у разработчиков игр головную боль. Первое, что приходит на ум, – это тени. Если при натурных съемках они получаются сами собой, да и при рендеринге 3D-сцен рейтрейсеры делают неплохие тени, то в играх…
Тени…в играх использовать рейтрейсеры пока невозможно из-за недостаточной производительности компьютеров. Самый простой способ создания тени, падающей от объекта на плоскость, – это разместить под объектом полигон с заранее заготовленной полупрозрачной текстурой, повторяющей форму тени. Или же, если объект и источник света неподвижны, тень можно нарисовать на текстуре пола. Но если объект будет двигаться относительно источника света, то и тень должна меняться.
В таких случаях придется рисовать объект дважды. Один раз таким, каким мы его будем видеть, а второй раз путем несложных проекционных преобразований изменив его так, чтобы по форме он точно соответствовал своей тени. После чего объект окрашивается в полупрозрачный серый цвет и отрисовывается на полу. Этот метод, однако, подходит, только когда тень падает на плоскость, а если под объектом сложная рельефная поверхность?
Для таких случаев существует технология теневых объемов (Shadow Volume). Нам придется дважды нарисовать часть сцены, на которую может попасть тень. Сначала для отбрасывающего тень объекта строится трехмерное тело, соответствующее той части пространства, которую он затеняет. Например, для круга – это будет конус, а для треугольника – пирамида. Понятно, что построить такое тело для объекта сложной формы непросто, хотя можно построить отдельный объем для каждого полигона, а потом их объединить. После чего встроенными средствами видеокарты мы можем отсечь часть сцены, не попадающую в теневой объем. Затем, отсекая то, что не попало в объем, нарисуем ту же сцену, но с приглушенными цветами. Этот метод позволяет рисовать тени, которые одни сложные объекты отбрасывают на другие не менее сложные, а также на самих себя. В последнем случае придется рисовать объект столько раз, сколько в нем содержится полигонов. Shadow Volume подходит не только для создания теней, но и для имитации ярких пучков света. В этом случае объем будет соответствовать пучку света, а части сцены, попадающие внутрь пучков, будем рисовать ярче, чем остальные. Если же тела, соответствующие теневым объемам, сделать полупрозрачными, то лучи будут отчетливо видны в пространстве. Останется только решить проблему просвечивания пучков через объекты сцены.
Метод Shadow Mapping позволяет делать тени, отбрасываемые предметами на себя. Для этого в точке освещения создается виртуальная камера, и все точки, которые ей «видны», заносятся в специальный буфер. Они рисуются освещенными, а все остальные затененными. Перечисленные методы делают так называемые жесткие тени, имеющие четкую границу с освещенными частями сцены. В реальности же края теней чаще всего размыты, из-за того что источники света не точечные и свет отражается от различных предметов. Чтобы имитировать такие тени, можно одним из предложенных методов несколько раз нарисовать их, постепенно уменьшая размеры и увеличивая затемненность, и таким образом получить плавный переход.
Современные видеокарты поддерживают пиксельные шейдеры, с помощью которых можно получить очень неплохие тени. Для каждого пиксела задается программа, позволяющая определить его освещенность и сделать цвет ярче или темнее. Так можно сгенерировать жесткие или мягкие тени. Единственный недостаток этого метода – код шейдера для каждой сцены придется писать практически заново.
ОтраженияПлоское зеркало сделать достаточно просто, нарисовав с обратной стороны то, что должно в нем отражаться. Стеклянные полы делаются таким же способом: под полом рисуется перевернутая комната со всей обстановкой, а пол делается полупрозрачным. Таким образом, нижняя комната будет восприниматься как отражение верхней, и в зависимости от степени прозрачности пола он может казаться как зеркальным, так и едва отражающим.
Но если понадобится сделать отражающим предмет сложной формы? Можно, конечно, для каждого полигона нарисовать перевернутую сцену. Но человек устроен так, что ему трудно оценить, насколько реально выглядит отражающая поверхность сложной формы, главное, чтобы блестело и контуры угадывались.
Поэтому такие отражения делают «нечестно», натягивая на объект специальную текстуру. Существенно упростить эту задачу может автоматическая генерация текстур. Обычно используют сферическую или кубическую генерацию: вокруг объекта создаются обтянутые текстурой виртуальные куб или шар, которые и проецируются на объект. Соответственно для шара достаточно одной текстуры, а для куба потребуются все шесть.
Чтобы создать эффект отражения, необходимо в качестве текстур для объекта с автоматической генерацией текстурных координат подать фотографию сцены, сделанную из центра объекта. Для сферического способа придется использовать сверхширокоугольный объектив с захватом в 360 градусов, иначе предмет будет отражать только часть сцены. А для кубического подойдет и с 90-градусным. Если сцена, которую необходимо отражать, статична, то текстуры можно заготовить заранее, если же она изменяется, то ее придется фотографировать прямо в процессе работы программы. Точно так же можно создать и эффект преломления, достаточно просто-напросто перевернуть текстуры.