Технологія motion capture

Технологія Motion Capture або, якщо по-російськи, «захоплення рухів» дозволяє оцифрувати руху актора і використовувати їх для управління тривимірної моделлю персонажа. Захоплення руху активно використовується і в комп'ютерних іграх, і в анімації, і в кінематографі.

Сама технологія Motion Capture з'явилася на світло разом з Mortal Kombat. Що саме Acclaim першої прийшла в голову ідея обліпити акторів проводами і змусити танцювати перед камерами, а відзнятий матеріал перевести потім в цифровий вигляд і вставити в гру. Ви теж так думали, чи не так? Причому, якщо ви досить давно граєте в комп'ютерні ігри, то швидше за все згадайте чудовий файтинг фірми Acclaim - Mortal Kombat.

В Mortal Kombat'е Motion Capture вперше прийшов в ігри - а у самій технології є довга і цікава історія, комп'ютери в якій, до речі, присутні далеко не з перших днів.

В середині 70-х студія Уолта Діснея, для реалістичною анімації людських персонажів стала використовувати техніку, звану ротоскопія. Аніматори брали фрагменти кіноплівки і на спеціальному верстаті перемальовували з реальних акторів фігурки героїв майбутнього мультфільму. Уявляєте, скільки на це йшло сил і часу? Тоді ще не було достатньо потужних комп'ютерів і художникам доводилося кожен кадр малювати в ручну (що примітно, в радянському мультиплікат для позначення цього процесу використовувався термін «еклер» - так називався трофейний німецький верстат ротоскопіі, який дістався у спадок від німців, монтували на ньому пропагандистську кінохроніку ). Так на світ з'явився найперший «ручний» Motion Capture.

На початку 80-х медики в американських університетах стали застосовувати комп'ютери для дослідження людського тіла. Том Калверт, професор кінезіології і комп'ютерних наук запропонував використовувати потенціометри, прикріплюючи їх до різних суглобам на людському тілі. Комп'ютер вимірював дані приладів і показував на екрані рухається скелет людини. Калверт використовував свій винахід для наочної вивчення кінематики людського організму, дефектів мускулатурной системи, а також для. демонстрації па-де-де в хореографічних класах.

Трохи пізніше, в 1982-83 році, комп'ютерні установки, які відстежують рухи людини, стали використовувати в комп'ютерній графіці. Перші комплекси Motion Capture були оптичними. Принцип їх роботи був наступним: на тілі актора на заклепках та суглобів кріпилися маленькі лампочки або ж звичайні світловідбиваючі елементи (на зразок велосипедних катафот), після чого руху фігури знімалися на камеру. Для отримання об'ємного зображення актора знімали двома камерами, під різними кутами. Поєднуючи координати однієї і тієї ж лампочки, отримані з двох камер, можна було досить точно обчислити місце розташування точки в просторі. Такі оптичні системи були досить повільними і неточними. До того ж, відзнятий матеріал вимагав додаткової обробки і фільтрації.

З плином часу технології Motion Capture вдосконалювалися, ставали зручніше і точніше. Натомість світлодіодів стали використовувати магнітне поле (актора обклеювали маленькими металевими детекторами), і навіть винайшли спеціальні костюми «exoskeleton», що дозволяли відстежити навіть найменші рухи м'язів.

У 90-х роках Motion Capture стали використовувати не тільки в комп'ютерній індустрії. На американському телебаченні протягом трьох з половиною років виходила дитяча передача Canaille Peluche. Головний герой - добре приведення Мат - спілкувався з різними акторами і запрошеними гостями (щоб зрозуміти, як це виглядало, згадайте фільм «Хто підставив кролика Роджера»). Мата створювала ціла команда «ляльковод», які керували рухами комп'ютерного персонажа використовуючи системи Motion Capture. На виробництво семихвилинному передачі йшло близько шести-восьми годин роботи.

Зараз Motion Capture використовують в іграх все кому не лінь. Тривимірні файтинг а-ля Tekken, сексуальні руху попки а-ля Лара Крофт, реалістична міміка обличчя а-ля Half-Life - все це, і багато іншого, - Motion Capture.

Як Марк Руффало стає Халком

Як і всі, що нам здається останнім словом технології, motion capture, скорочено - mocap, або мо-кап, з'явився відносно давно. Перші серйозні експерименти з них відносяться до початку 1980-х років - часу, коли виникло саме поняття комп'ютерних спецефектів, а стереокінематограф переживав черговий ренесанс. Правда, в кіно застосовувати мо-кап було неможливо - потужності того часу не дозволяли створити достовірні цифрові моделі, яким можна було б надати записані рухи акторів. Так що мо-кап залишався долею окремих сміливих експериментаторів з невеликих венчурних компаній і американських університетів, про які можна прочитати в матеріалах конференції SIGGRAPH, найважливішою світової виставки комп'ютерної графіки.

Існують два види motion capture:

На сьогоднішній день існують велика кількість маркерних систем захоплення рухів. Різниця між ними полягає в принципі передачі рухів.

Оптичні пасивні. На костюмі, що входить в комплект такої системи, прикріплені датчики-маркери, які названі пасивними, бо відображають лише посланий на них світло, але не світяться. У таких системах світло (інфра-червоний) на маркери надсилається з встановлених на камерах високочастотних стробоскопів і, відбившись від маркерів, потрапляє назад в об'єктив камери, повідомляючи тим самим позицію маркера. Мінус оптичних пасивних систем полягає в тривалості розміщення маркерів на актора. Так само іноді при швидкому русі або близькому розташуванні маркерів один до одного система може їх плутати (оскільки ця технологія не передбачає ідентифікації кожного маркера окремо).
Оптичні активні названі так тому, що замість світловідбивних маркерів, які кріпляться до костюму актора, в них використовуються світлодіоди з інтегрованими процесорами і радіо-синхронізацією. Кожному світлодіоду призначається ID (ідентифікатор), що дозволяє системі не плутати маркери один з одним, а також дізнаватися їх, після того як вони були перекриті і знову з'явилися в поле зору камер. У всьому іншому принцип роботи таких систем схожий з пасивними системами. Мінуси активних систем:
- Відсутність можливості захоплення рухів і міміки обличчя
- Додатковий контролер, що кріпиться до актора і підключений до маркерів-светодиодам, сковує його руху
- Крихкість і відносно висока вартість маркерів-світлодіодів
Магнітні системи. в яких маркерами є магніти, а камерами - ресивери, система вираховує їх позиції по спотворень магнітного потоку. Мінуси магнітних систем:
- Магнітні системи схильні до магнітним і електричним перешкод від металевих предметів і оточення (електропроводки приміщення, оргтехніки, арматури в плитах будови)
- Мінлива чутливість сенсорів в залежності від їх положення в робочій зоні
- Менша в порівнянні з оптичними системами робоча зона
- Відсутність можливості захоплення рухів і міміки обличчя
- Додатковий контролер, прикріплений до актора і підключений до магнітних маркерами, або навіть зв'язка проводів, що тягнеться від актора до комп'ютера.
- Висока вартість магнітних маркерів
Механічні системи безпосередньо стежать за згинами суглобів, для цього на актора надаватися спеціальний механічний mocap-скелет, який повторює слідом за ним всі рухи. У комп'ютер при цьому передаються дані про кути згинів всіх суглобів. Мінуси механічних систем:
- Mocap-скелет, з додатковим контролером, прикріпленим до актора і підключеним до сенсорам згинів, а в деяких випадках і дроти, що тягнуться від скелета, сильно обмежують руху актора.
- Відсутність можливості захоплення:
  - Рухів і міміки обличчя
  - Рухів тісної взаємодії двох і більше акторів (боротьба, танці з підтримками і т. Д.)
  - Рухів на підлозі - перекиди, падіння і т. Д.
- Ризик поломки механіки при необережному використанні.
Гіроскопічні / інерціальні системи для збору інформації про рух використовують мініатюрні гіроскопи і інерційні сенсори, розташовані на тілі актора - також як і маркери або магніти в інших mocap-системах. Дані з гіроскопів і сенсорів передаються в комп'ютер, де відбувається їх обробка і запис. Система визначає не тільки положення сенсора, але також кут його нахилу. Мінуси гироскопических / інерційних систем.
- Відсутність можливості захоплення рухів і міміки обличчя
- Додатковий контролер, прикріплений до актора і підключений до магнітних маркерами, або навіть зв'язка проводів, що тягнеться від актора до комп'ютера.
- Висока вартість гіроскопів і інерційних сенсорів
- Для визначення положення актора в просторі потрібна додаткова міні-система (оптична або магнітна)

Важливою віхою motion capture було відтворення персонажа з «Володаря кілець» - Голлума.

Команда Пітера Джексона зробила практично неможливе - відтворили лякаюче достовірну модель, яка імітувала настільки вірні руху, наскільки вони характерні для цього персонажа. Звичайно велика заслуга актора motion capture -енд Сёркіса, який і зіграв Голлума.

Також існує два типи захоплення об'єктів:

- Другий вид захоплює не визначеного актора, а будь-якої об'єкт взаємодії. Наприклад: 3D персонаж повинен зруйнувати стіну, знімають деформацію стіни а потім додають персонажа. Наочно цей спосіб демонструється у фільмі «Я, Робот».

Але при всіх видимих перевагах motion capture (реалістична анімація, поєднання 3D моделей з акторами в реальному часі), є звичайно і недоліки. Це дорога вартість систем, обмеження законами фізики, мала площа павільйону і різноманітність рухів.

Як говорить Ландау, фахівці вміють створювати воду, використовуючи комп'ютерну графіку, але неможливо створити повну ілюзію перебування під водою, якщо у актора немає прямого відчуття контакту з рідким середовищем. Саме тому, Кемерон збирається знімати акторів знаходяться в басейні, наповненому справжньою водою.

Пропоную вам подивитися на те, проходять зйомки чергової серії «Зоряних воєн 7" на прикладі декількох анімованих гифок в продовженні статті. Якщо ви думаєте, що для всіх локацій з кінофільму спеціально виробляються дорогі декорації і знімальна група змушена весь час переміщатися по гігантської знімальному майданчику, ви сильно помиляєтеся.