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

Факультет физико-математический

Кафедра информатики и вычислительной техники

АНИМАЦИЯ ИЗОБРАЖЕНИЙ В СПЕЦИАЛЬНЫХ ПРОГРАММЫХ СРЕДСТВАХ

Реферат выполнила

студентка 5 курса группы МДМ-112  Е. А. Сутягина

Направление подготовки 050100 «Педагогическое образование».

Профили подготовки «Математика» и «Информатика».

Реферат проверила ______________________ Т. В. Кормилицина

Саранск 2017

Оглавление

Анимация. 3

Компьютерная анимация. 9

Технологии создания компьютерной анимации. 10

Программное обеспечение для создания компьютерной анимации  11

Создание анимации в Mathcad. 13

Литература. 18

Анимация

  Анимация (animation) - производное от латинского "anima" - душа, следовательно, анимация означает одушевление или оживление. В нашем кино анимацию чаще называют мультипликацией (дословно - "размножение"). Искусство анимации, как это ни парадоксально, старше самого кино, которое во многом именно ей обязано своим рождением.

Художники всех времен и народов мечтали о возможности передать в своих произведениях подлинное движение жизни. Стремление человечества запечатлеть в рисунке движение, наблюдаемое в природе и жизни, мы находим в памятниках глубокой древности, когда первобытный художник изображал на камне различных животных и людей или занимался резьбой по дереву и кости. Так в первобытных рисунках северных народностей нашей страны мы видим бегущего оленя, изображенного с большим количеством ног, как бы показывающих стремительность его бега; танцующего охотника с восемью ногами и руками, которыми переданы различные моменты движения в танце. Такие же рисунки мы находим у народов Южной Африки, индейцев Северной и Южной Америки и многих других. Человек наблюдал жизнь, видел движение в жизни и старался воспроизвести, запечатлеть это движение в своих примитивных рисунках доступными ему средствами.

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.

Рисунок 3. Уолт Дисней

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 4. 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.

Рисунок 5. 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».

Компьютерная анимация

Компьютерная анимация – вид анимации, создаваемый при помощи компьютера. На сегодня она 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, трехмерная графика (3D).

Она может храниться в универсальных графических файлах (например, в формате GIF) в виде набора независимых изображений, либо в специализированных файлах соответствующих пакетов анимации (3ds Max, Blender, Maya и т. п.) в виде текстур и отдельных элементов, либо в форматах, предназначенных для просмотра (FLIC (англ.)) и применения в играх (Bink). Также, анимация может сохраняться в форматах, предназначенных для хранения видео (например, MPEG-4).

Компьютерная анимация (последовательный показ слайд-шоу из заранее подготовленных графических файлов, а также компьютерная имитация движения с помощью изменения и перерисовки формы объектов или показа последовательных изображений с фазами движения, подготовленных заранее или порождаемых во время анимации) 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 средствами стилей (CSS) и скриптов (JavaScript) или модулями, созданными с помощью технологии Flash или её аналогов (флеш-анимация).

Технологии создания компьютерной анимации

В настоящее время существует различные технологии создания анимации:

Классическая (традиционная) анимация представляет собой поочередную смену рисунков, каждый из которых нарисован отдельно. Это очень трудоемкий процесс, так как аниматорам приходится отдельно создавать каждый кадр.

Стоп-кадровая (кукольная) анимация. Размещенные в пространстве объекты фиксируются кадром, после чего их положение изменяется и вновь фиксируется.

Спрайтовая анимация реализуется при помощи языка программирования.

Морфинг – преобразование одного объекта в другой за счет генерации заданного количества промежуточных кадров.

Цветовая анимация – при ней изменяется лишь цвет, а не положение объекта.

3D-анимация создается при помощи специальных программ (например, 3D MAX). Картинки получаются путем визуализации сцены, а каждая сцена представляет собой набор объектов, источников света, текстур.

Захват движения (Motion Capture) – первое направление анимации, которое дает возможность передавать естественные, реалистичные движения в реальном времени. Датчики прикрепляются на живого актера в тех местах, которые будут приведены в соответствие с контрольными точками компьютерной модели для ввода и оцифровки движения. Координаты актера и его ориентация в пространстве передаются графической станции, и анимационные модели оживают.

Программное обеспечение для создания компьютерной анимации

Программное обеспечение для создания анимаций создает удобства в работе как для новичка, так и для опытного пользователя. Подобные программы обладают различными техническими особенностями, весьма полезными и легкими в использовании для аниматора. В любой момент времени пользователь может получить on-line помощь. Подобное программное обеспечение различается по двум категориям: для двухмерной (2D) и трехмерной (3D) анимации. На рынке в настоящее время присутствует огромное количество и разнообразие программ для создания анимаций. Многие из них широко доступны и имеют испытательный режим, в течение которого пользователь может пользоваться программой бесплатно. После истечения этого срока, если пользователь доволен программой, для дальнейшего ее использования он может купить полную версию.

Лучшим программным обеспечением для создания анимации на основе полигонального моделирования на сегодняшний день является 3D Max. Данная программа является платной. С помощью этого программного обеспечения новички могут создавать 3D-изображения, например, конусы, кубы, пирамиды, которые послужат основой для моделей.

Программа предназначена для создания крупных проектов. С такой программой очень просто работать тем, кто ее хорошо знает. С ее помощью можно загружать плагины для увеличения своих возможностей.

Рисунок 6. Пример созданного изображения в 3D Max

Еще одним программным обеспечением для создания 3D-анимации является  Maya, она также является платным программным продуктом.  Ее используют для создания 3D-персонажей, пейзажей, идеально подходящих для фильмов и 3D-игр. Также эта программа предлагает множество интересных приложений, которые легко использовать для создания реалистической картины. У интерфейса Maya больше функций для моделирования, раскрашивания и анимации по сравнению с остальными ПО. Они идеально подходят для создания игр и телепередач.

Рисунок 7. Пример изображения созданного в Maya

Одной из популярных бесплатных программных продуктов, для создания 3D изображений является Blender используется сотнями людей во всем мире, среди них: специалисты, художники, ученые, эксперты VFX, создатели игр, любители, студенты и многие другие.

У Blender имеется бесплатный и доступный код для создания 3D. Blender обеспечивает широкий спектр функций обработки, моделирования, текстурирования, освещения, анимации и видео. Он совместим с любой платформой.

Рисунок 8. Изображение созданное в Blender

Создание анимации в Mathcad

Во многих случаях самый зрелищный способ представления результатов математических расчетов — это анимация. Mathcad позволяет создавать анимационные ролики и сохранять их в видеофайлах.

Основной принцип анимации в Mathcad — покадровая анимация. Ролик анимации — это просто последовательность кадров, представляющих собой некоторый участок документа, который выделяется пользователем. Расчеты производятся обособленно для каждого кадра, причем формулы и графики, которые в нем содержатся, должны быть функцией от номера кадра. Номер кадра задается системной переменной FRAME, которая может принимать лишь натуральные значения. По умолчанию, если не включен режим подготовки анимации, FRAME=0.

Рассмотрим последовательность действий для создания ролика анимации, например демонстрирующего перемещение гармонической бегущей волны. При этом каждый момент времени будет задаваться переменной FRAME.

·                     Введите в документ необходимые выражения и графики, в которых участвует переменная номера кадра FRAME. Подготовьте часть документа, которую Вы желаете сделать анимацией, таким образом, чтобы она находилась в поле Вашего зрения на экране. В нашем примере подготовка сводится к определению функции f (x, t) :=sin(x-t) и создании ее Декартова графика у (x, FRAME) .

·                     Выполните команду Tools / Animation / Record (Сервис / Анимация / Запись).

·                     В диалоговом окне Animate (Анимация) задайте номер первого кадра в поле From (От), номер последнего кадра в поле То (До) и скорость анимации в поле At (Скорость) в кадрах в секунду (рис. 9).

·                     Выделите протаскиванием указателя мыши при нажатой левой кнопке мыши область в документе, которая станет роликом анимации.

·                     В диалоговом окне Animate (Анимация) нажмите кнопку Animate (Анимация). После этого в окошке диалогового окна Animate (Анимация) будут появляться результаты расчетов выделенной области, сопровождающиеся выводом текущего значения переменной FRAME. По окончании этого процесса на экране появится окно проигрывателя анимации (рис. 10).

·                     Запустите просмотр анимации в проигрывателе нажатием кнопки воспроизведения в левом нижнем углу окна проигрывателя.

·                     В случае если вид анимации Вас устраивает, сохраните ее в виде видеофайла, нажав кнопку Save As (Сохранить как) в диалоговом окне Animate (Анимация). В появившемся диалоговом окне Save Animation (Сохранить анимацию) обычным для Windows способом укажите имя файла и его расположение на диске.

Рисунок 9. Начало создания анимации

Закройте диалог Animate (Анимация) нажатием кнопки Cancel (Отмена) или кнопки управления его окном.Сохраненный видеофайл можно использовать за пределами Mathcad. Скорее всего, если в проводнике Windows дважды щелкнуть на имени этого файла, он будет загружен в проигрыватель видеофайлов Windows, и Вы увидите его на экране компьютера. Таким образом, запуская видеофайлы обычным образом, можно устроить красочную презентацию результатов работы как на своем, так и на другом компьютере.

Рис. 10. Просмотр созданного ролика анимации

Пример построения кривых семейства роз  (рис.11, 12)

Рисунок 11. Построение анимации

Рисунок 12. Анимация

Литература

·                     Дж. Ли, Б. Уэр. Трёхмерная графика и анимация. — 2-е изд. — М.: Вильямс, 2002. — 640 с.

·                     Д. Херн, М. П. Бейкер. Компьютерная графика и стандарт OpenGL. — 3-е изд. — М., 2005. — 1168 с.

·                     Э. Энджел. Интерактивная компьютерная графика. Вводный курс на базе OpenGL. — 2-е изд. — М.: Вильямс, 2001. — 592 с.

·                     Г. Снук. 3D-ландшафты в реальном времени на C++ и DirectX 9. — 2-е изд. — М.: Кудиц-пресс, 2007. — 368 с. — ISBN 5-9579-0090-7.

·                     В. П. Иванов, А. С. Батраков. Трёхмерная компьютерная графика / Под ред. Г. М. Полищука. — М.: Радио и связь, 1995. — 224 с. — ISBN 5-256-01204-5.