Jak rozpohybovat animaci?
Viděli jste nějaký animovaný film? Pak jste nejspíš viděli výsledek práce s motion capture systémem. Motion capture systém převádí pohyby člověka či zvířat do digitální podoby.
Začněme ale úplně od začátku. Pojem „motion capture“ (zkráceně též „mocap“) definoval již v roce 1995 Scott Dyer, Jeff Martin a John Zulauf takto:
„Motion capture zahrnuje měření polohy a orientace objektů, osob, obličejových výrazů, pozic kamer či dalších součástí scény v prostoru a následné převedení této informace do digitální podoby. Jakmile jsou data převedena do digitální podoby, mohou je animátoři použít ke kontrole objektů v počítačem vygenerované scéně.“
Zkráceně řečeno se jedná o převod nejen pohybů člověka z reálného světa do světa digitálního.
Tyto systémy mohou být real-time (zařízení pracující v reálném čase jsou schopna využít data interaktivně s minimálním přenosovým zpožděním) a non real-time (je vyžadována následné zpracování dat, aby mohla být využita pro animaci).
Rozdíl mezi klasickou animací a animací pomocí motion capture je především v tom, že při klasické animaci jsou atributy a cesty ovládány explicitně (například přes klíčové snímky) či pomocí numerických simulačních technik. Animace založená na motion capture využívá nahrané pohyby k rozpohybování objektů ve scéně. Málokdy jsou však získaná data dostatečně kvalitní, proto je animace velmi zřídka čistě na bázi motion capture.
V praxi se používá několik typů mocap systémů:
- Mechanické systémy
Mechanické motion capture systémy přímo sledují úhly mezi klouby na těle, často jsou označovány jako exo-skeleton systémy, neboť se na osobu připevní struktura podobná kostře, která je tvořena pevnými částmi (kovovými či plastovými) odpovídající jednotlivým končetinám, které jsou propojeny s potenciometry. Měří se relativní pohyb dané osoby. Tyto systémy pracují v reálném čase, mají relativně nízké náklady a nabízí i neomezený dosah snímání. Mezi nevýhody patří, že technologie nebere v úvahu zem – není možné snímat například skákání, snímaná osoba je omezená v pohybu, je nutná častá kalibrace, nejsou známy absolutní pozice a lze snímat pouze lidské tělo (nikoliv zvířata a předměty).
- Magnetické systémy
Tyto systémy se používají tehdy, kdy není možné využít optické systémy z důvodu velkého světelného rušení. Fungují na základě vypočítání polohy a orientace pomocí relativního magnetického toku tří na sebe kolmých cívek, které jsou umístěny na vysílači a na každém přijímači (používá se 6 až 11 či více senzorů pro snímání pohybu lidského těla). Výhodou je, že tu nevzniká problém se zakrytím některého senzoru – nedojde tak k přerušení sledované pozice a orientace daného objektu. Další výhodou je, že poloha je získávána absolutní, je třeba minimální kalibrace zařízení (vzdálenost i rotace je měřena vzhledem k zdroji – jednomu objektu), pracují v reálném čase a jsou levnější, než optické systémy. Mezi nevýhody patří omezený prostor pro pohyb kvůli propojení osoby a zdroje kabely, příliš malá vzorkovací frekvence na většinu sportovních pohybů, rušení způsobené železnými předměty v okolí či magnetické zkreslení, ke kterému dochází s větší vzdáleností.
- Optické systémy
U tohoto systému se ke zjištění pozice a orientace snímaného objektu používají kamery, které jsou u většiny systémů umístěny ve fixních pozicích a snímaný objekt se pohybuje uvnitř prostoru pokrytého zorným úhlem všech kamer. Počet kamer není přesně dán, běžně se používá od čtyř po desítky kamer (záleží na situaci a velikosti snímaného prostoru). Kamery jsou rozestavěny tak, aby každá zabírala snímaný objekt z jiné perspektivy. Výsledné souřadnice markerů se vypočítají triangulací jejich relativních poloh.
Markery tohoto systému mohou být dvojího typu:
- a) Aktivní markery
Nejčastěji se používají LED diody, které se připevní na snímaný objekt. Tyto markery vyzařující své vlastní světlo, a tak ke snímání není zapotřebí infračervených kamer.
- b) Pasivní markery
Na snímaný objekt se připevní odrazové kuličky (tzv. retroflexivní markery), které mají velikost v řádech milimetrů až centimetrů) a jsou pokryty odrazovou páskou. Polohu těchto bodů pak snímají infračervené kamery. Funguje to tak, že od markeru se odrazí světlo z kamery a vrací se zpět do zdroje, čímž se zjistí jeho poloha vůči kameře. Pro určení polohy markeru je třeba, aby byl v zorném poli nejméně dvou kamer.
Před každým snímáním je třeba provést kalibraci, během níž se určí přesná poloha a natočení každé kamery. Při snímání snímá každá z kamer obraz scény snímkovací frekvencí 30 až 2000 snímků za sekundu. V těchto obrazech je následně určena 2D pozice každého ze snímaných markerů a tyto souřadnice, které jsou různé pro každý obraz, jsou v kombinaci se znalostí přesného umístění dané kamery v prostoru použity k výpočtu 3D souřadnic snímaných bodů.
Mezi výhody patří možnost volného pohybu snímané osoby (systém není propojen kabely), je možné snímat větší množství objektů či postav, data jsou čistá, bez šumu a velmi detailní, vysoká frekvence snímání vhodná pro většinu sportovních pohybů (30 až 2000 snímků za sekundu), může být snímána oblast libovolně veliká. Nevýhodou je především vysoká cena (tyto systémy jsou jedny z nejdražších), náchylnost systému na světelné rušení a citlivost na odrazy. Problémem je také možnost zakrytí snímanou osobou nebo nějakým předmětem a také to, že snímaná osoba na sobě musí mít oblek s markery či je musí mít připevněné na těle. Nutná je také kalibrace před každým snímáním.
Autor: Pavel Bakovský