Создание анимации

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

В настоящее время, компьютерная анимация получила очень широкое распространение, она нашла применение в огромном количестве сфер человеческой жизни, начиная от создания мультипликационных фильмов и заканчивая созданием рекламных баннеров.

Одной из сфер применения компьютерной анимации является её использование при построении интерфейсов программных систем.

Программные системы, интерфейсы которых используют анимированные компоненты, изначально являются более привлекательными для конечных пользователей по сравнению с системами, использующими сугубо статические элементы интерфейса. Это связано с тем, что анимированные объекты более правдоподобно моделируют объекты реального мира, с которыми человеку приходится иметь дело.

Зачастую системы, имеющие более «живой» интерфейс, привлекают большее количество пользователей, чем системы, не обладающие таким им, но имеющие лучшие технические характеристики.

Из всего вышесказанного можно заключить, что если использование анимации и не обязательно при построении интерфейса системы, то её наличие крайне желательно, и в некоторых случаях может значительно увеличить аудиторию конечных пользователей, а иногда и сыграть решающую роль в успешности системы.



1. Основные принципы и средства создания анимированных объектов

1.1 Понятие анимации

Слово «анимация» произошло от латинского слова «анима» - душа. Т.е. оно означает оживление, одушевление. Приведём несколько определений понятия «анимация»:

Анимация - это технические приёмы создания иллюзии движущихся изображений (движения и / или изменения формы объектов - морфинга) с помощью последовательности неподвижных изображений (кадров), сменяющих друг друга с некоторой частотой.

Анимацией называется искусственное представление движения, путем отображения последовательности рисунков или кадров с частотой, при которой обеспечивается целостное зрительное восприятие образов.

Анимация - это процесс создания множества изображений, демонстрирующих изменение состояния объектов сцены во времени, и последующее воспроизведение этих изображений со скоростью, создающей иллюзию плавного движения.

Во всех приведённых определениях, общим является то, что под анимацией понимается визуализация промежуточных состояний при переходе объекта из одного состояния в другое, с заданной частотой.

1.2 Способы создания анимированных переходов между состояниями объектов

В настоящее время существует два основных способа для создания анимированных объектов. К ним относится покадровая и расчётная (программная) анимация.

Покадровая анимация. Представляет собой поочередную смену кадров, представляющих промежуточные состояния объектов, каждый из которых создаётся отдельно. В таком случае для создания визуального эффекта необходимо отобразить заранее заготовленные кадры с определённой частотой что даст эффект анимированного изменения объекта.

Достоинства:

§ Покадровая анимация дает, в некотором смысле, больший контроль над анимацией. Она позволяет более точно воспроизводить любое изменение состояния.

§ Это единственный способ организовать смену абсолютно независимых состояний.

Недостатки:

§ Создание такой анимации очень дорогой и трудоёмкий процесс.

§ Такую анимацию сложно и долго модифицировать. Особенно, если это не дискретный набор состояний, а связанная анимация.

§ Покадровая анимация занимает достаточно большой объем, так как приходится хранить информацию о каждом кадре.

Расчётная (программная) анимация. В случае использования расчётной анимации, необходимо задать только начальное и конечное состояние объекта, а изображение в кадрах, находящихся между ключевыми, генерируются программно, значительно облегчив при этом создание анимации. Для генерации промежуточных состояний объектов могут использоваться различные математические функции и алгоритмы, которые дают всевозможные анимационные эффекты. К примеру увеличение размера объекта может производиться по экспоненциальному закону.

Достоинства:

§ Значительно менее трудоёмка по сравнению с покадровой анимацией.

§ Легко модифицируется. Для изменения анимации необходимо всего лишь изменить начальное или конечное состояние.

§ Занимает небольшой объём, т.к. необходимо хранить только начальные и конечные состояния объекта.

Недостатки:

§ Предоставляет меньший контроль над промежуточными состояниями объекта в отличие от покадровой анимации

1.3 Программная анимация

Само понятие программной анимации можно определить как анимацию с использованием математических функций и алгоритмов. Иногда эти алгоритмы довольно просты (например, изменение размеров объекта по линейному закону), иногда применяются весьма сложные сочетания различных математических функций и генераторы случайных чисел. Генератор случайных чисел, к примеру, позволяет придать анимации постоянную изменчивость и непредсказуемость в каждый конкретный момент времени.

Общий принцип при создании программной анимации состоит в изменении свойств объекта между начальным и конечным состоянием в соответствии с неким алгоритмом (функцией).

При изменении состояния объекта чаще всего изменяются координаты объекта, его размеры, угол поворота, в некоторых случаях может меняться цвет или прозрачность объекта.

Объекты, на которых строится программная анимация могут быть очень просты (окружности, отрезки, отрезки-точки и т.п.), а могут и сами содержать в себе анимированные объекта и даже объекта с несколькими уровнями вложенности.

§ В настоящее время программная анимация применяется в таких областях как:

§ Игры. Усложнение поведения объектов и персонажей в игре в зависимости от происходящих событий и введение случайных составляющих позволяет создавать более интересные и привлекательные игры;

§ Элементы оформления сайтов для привлечения внимания посетителей. Сюда можно отнести и использование программной анимации в баннерах, которым дополнительное внимание посетителя сайта никогда не повредит;

§ Элементы пользовательского интерфейса (динамические курсоры, кнопки и т.п.). С помощью программной анимации можно создавать интересные эффекты на реакцию действий пользователя. Эти эффекты отличаются от реализованных методами обычной анимации тем, что могут более избирательно реагировать на действие пользователя, например, отслеживая направления движения курсора мыши или частоту нажатий кнопки мыши;

§ Элементы анимационных фильмов. Программная анимация может применяться вместе с обычной ручной анимацией. Программная анимация хорошо подходит для создания циклических фоновых процессов. В отличие от обычных циклов анимации, созданных вручную, можно получить более сложное и неповторяющееся движение;

§ Иллюстрации различных процессов для обучающих программ. Программная анимация хорошо подходит для иллюстрации некоторых физических процессов и для построения графиков математических зависимостей, диаграмм в формах голосования;

1.4 Существующие средства для создания программной анимации

В настоящее время существует большое количество средств для создания программной анимации, среди них средства как для создания 3D так и 2D анимации.

Среди средств для моделирования трёхмерных анимированных объектов наиболее распространёнными являются:

§ Autodesk 3ds Max - полнофункциональная профессиональная программная система для создания и редактирования трёхмерной графики и анимации, разработанная компанией Autodesk. 3ds Max располагает обширными средствами для создания разнообразных по форме и сложности трёхмерных компьютерных моделей, реальных или фантастических объектов окружающего мира.

§ Autodesk Maya - редактор трёхмерной графики. В настоящее время стала стандартом 3D графики в кино и телевидении. Важная особенность Maya - её открытость для сторонних разработчиков, которые могут преобразовать её в версию, более удовлетворяющую требованиям больших студий, которые предпочитают писать код, специфичный для их нужд. Даже невзирая на присущую Maya мощь и гибкость, этой особенности достаточно для того, чтобы повлиять на выбор.

§ CINEMA 4D или сокращённо C4D фирмы MAXON является пакетом для создания трёхмерной графики и анимации. CINEMA 4D является универсальной комплексной программой для создания и редактирования трёхмерных эффектов и объектов. Поддержка анимации и высококачественного рендеринга. Отличается более простым интерфейсом, чем у аналогов, и встроенной поддержкой русского языка, что делает её популярной среди русскоязычной аудитории.

Среди средств предназначенных для моделирования двумерных анимированных объектов наиболее распространёнными являются:

§ Adobe Flash мультимедийная платформа компании Adobe для создания веб-приложений или мультимедийных презентаций. Широко используется для создания рекламных баннеров, анимации, игр.

§ Microsoft Silverlight - это программная платформа, включающая в себя плагин для браузера, который позволяет запускать приложения, содержащие анимацию, векторную графику и аудио-видео ролики.

Наиболее распространённым средством для создания двумерных анимированных объектов на настоящий момент является Adobe Flash. Adobe Flash позволяет работать с векторной, растровой и ограниченно с трёхмерной графикой. Flash анимация на сегодняшний день является одной из самых популярных технологий создания коммерческих мультимедийных вставок, флэш-блоков и спец. эффектов. Все чаще технология Flash стала применяться для создания сложных интерактивных сайтов и, в последние годы превратилась в промышленный стандарт для работы с интерактивным контентом.

В основе анимации во Flash лежит векторный морфинг, то есть плавное «перетекание» одного ключевого кадра в другой. Это позволяет делать сложные мультипликационные сцены, задавая лишь несколько ключевых кадров.

Flash использует язык программирования ActionScript, основанный на ECMAScript, который исполняется виртуальной машиной называемой Flash Player. Среда Adobe Flash ориентирована в большей мере на дизайнеров, аниматоров, хотя и имеется возможность писать полноценный код. Прямым конкурентом Flash является технология Silverlight от Microsoft. Технология Java-апплетов также является альтернативой Flash в веб-приложениях, но значительно уступает в надёжности и простоте создания графики и анимации.

Основной недостаток Flash-приложений - чрезмерная требовательность к ресурсам процессора, связанная с неэффективностью виртуальной машины Flash Player. Хотя следует отметить, что в некоторых случаях имеет место и недостаточная оптимизация Flash-приложений их разработчиками, использование так называемых «генераторов» Flash-приложений. Поэтому недостаточная мощность процессора может повлиять на производительность операционной системы в целом, либо привести к искажению результатов работы Flash-приложения, связанных с отображением анимации или подсчётом времени.

Второй важный недостаток Flash-приложений заключается в недостаточном контроле ошибок, что приводит к частым отказам приложений.

Ещё один недостаток, характерный для всех виртуальных машин, заключается в том, что не всегда есть возможность запустить Flash-приложение, либо это связано с некоторыми трудностями. Например, некоторые пользователи или администраторы отключают в настройках браузеров Flash-контент, что связано с экономией системных ресурсов. Этот недостаток делает технологию Flash менее универсальной и ограничивает её применение в приложениях критической важности.

Разрабатываемый компонент для анимирования объектов основан на такой же идее что и Flash. Это означает, что для получения эффекта анимированного изменения состояния объекта необходимо всего лишь задать начальное и конечное состояния, аналогичные ключевым кадрам во Flash. Промежуточные же состояния объекта будут вычислены с помощью определённого алгоритма.

Главным отличием разрабатываемого компонента является возможность задания разнообразных математических функций для построения чередующихся промежуточных состояний. Это позволяет получать промежуточные состояния объекта по определённому математическому закону, к примеру, изменения размера или положения объекта можно произвести по квадратичному или экспоненциальному закону. Кроме того, появляется возможность получения различных анимированных природных и физических процессов, так как многие из них могут быть описать с помощью строго определённого математического закона.



2. Проектирование компонента для анимирования переходов между состояниями объектов

2.1 Определение основных требований к разрабатываемому компоненту

анимация изображение иллюзия

Определим основные требования, которые будут предъявлены к разрабатываемому компоненту.

Разрабатываемый компонент для анимирования переходов между состояниями объектов должен позволять работать как с двумерными, так и с трёхмерными объектами. Данное требование обусловлено тем, что в интерфейсах современных систем очень часто используются элементы трёхмерной графики. Такие элементы позволяют придать интерфейсу системы схожесть с реальным миром, делают систему лучше воспринимаемой пользователем. В данном случае важно придать таким объектам и схожесть поведения с объектами реального мира, т.е. создать видимость непрерывности изменения состояния, что и достигается за счёт их анимирования.

Ещё одним требованием будет являться возможность формирования промежуточных состояний объектов не только посредством использования линейного закона, но и с помощью любого другого заданного математического закона. Это требование означает, что существует возможность задавать какой-либо математический закон, с использованием которого будет осуществляться генерация промежуточных состояний объекта. Введение данного требования существенно обогатит возможности разрабатываемого компонента и значительно улучшит визуальные характеристики интерфейса системы использующего данный компонент, так как возможность задания такого математического закона позволит моделировать различные физические процессы.

Следующее требование относится к интерфейсу разрабатываемого компонента. Он должен быть достаточно гибким для того, что бы существовала возможность анимирования практически любых изменяющихся характеристик состояния объекта. Это означает что должна быть возможность анимировать не только какой-то определённый параметр состояния объекта, а любой необходимый, или совокупность параметров одновременно. Действительно, наличие какого-либо ограничения на параметры состояния (к примеру возможность анимировать только лишь перемещение объекта) очень негативно повлияет на относительную полезность разработанного компонента. Данное требование в совокупности со вторым позволит разработчику создать по настоящему «живой» и привлекательный интерфейс.

Ещё одним немаловажным требованием к разрабатываемому компоненту является его переносимость на различные платформы. Данное требование позволит избежать переписывания и специализации кода для какой-либо конкретной платформы. Одним из вариантов выполнения данного требования может быть использования интерпретируемого языка при реализации компонента.

Выполнение данных требований позволит создать действительно мощный и универсальный компонент для анимирования поведения объекта

2.2 Определение основных математических законов используемых для генерации промежуточных состояний объектов

Изменения состояния объекта между начальным и конечным, производится в течении какого-то заданного промежутка времени, по истечении которого объект должен оказаться в конечном состоянии. Это означает, что в течении определённого промежутка времени необходимо генерировать промежуточные состояния объекта для создания эффекта его непрерывного изменения.

Генерация промежуточных состояний производится с использованием математических функций, аргументом которых является процент времени прошедшего от начала изменения состояния и до его завершения. Данная величина обычно принимает значения от 0 до 1. В результате нахождения значения функции от заданного аргумента мы получаем величину, определяющую, какую часть от величины изменения параметра состояния необходимо использовать при задании текущего состояния.

2.3 Введение обратных функций для увеличения возможностей по построению анимации

Все вышеприведённые функции для анимирования изменений параметров состояния объекта, реализуют какой-то определённый эффект в начале заданного промежутка времени. Хотелось бы иметь возможность создавать такие эффекты не только в начале промежутка времени, но и, к примеру, в конце или даже в начале и в конце одновременно. Для реализации такой возможности и служат обратные функции.



3. Реализация компонента для анимирования переходов между состояниями объектов

3.1 Выбор средств для реализации спроектированного компонента

Задача выбора средств реализации любой проектируемой системы, является основополагающей для последующего этапа её разработки. Выбранные средства определяют не только количество материальных и временных ресурсов, которые будут затрачены на разработку, но и очень часто качество разработанной системы, а иногда и её работоспособность.

На этапе выбора средств реализации системы необходимо проанализировать требования, предъявляемые к системе и определить набор инструментария, с помощью которого станет возможным достичь поставленных целей.

В соответствие с требованием о переносимости разрабатываемого компонента на различные платформы, было принято решение использовать интерпретируемы язык программирования для его реализации. В результате анализа существующих языков, удовлетворяющих принятым ограничениям, был выбран интерпретируемый язык Python.

Python - высокоуровневый язык программирования общего назначения, ориентированный на повышение производительности разработчика и читаемости кода. Выбор данного языка был обусловлен его несомненными преимуществами, а именно его простотой, читабельностью, а главное скоростью создания программных продуктов. Кроме этого, стандартная библиотека Python содержит огромное количество полезных функций, что делает разработку на данном языке ещё проще и надёжней.

Объем необходимого кода на Python в три и более раз меньше, чем для аналогичных проектов на C, C++ и Java, поэтому разработка проектов на Python происходит гораздо быстрее. Код, написанный на Python, отличается ясностью и удобочитаемостью по сравнению с кодом на других языках программирования. Ясность кода на Python позволяет существенно сократить количество ошибок и повысить таким образом качество. Python позволяет вызывать функции из библиотек, написанных на C или C++, а также вызывать функции, написанные на Python, из программ на C и C++.

Все вышеописанные преимущества выбора данной платформы для разработки спроектированного компонента, делают Python прекрасным выбором для реализации компонента для анимирования переходов между состояниями объектов, а так же удовлетворяют всем выше обозначенным требованиям.

3.2 Реализация математических функций для анимирования переходов между состояниями объектов

Приведём реализацию описанных математических функций используемых для построения промежуточных состояний объекта. В приведённой реализации использовалась модуль для математических вычислений из библиотеки Ogre, распространённой библиотеки для трёхмерной графики с открытым исходным кодом.

Для линейной функции реализация наиболее проста и выглядит как показано ниже.

def deltaLinearAnimation (self, progress):

return progress

Здесь видно, что значение параметра определяющего состояние объекта изменяется по линейной зависимости от части прошедшего времени в заданном интервале. В данной функции и далее progress - это часть заданного интервала времени, которая прошла с момента изменения состояния.

Реализация для квадратичной функции и функции от аргумента пятой степени были объединены в один метод, принимающий на вход требуемую степень аргумента. Таким образом становится возможным задавать абсолютно любые степенные функции.

def deltaPowerOfNAnimation (self, progress, power):

return Math. Pow (progress, power)

Вычисление функции определяющей дугу окружности выглядит следующим образом:

def deltaCircleAnimation (self, progress):

return 1 - Math. Sin (Math.ACos(progress))

Следующим является метод для вычисления анимации по закону синуса:

def deltaSineAnimation (self, progress):

return 1 - Math. Sin((1 - progress) * Math.PI / 2)

Реализация функции описывающей возрастающие колебательные движения:

def deltaElasticAnimation (self, progress, x):

return Math. Pow (2, 10 * (progress - 1))

* Math. Cos (20 * Math.PI * x / 3 * progress)

Заключительной является так называемая функция «back». Её реализация представлена ниже.



def deltaBackAnimation (self, progress, x):

return Math. Pow (progress, 2) * ((x + 1) * progress - x)

Из всех приведённых методов становится видно, что все они реализуются подобным образом, что означает лёгкость добавления новых математических функций, если в этом возникнет необходимость. Таким образом, набор математических законов, по которым происходит построение цепочки промежуточных состояний объекта, теоретически может быть расширен до любых необходимых размеров.

3.3 Реализация обратных функций

Реализация обратных функций не отличается особенной сложностью, всё что нужно сделать для их внедрения в компонент, это организовать определённые вычисления в зависимости от выбранного типа обратной функции, так же как происходит выбор анимирующей функции по заданному типу.

Такая реализация приведена ниже:

def animateValue (self, toValue, progress, animationType,

easeAnimationType):

delta = 1

if easeAnimationType == self.EASE_IN:

delta = self.deltaAnimation (progress, animationType)

elif easeAnimationType == self.EASE_OUT:

delta = 1 - self.deltaAnimation (1 - progress, animationType)

elif easeAnimationType == self.EASE_IN_OUT:

if progress < 0.5:

delta = self.deltaAnimation (2 * progress, animationType) / 2

else:

delta = (2 - self.deltaAnimation (2 * (1 - progress),

animationType)) / 2

return int (toValue * delta)

Приведённый метод вычисляет значение величины определяющей состояние объекта по заданному начальному и конечному значению состояния, части прошедшего промежутка времени, типу анимации и типу обратной функции. Здесь метод deltaAnimation - это метод применяющий ту или иную анимирующую функцию в зависимости от переданного типа. Его реализация выглядит следующим образом:

def deltaAnimation (self, progress, animationType):

delta = 1

if animationType == self.LINEAR:

delta = self.deltaLinearAnimation(progress)

elif animationType == self.CIRCLE:

delta = self.deltaCircleAnimation(progress)

elif animationType == self.ELASTIC:

delta = self.deltaElasticAnimation (progress, 1.5)

elif animationType == self.POWER_OF_TWO:

delta = self.deltaPowerOfNAnimation (progress, 2)

elif animationType == self.POWER_OF_FIVE:

delta = self.deltaPowerOfNAnimation (progress, 5)

elif animationType == self.SINE:

delta = self.deltaSineAnimation(progress)

elif animationType == self.BACK:

delta = self.deltaBackAnimation (progress, 2.5)

return delta

Из описанных фрагментов кода, видно, что кроме лёгкости добавления новых анимирующих функций, так же просто добавлять всякого рода модифицирующие функции, к которым относятся обратные функции. Это ещё больше расширяет возможности разрабатываемого компонента.

Размещено на Allbest.ru

...