Animace a geoprostor První etapa: Animace 4. přednáško-cvičení
Jaromír Landa
[email protected] Ústav informatiky PEF MENDELU v Brně
Náplň přednáško-cvičení • Počítačová animace • Nízkoúrovňová • Vysokoúrovňová • Možnosti animace ve Flamingu • Komprimace videa, metody komprese (bezztrátové, ztrátové) • Bezztrátové a ztrátové kodeky • Souborové formáty digitálního videa • Formáty digitálního videa na Internetu
Animace a geoprostor – Jaromír Landa
2
Počítačové animace • Počítačová animace = věrná kopie klasické animace (dynamická scéna je snímána (vzorkována) v diskrétních časových krocích kamerou) • libovolná časově závislá scéna • není k dispozici jednotný popis všech forem pohybu (existuje řada algoritmů, které řeší dílčí úlohy počítačové animace) • výhody: • scénu nemusíme mít fyzicky k dispozici • nemusíme stavět kulisy, ani chodit do exteriérů
• rozdělení počítačové animace z hlediska reprezentace pohybu: • nízkoúrovňová • vysokoúrovňová Animace a geoprostor – Jaromír Landa
3
Rozdělení počítačové animace • nízkoúrovňová • reprezentace pohybu, jeho rychlosti, orientace a směru objektu po spojité dráze • rychlost objektu, jeho orientace a směr • vysokoúrovňová • skládá se z nízkoúrovňových maker • detekce kolizí (např. chodidlo vs. hrbolatá podložka) • možnost vytváření knihovny pohybů (např. knihovna gest či kroků) • silný rozvoj ve filmovém průmyslu (animace tzv. syntetických herců)
Animace a geoprostor – Jaromír Landa
4
Nízkoúrovňová počítačová animace • klíčování • pojem pochází z dílen Walta Disneye, kde měl nejdůležitější úlohu hlavní animátor • malování celé sekvence je zdlouhavé a rutinní • hlavní animátor vytváří pouze nejdůležitější (klíčové) snímky • zbývající mezisnímky malovali průměrní animátoři • první snahy vedly k odstranění ručního malování mezisnímků
• = zadávání klíčových pozic a automatické generování mezipoloh (týká se to také úhlů, barev, textur, průhlednosti atd.)
Animace a geoprostor – Jaromír Landa
5
Nízkoúrovňová počítačová animace • animační křivky • animátor zadá klíčové polohy a program tyto polohy interpoluje animační křivkou • způsob interpolace (např. spojitost křivek, hladkost, změna rychlosti atd.) určuje tvář celé animace • křivky se používají pro určení dráhy objektů • určení pohybu se skládá ze tří kroků: • definice dráhy objektu • specifikace změny rychlosti • orientace objektu
Animace a geoprostor – Jaromír Landa
6
Vysokoúrovňová počítačová animace • oblast kinematiky • studuje pohyb nezávisle na silách, které ho způsobují • zabývá se: polohou, rychlostí a zrychlením • oproti tomu dynamika se zabývá studiem vzájemného působení sil a objektů
• segmentová struktura • = posloupnost pevných částí, které jsou mezi sebou spojeny a v každém spojení lze s oběma segmenty otáčet (např. lidská paže) • na jednom konci bývá pevně zakotvena • druhý konec je volný (prsty tvoří tzv. koncový efektor)
• stavový prostor – všechny možné stavy, ve kterých může daná segmentová struktura být Animace a geoprostor – Jaromír Landa
7
Tvorba animací ve Flamingu •
omezené nástroje, které umožňují: • pohybovat s kamerou • pohybovat se sluncem
•
nástroje pro pohybování s objekty nejsou k dispozici
•
Flamingo vytvoří posloupnost statických snímků
•
jako součást se generuje také náhledová HTML stránka s animací
•
druhy animací: • • • • •
•
studie osvětlení během dne studie osvětlení během ročního období otočný stůl pohyb po trase průlet
snímky lze pak sloučit do souboru s animací pomocí externích programů
Animace a geoprostor – Jaromír Landa
8
Nástroje pro kompilaci statických snímků do souboru s animací • Adobe Premiere • Animation Shop Pro • Bink • Platypus • QuickTime Pro
• TMPGenc • Video Mach • Adobe After Effects
• Ulead VideoStudio (www.ulead.com/vs/trial.htm) • Virtual Dub (www.virtualdub.org)
Animace a geoprostor – Jaromír Landa
9
Studie osvětlení během dne • sledujeme osvětlení a vržený stín slunce, které se pohybuje po obloze během dne • kam bude v určité části dne dopadat stín? • nepohybuje se kamera ani cíl, pohybuje se pouze Slunce! • nelze ji kombinovat s jinými typy animací
Animace a geoprostor – Jaromír Landa
10
Studie osvětlení během ročního období • dlouhodobější studie, která sleduje změnu slunečního osvětlení ve stejnou hodinu v rozsahu týdne, měsíce či roku • kam bude v určité části roku dopadat stín? • nepohybuje se kamera ani cíl, pohybuje se pouze Slunce! • nelze ji kombinovat s jinými typy animací
Animace a geoprostor – Jaromír Landa
11
Otočný stůl • nejjednodušší • kamera jednou obletí objekt a zachytí požadovaný počet snímků • kamera rotuje kolem pevného cíle
Animace a geoprostor – Jaromír Landa
12
Průlet • při průletu se kamera dívá ve směru trasy • cíl a kamera se pohybují po stejné trase • směr pohybu kamery bude odvozen z orientace (směru) křivky
Animace a geoprostor – Jaromír Landa
13
Pohyb po trase • pomocí trasy lze měnit vzdálenost mezi kamerou a cílem, do kterého se kamera dívá • kamera i cíl mohou sledovat samostatné trasy, nebo se mohou nacházet na pevném stanovišti • to umožní vytvářet tři typy animací: • pohyb kamery s pevným cílem • pevná kamera a pohyblivý cíl • pohyb kamery s pohyblivým cílem
Animace a geoprostor – Jaromír Landa
14
Náhled a výpočet animace • prohlížení animace v drátovém zobrazení pomocí nástrojové palety s tlačítky • • • •
náhled animace v okně s pohledem rychlost přehrávání nelze ovlivnit krokování mezi jednotlivými snímky zaznamenání náhledu animace (pomocí příkazu RenderPreview) – rychlejší, ale méně kvalitní
• výpočet snímků animace • po vyrenderování všech snímků se zobrazí náhled animace ve webovém prohlížeči
Animace a geoprostor – Jaromír Landa
15
Digitální video - obecné pojmy • video • sekvence obrázků jdoucích rychle za sebou • frekvence vyšší než 16 Hz (iluze pohybu) • video má nižší vzorkovací frekvenci než zvuk • klíčování • zadávání klíčových poloh snímků a generování mezipoloh
• streamování • stream = datový proud (signál) • vysílání na Internetu • přenos dat směrem ke klientovi tak, že data jsou přehrávána přímo ze sítě, aniž by došlo k jejich uložení na disk • zástupci formátů: Real Video, Apple Quicktime, Microsoft Streaming Media, Adobe Flash
Animace a geoprostor –Jaromír Landa
16
Televizní normy •
Jako televizní norma se označuje souhrn standardů kódování signálu pro televizní vysílání.
•
PAL – většina Evropy včetně ČR a SR • Rozlišení 720x576 • FPS: 25
•
NTSC – Severní Amerika • Rozlišení 720x480 • FPS: 29.97
•
SECAM – Francie a Rusko
•
HD – Rozlišení: 1280x720
•
Full HD – Rozlišení: 1920x1080
•
HDV – Rozlišení: 1440x1080
Animace a geoprostor - Jana Dannhoferová
17
Komprimace videa • zvláštnosti: • potřeba poměrně velkého prostoru pro uložení • nutno zajistit určitý minimální tok informace tak, aby byl výsledný dojem přirozený
• komprimace pomocí tzv. kodeků (KOmpresor + DEKompresor)
• kodek videa • = algoritmus pro kompresi a dekompresi obrazu • umístění kodeků • integrace do různých HW • standardní či doplňková část OS • jako samostatný produkt Animace a geoprostor –Jaromír Landa
18
Způsob komprese • metody komprimace obrazu a videa • bezztrátové (např. HuffYUV) • ztrátové (všechny kodeky MPEG a jejich odvozeniny jako DivX, XviD, H.264, Real Video apod.)
• proces komprese + proces dekomprese komponují se společně do jednoho modulu
• definováno jednotné programové rozhraní pro komunikaci modulu s programy (konfigurace parametrů kodeku – datový tok, kvalita, rychlost komprese atd.)
Animace a geoprostor –Jaromír Landa
19
Bezztrátové metody komprese • kompresní poměry 2:1 nebo 4:1 (vůči nekomprimovanému materiálu) • bezztrátové algoritmy založené na redukci redundance: • RLE – Run Length Enconding • Huffmanovo kódování (tzv. neadaptivní slovníková komprese) • LZW – Lempel-Ziv-Welch (tzv. adaptivní slovníková komprese)
Animace a geoprostor –Jaromír Landa
20
Ztrátové metody komprese • výhoda: • vyšší kompresní poměry (snadno oklamatelné lidské smysly)
• kompresní poměry v závislosti na kvalitě od 7:1 a více. • komprimují se informace o pohybu, které se v následujících oknech jeví jako statické
• nevýhody: • ztráta kvality • náročnost dekomprese
Animace a geoprostor –Jaromír Landa
21
Ztrátové metody komprese •
ztrátové algoritmy využívající nedokonalosti lidského oka (některé informace oko není schopno zpracovat a proto je zbytečné je dále přenášet):
•
Transformační komprese •
analýza obsahu obrazu: 1) rozklad na složky podle prostorové frekvence (např. DCT nebo wavelet) 2) redukce jednotlivých složek (např. změna bitové hloubky)
• •
DCT – Diskrétní kosinova transformace (obrázek zpracován po malých čtvercových blocích) Wavelet • •
•
algoritmus založený na vlnkových transformacích nejlepší kompresní algoritmus, který se v praxi používá
Fraktálová komprese • • •
založena na soběpodobnosti (teorie fraktálů) soběpodobná množina sestává z kopií sebe samé vyhledání a záznam vzorů a jejich transformací
Animace a geoprostor –Jaromír Landa
22
Ztrátové metody komprese • Interframe komprese • všechny doposud zmiňované metody byly tzv. intraframe (intra = uvnitř) pro dekompresi jednoho snímku stačí znát komprimovaná data pouze pro tento snímek • interframe (inter = mezi) • vlastnost videa: následující snímky jsou více či méně podobné těm předchozím • postačí zakódovat pouze změnu mezi jednotlivými snímky, ne snímky celé
• používají ji všechny moderní kodeky (např. MPEG, DivX, XviD apod.) • nevýhody: • prodloužení doby komprese • prodloužení doby dekomprese (při dekompresi jednoho snímku je nutné dekomprimovat i několik předcházejících snímků) • nejsou vhodné pro střih videa! Animace a geoprostor –Jaromír Landa
23
Interframe komprese - model MPEG-1/2 • je založen na 3 typech snímků: • I (intra coded) – samostatný snímek, který ke kompresi či dekompresi nepotřebuje žádný jiný snímek • P (forward predicted) – snímek, který potřebuje jeden předcházející snímek (I nebo P) • B (forward and backward predicted) – snímek, který je odvozen jak od předchozího (I nebo P), tak i od následujícího snímku (I nebo P) • P-snímky a B-snímky jsou interframes (využívají informace z jiných snímků) • několik P-snímků může být mezi dvěma I-snímky • B-snímky mohou být mezi dvěma I/P snímky • GOP (Group of Pictures) • shluk snímků mezi dvěma I-snímky • je pro něj definována maximální délka • přehrávání začíná vždy na I-snímku Animace a geoprostor –Jaromír Landa
24
Bezztrátové a ztrátové kodeky • Bezztrátové kodeky: • HuffYUV • RAW • LCL • Ztrátové kodeky: • DV • Indeo Video 5.10 • Microsoft Video 1 • WMV • MJPEG • MPEG-1/2/3/4, MPEG-7 a MPEG-21 • H.261, H.263, H.264 • DivX 3.11a Alpha • DivX 4, DivX 5 • Xvid • 3IVX, VP6 a další… Animace a geoprostor –Jaromír Landa
25
Bezztrátové kodeky • HuffYUV • rychlý, bezztrátový • vhodný především pro kompresi formátů YUV (prostor pro přenos televizních signálů)
• komprimační metody obdobné algoritmu ZIP
• RAW • nejde přímo o kodek, ale o samotný nekomprimovaný formát
• LCL • (Loss-Less Codec Library) • vhodný pro digitální animace • má větší kompresní schopnost než HuffYUV, ale není tak rychlý Animace a geoprostor –Jaromír Landa
26
Ztrátové kodeky • WMV • (Windows Media Video) • ideální pro malý datový tok, kratší záznamy nebo streamování (ASF) • není vhodný např. pro kódóvání celovečerního filmu • MPEG-1 • (Motion Pictures Experts Group) • 1992 – přijat jako norma ISO/IEC-11172 • norma pro záznam pohyblivého obrazu na CD • nehodí se pro střih videa z důvodu vzdálených klíčových snímků • MPEG-2 • 1994 – standardem pro kompresi digit. videa • podpora proměnlivého i konstantního datového toku Animace a geoprostor –Jaromír Landa
27
Ztrátové kodeky • MPEG-4 • formální označení: ISO/IEC 14496 (jako standard byl přijat v březnu 1999) • nejde o přesnou definici komprese a kompresních algoritmů • množina parametrů a vlastností, které musí kompresor splňovat, aby byl MPEG-4 kompatibilní • různé implementace MPEG-4, které vybírají z definice vždy to, co je pro daný formát vhodné (např. Microsoft MPEG-4 v1, v2, v3, DivX 4, DivX5, XviD a další)
Animace a geoprostor –Jaromír Landa
28
Ztrátové kodeky • H.264 • oficiálně schválený kodek, který je součástí standardu MPEG-4 • navržen pro zpracování videa s vysokým rozlišením • vybrán jako standard pro mobilní sítě třetí generace, HD-DVD a Blueray • progresivní hlavně do budoucna • DivX 3.11a Alpha • nelegální a upravená verze kodeku Microsoft MPEG-4 v3 (která v beta verzi umožňovala ukládat video do formátu AVI) • umožňuje kompresi do formátu AVI • zahýbal světem digitálního videa na počítačích
Animace a geoprostor –Jaromír Landa
29
Ztrátové kodeky • DivX 4, DivX 5 • první verze DivX 4 vyšla z projektu OpenDivX (dostupná i se zdrojovými kódy, ale kvalita nebyla jako u DivX 3.11a) • od verze DivX 5 jde již o uzavřený kodek • kompatibilní s MPEG-4 • vysoká kvalita obrazu při nízkém datovém toku • v posledních verzích je plná verze licence placená
• XviD • • • •
vychází také z OpenDivXu vysoká kvalita mnohdy převyšující DivX MPEG-4 kompatibilní nulová cena
Animace a geoprostor –Jaromír Landa
30
Souborové formáty digitálního videa • MPEG soubory • • • •
(Moving Picture Experts Group) .MPG (nejjednodušší forma) .DAT (video CD) .VOB (souborový formát MPEG na DVD)
• AVI soubory • • • •
(Audio Video Interleaved) navrženy Microsoftem používaný pro MPEG-4 (DivX, XviD, atd.) snaha Microsoftu o jeho nahrazení formáty ASF (Active Streaming Format) – v současné době s příponami .WMV (video) a .WMA (audio)
Animace a geoprostor –Jaromír Landa
31
Formáty digitálního videa na Internetu •
Apple QuickTime • kodek i přehrávač (kvalitní, ale poměrně náročný na hardware) • používají ho na webu např. HBO, CNN, BBC, Pixar, Disney • .QT nebo .MOV soubory
•
Microsoft Windows Media • platformová příslušnost k PC s OS Windows • formáty WMA, WMV a ASF nahrazuje MS formát AVI • ASF (Active Streaming Format) – v1, v2 (v1 používána nástroji Media Player a Media Encoder) • .WMV (Windows Media Video) soubory
• MKV (Matroska) • Open source kontejner • Je možné v něm uložit video, audio, obrázky a titulky. • Hodně používán pro videa v HD a FullHD
Animace a geoprostor –Jaromír Landa
32