Hoạt ảnh khung hình chính và hoạt ảnh xương

Hoạt ảnh khung hình chính (keyframe animation) xác định chuyển động tại các thời điểm được chọn và nội suy giữa chúng, còn hoạt ảnh xương (skeletal animation) điều khiển bề mặt của nhân vật thông qua một hệ thống xương phân cấp bên dưới.

Definition

Hoạt ảnh khung hình chính nội suy các tham số cảnh giữa các tư thế chính do nghệ sĩ thiết lập, và hoạt ảnh xương biến dạng lưới nhân vật theo tư thế của cấu trúc xương phân cấp.

Scope

Chủ đề này bao gồm nội suy vị trí và hướng, bao gồm nội suy quaternion của các phép quay, bộ xương khớp nối và động học thuận, tạo da (skinning) liên kết lưới với xương, và động học nghịch (inverse kinematics) giải các góc khớp để đạt được các mục tiêu vị trí.

Core questions

• Làm thế nào để tạo ra các khung hình trung gian mượt mà từ các tư thế chính?
• Làm thế nào để nội suy các phép quay mà không bị biến dạng?
• Một hệ thống xương phân cấp làm biến dạng bề mặt của nhân vật như thế nào?
• Làm thế nào để tìm các góc khớp để đạt được một vị trí mục tiêu?

Key concepts

• Nội suy khung hình chính
• Nội suy Spline và quaternion
• Hệ thống xương phân cấp
• Động học thuận
• Động học nghịch
• Tạo da và trọng số da

Key theories

Nội suy quay Quaternion

Việc biểu diễn các hướng dưới dạng quaternion đơn vị và nội suy chúng bằng nội suy tuyến tính cầu (spherical linear interpolation) mang lại phép quay mượt mà, theo đường ngắn nhất mà không gặp phải khóa gimbal (gimbal lock) và biến dạng khi nội suy các góc Euler.

Động học thuận và động học nghịch

Động học thuận tính toán tư thế của nhân vật từ các góc khớp theo hệ thống xương phân cấp, trong khi động học nghịch giải quyết bài toán ngược khó hơn là tìm các góc khớp để đặt một bộ phận cuối (end effector) vào một vị trí mong muốn.

Clinical relevance

Hoạt ảnh khung hình chính và hoạt ảnh xương là nền tảng của hoạt ảnh nhân vật trong phim và trò chơi, của hình đại diện trong thực tế ảo và thực tế tăng cường, cũng như của chuyển động khớp nối trong robot học và trực quan hóa cơ sinh học.

History

Các hệ thống khung hình chính bắt nguồn từ hoạt ảnh truyền thống; các đường cong quaternion của Shoemake năm 1985 đã giải quyết vấn đề nội suy quay mượt mà, và tạo da với động học nghịch trở thành tiêu chuẩn cho các nhân vật khớp nối trong quy trình sản xuất.

Key figures

• Ken Shoemake
• Rick Parent

Seminal works

• shoemake1985
• parent2012

Frequently asked questions

Bộ xương trong hoạt ảnh là gì?

Đó là một hệ thống xương phân cấp vô hình bên trong một nhân vật; việc di chuyển các xương làm biến dạng lưới bề mặt được gắn thông qua quá trình tạo da, vì vậy các nhà làm hoạt ảnh tạo tư thế cho bộ xương đơn giản thay vì từng đỉnh.

Tại sao lại sử dụng quaternion cho phép quay?

Quaternion nội suy các phép quay một cách mượt mà theo đường ngắn nhất và tránh khóa gimbal, một vấn đề mà các biểu diễn góc Euler mất đi một bậc tự do và tạo ra chuyển động giật cục hoặc không xác định.