Motion Capturing je technologií pro digitální zaznamenávání pohybů živého herce a získání sady dat pro nejrůznější použití. Existuje několik zajímavých technologií pro snímání pohybu. Většina z nich je založena na sledování značek umístěných na těle herce (ale například exoskeletonové systémy nepoužívají značky vůbec). Počítačový software k motion capture zaznamenává a vypočítává pozice, úhly, rychlosti, zrychlení a impulzy, a poskytuje tak přesnou digitální reprezentaci pohybu.
Motion capture (též známý jako Mocap) zvykl být považován za velice kontroverzní nástroj pro tvorbu animací. Úsilí nutné pro vyčištění dat z motion capture v minulosti často vyžadovalo tolik času, jako kdyby animátor připravil celou animaci od začátku sám. Díky vývoji na straně výrobců motion capture systémů, jako i díky množství softwarových firem se motion capture stal použitelným nástrojem pro generování animací.
Jeho použití v oblasti aplikací určených pro zábavu může přinést značné úspory nákladů, které by jinak byly vynaloženy na animátora, který připravuje každý snímek zvlášť nebo pomocí sofistikovanějšího software s použitím klíčových snímků, které jsou pak softwarem interpolovány.
Motion capture šetří čas a vytváří přirozenější pohyby než ruční animace, ale je zase omezen na pohyby, které jsou anatomicky možné. V biomechanice, sportu a tréninku mohou data v reálném čase poskytnout nezbytné informace pro diagnostiku problémů nebo pomoci navrhnout cestu ke zlepšení výkonů.
Jak pracuje motion capturing
Většina motion capturing systémů pracuje na základě jednoho ze tří principů – optické snímání, magnetické snímání a exoskeletonové systémy.
Optické systémy používají odrazové značky osvětlené impulzy z kamery a triangulací jejich relativních poloh vypočítávají jejich pozice v prostoru. Značky mohou být aktivní nebo pasivní. Pasivní značky jsou malé balonky (od několik milimetrů až po centimetry) pokryté odrazovou páskou z fólie poseté mikroskopickými skleněnými kuličkami; jako aktivní značky obyčejně slouží LED diody. Tyto systémy jsou vybaveny senzory, kde kamera snímá obraz scény, zredukuje jej do zářících fleků a vyhledá jejich střed. Cena vysokorychlostních 4 megapixelových senzorů se pohybuje kolem 1 000 USD, tyto senzory mohou pracovat rychlostí 640 000 000 pixelů za sekundu. To při rozlišení 640 x 480 znamená, že kamera vzorkuje 2 000 snímků za sekundu, to je však vykoupeno snímáním malého prostoru, malé aktuální rozlišení způsobuje rozmazanost nebo chvění, které při úpravách vyžadují značné filtrování. Typické 1,2 megapixelové senzory pracují až do rychlostí 600,000,000 pixelů za sekundu, co při 1,2 megapixelovém rozlišení znamená 500 snímků za sekundu. Každopádně nejpoužívanější rychlost motion capturingu je 100 – 120 fps.
Optickými systémy je možné snímat relativně veliký prostor, jsou však omezeny pouze na viditelné značky a tuto podmínku není vždy možné dodržet, hlavně u složitějších pohybů, nebo když si herec jednoduše lehne na zem.
Většina dnešních velkých MC instalací je založena na optické technologii od společností Vidin a Motion Analysis – generují přesná data bez šumů, jsou spolehlivá a méně náchylná na externí vlivy.
Magnetické systémy vypočítávají polohu a orientaci pomocí relativního magnetického toku tří na sebe kolmých cívek umístěných jak na vysílači, tak na každém přijímači. Výpočet místa a orientace umožňuje velice přesné mapování sledované relativní úrovně napětí nebo proudu třech cívek. Výstup ze senzoru má 6 stupňů volnosti, takže použitelné výsledky je možné dosáhnout s dvoutřetinovým množstvím značek (přijímačů) oproti optickému snímání. Tento systém je na rozdíl od optického schopen zachytit rotaci značky, ale je omezen na menší prostor a vyžaduje speciální nekovové prostředí. Pro magnetické snímání se používá jak stejnosměrný tak střídavý proud, rozdíl je v tom, že u jednoho systému se používá obdélníkový signál, u druhého sinusový signál.
Magnetické MC systémy nejsou až tak populární pro svoje aktivní senzory umístěné na těle herce, co znamená kabely navíc. Aktivní kapacita těchto systémů nemůže být tak velká jako u optických systémů. Data magnetických MC systémů provádí více šumů, které je potřeba odfiltrovat.
Exoskeletonové systémy přímo sledují úhly mezi klouby na těle. Senzory jsou připevněné na tělo herce. Když se pohne, připojené mechanické části změří jeho relativní pohyb. Typicky se jedná o pevné kostry složené ze spojených kovových nebo plastických táhel propojených s potenciometry, které se napojují na klouby těla. Nedostatkem těchto systémů je, že omezují herce a nejsou vhodné pro všechny druhy pohybů.
| Přehled výrobců motion capture: | ||
| Optické systémy | Magnetické systémy | Mechanické systémy |
| Vicon Motion Systems | Ascension Technology Corporation | MetaMotion |
| Motion Analysis Corporation | Euclid Research | Digital Image Design Inc. |
| PhaseSpace Optical Motion Capture | General Reality Company | Virtual Technologies, Inc. |
| Charnwood Dynamics | Polhemus Inc. | Measurand Inc. |
| Mikromak GmbH | ||
| Northern Digital Inc. | ||
| Phoenix Technologies Incorporated | ||
| Qualisys Inc. | ||
| STT Simulation Techniques | ||
Speciální případy
Ke snímání celkového pohybu lidského obličeje, hlavně k zachycení řeči a emocí se používá facial MC. Jedná se obyčejně o optický systém s několika kamerami rozmístěnými do polokoule na malém prostoru a malými značkami přilepenými na obličej herce. Používají se neviditelné infračervené impulzy, takže herec není rušen blízkými zdroji silného světla.
Pro snímání prstů na rukou je vhodný mechanický MC, protože značky by byly zakryty jednotlivými prsty a kamery by je neviděly. Tento mechanický mocap se realizuje pomocí speciálních datových rukavic. Cena datových rukavic se pohybuje od zhruba jednoho tisíce až po 25 tisíc dolarů za jeden pár. Hlavní rozdíly zahrnují počet snímaných kloubů. 5-senzorové rukavice měří zakroucení celého prstu, ale už nejsou schopny zjistit zahnutí každého kloubu. 5-senzorové rukavice tak změří pouze zahnutí celých prstů v rozsahu od otevřené dlaně po sevřenou pěst. Rukavice se 16 senzory jsou schopny zachytit každý kloub prstu a přidat tzv. addukci (zaznamenat jak blízko nebo daleko jsou jednotlivé prsty). 22 senzorů na rukavici měří pohyby celé ruky včetně komplexnějších pohybů dlaně.
Motion capture živě
Měli jsme jedinečnou příležitost navštívit motion capture studio. Vicon Motion Capture systém, který jsme navšívili provozuje České studio vývoje her Bohemia Interactive. Toto studio se zaměřuje na vývoj počítačového zábavního softwaru a na výzkum pokročilé 3D grafiky v reálném čase, umělé inteligence a technologií fyzických simulací pro real-timová interaktivní prostředí. Sídlo se nachází na venkově poblíž Prahy, je to účelný dům pod lesem, který skrývá kanceláře a halu 15x15x5 metrů.
Jak nám vysvětlil operátor motion capture Štěpán Kment, v hale je instalovaných 15 kamer (infračervených a klasických), jež pokrývají plochu cca 7×7 metrů. Bohemia Interactive používá 1 megapixelové vysokorychlostní kamery (rozlišení 1000×1000 pixelů, dnes jsou k dispozici až 4 megapixelové kamery). Kamery s vysokou rychlostí snímání jsou jedním z klíčových faktorů pro motion capturing. Čím vyšší rychlostí snímáte značky, tím lepší výstup dostáváte. Při použití rychlejší kamery se rozdíly poloh značek mezi jednotlivými záběry zmenšují, co znamená méně výpočtů a hladší výstupní trajektorie. Na druhou stranu, kamery mají svá technická omezení a velké zvýšení rychlosti snímání znamená snížení rozlišení výstupných záběrů. „Pro naše účely používáme rychlost snímání 120fps. Zjistili jsme, že tato rychlost je pro kvalitní snímání pohybu dostatečná při relativně velkém rozlišení výstupního obrazu,“ dodává Štěpán Kment.
Vnitro haly pro mocap
Bohemia Interactive používá černobílý systém, takže snímaný obraz je seskládán na základě překročení prahu jasu – pokud jas bodu na obrázku překročí daný práh, je představován pixelem bílé barvy, jinak zůstává černý. Dnes je možné pořídit i snímací systémy se stupni šedi, jejichž výhodou snížené chvění obyčejně způsobené nízkým jasem okrajových bodů na značce, které jsou u ČB systému někdy vyhodnoceny nad a jindy pod prahem.
Nasnímaný obraz je z kamer převeden do kanálových koncentrátorů a poté do proprietárních karet Vidin, které obsahují kanálový A/D převodník, kde je analogový obraz přeměněn do digitální podoby, zpracován a uložen.
I přes to, že motion capture je celkem komplexní a pořádně drahé řešení, ve střední Evropě jich najdeme hned několik, i když některé jsou mnohem menší než námi popisovaný. Další mocap v České Republice najdete v Brně, provozuje jej další herní společnost Illusion Softworks. Další mocapy jsou v Budapešti, Mnichově nebo ve Frankfurtu.
Zpracování dat
Co se stane poté, co je pohyb nasnímán? Začíná zpracování dat. Nejdřív software vyhledá a vypočítá středy značek. Průsečíky spojnic mezi kamerami a středy značek představují sledovaný bod ve 3D. Tyto první dva kroky jsou důležité pro získání statické polohy bodu v každém záběru. Ze sekvence záběru pak mohou být seskládány trajektorie sledovaných bodů.
Po dokončení této automatické části práce začíná druhá fáze, když musí operátor mocapu namapovat nasnímanou animaci na model. Začne s dafinováním značek na skeletonu modelu, který představuje snímané tělo. Poté provede tzv. labeling – nasnímané trajektorie jsou přiřazeny jednotlivým značkám definovaným na skeletonu modelu.
Ačkoliv by se mohlo zdát, že je animace hotova, většinou ještě není. Při reálné práci obyčejně některá nasnímaná data chybí, takže získanou animaci je nutné vyčistit a chybějící místa animace doplnit. Data jsou čištěna za pomoci algoritmů využívajících kinematických omezení a předvídání výplně chybějících mít. Mezery jsou doplňovány výpočty chybějících částí trajektorií, kdy byly sledované značky zakryty a kamery nemohly zachytit jejich polohy (například značky na zádech herce ležícího na zemi). Toho lze dosáhnout použitím definování pevného tělesa (například hrudníku ležícího herce) nebo pomocí trajektorií podobných trajektoriím okolních značek. Po vyplnění mezer jsou ještě aplikovány filtry pro potlačení chvění.
Každá společnost v oboru MC byznysu vyvíjí svůj vlastní software pro zpracování dat – někdy se může stát, že kvalita výpočetních algoritmů je mnohem důležitější než technická stránka samotného snímání a toto je důležitý faktor, kde se od sebe liší velcí výrobci od jejich menších konkurentů – pokročilé SW balíky jsou stabilní, orientované na výrobní postupy, rychlé nebo dokonce real-timové a poskytují spolehlivá data vysoké kvality, na které je spolehnutí.
| Tutoriály Motion Builder |
|---|
| Přečtěte si další související články |