POSTAVLJANJE KINEMATIČKIH KONTROLA NA 3D KOSTUR HUMANOIDNOG LIKA U 3ds MAX-u

S. Bjelovučić Kopilović, I. Strelar, i K. Štih

1. Sažetak

Postupak izrade likova za animacije ili računalne igre vrlo je složen a sastoji se od modeliranja, teksturiranja, te dodavanja kinematičkih kontrola. Ovaj rad demonstrira postavljanje kinematičkih kontrola na kosture likova, koje se sastoji od:  kreiranja virtualnog kostura humanoidnog lika i hijerarhijskog povezivanja kostiju u jednu cjelinu,  korištenja direktne i inverzne kinematike za kontroliranje pomičnih dijelova lika, kao što su noge, ruke ili prsti,  izrade kontrola za lice, te postavljanja dodatnih pomagala kako bi animator mogao lakše upravljati likom koji animira. Tri su najčešća načina rada koja se koriste u 3ds Max-u za postavljanje kontrola na 3D humanoidne likove: Izrada novog virtualnog kostura i ručno postavljanje i podešavanje svih kinematičkih kontrola korištenjem osnovnih alata u 3ds Max aplikaciji,  Korištenje CAT sustava i  Korištenje Character Studia. Testiranjem sva tri načina rada došlo se do zaključka koji od njih je najprihvatljiviji u određenoj situaciji, te koje su njihove prednosti i mane. Također je dan osvrt na zbrku u nazivlju i objašnjenju pojmova u 3D multimedijskom dizajnu, kao posljedica nedovoljne interdisciplinarnosti u tom području.

2. Uvod

3Ds Max jedan je od popularnijih programskih paketa koji služi za izradu 3D grafike. Postupak izrade likova za animacije ili računalne igre vrlo je složen. Na većim projektima obično se radi timski, i svaki član tima zadužen je za jedan dio postupka izrade konačnog proizvoda. Proces izrade animiranog lika sastoji se od: konceptualnog dizajna, modeliranja, teksturiranja, dodavanja kinematičkih kontrola te na kraju animiranja. Ovaj rad bavi se postupkom postavljanja kinematičkih kontrola na gotove 3D modele likova (engl. rigging).

3. Teorijski dio

Prvi dio procesa je izrada konceptualnog dizajna. Izrađuju se skice zamišljenog lika u Photoshopu ili nekom sličnom alatu. Te skice kasnije služe kao referentni primjeri lika članovima tima koji rade 3D model ili teksturiranje. Drugi dio procesa je izrada 3D modela lika, za koji se obično koriste aplikacije za 3D modeliranje kao što su 3ds Max, Maya ili Blender. 3D model mora biti što vjerniji referentnim slikama. Zatim slijedi teksturiranje modela. Član tima koji radi teksturiranje, u 3D aplikaciji, kreira materijale  koji se pridjeljuju površini modela. Materijali definiraju boju, refleksivnost, sjajnost, transparentnost,  hrapavost i sl. Sljedeći proces je postavljanje kinematičkih kontrola na kostur 3D modela lika (opremanje, učvršćenje, engl. rigging), da bi ga u sljedećem procesu animator mogao pomicati. Kako bi animator mogao animirati takav lik, potrebno mu je omogućiti brzo i jednostavno mijenjanje poza i izraza lica. Modifikacije bi se mogle napraviti i uz pomoć klasičnih alata za modeliranje ali takav način animiranja zahtijevao bi jako puno vremena. Animatoru mora biti omogućeno brzo pomicanje dijelova tijela lika, i te transformacije moraju izgledati prirodno. Upravo zato, za animiranje likova koriste se virtualni kosturi koji se polažu unutar 3D modela lika koji treba animirati, pomoću odgovarajućih modifikatora. Nakon podešenja postavki samog modifikatora model je spreman za animiranje. Pomicanjem kostiju pomiče se i sam model lika, a deformacije na površini modela izgledaju prirodno. Postupak pripreme modela za animaciju danas je neophodan u svim 3D animiranim filmovima, simulacijama, kao i u izradi video igara. Postavljanje kinematičkih kontrola sastoji se od: kreiranja virtualnog kostura humanoidnog lika i hijerarhijskog povezivanja kostiju u jednu cjelinu; korištenja IK (engl. inverse kinematics) rješavača za kontrolu pomičnih dijelova tog lika, kao što su noge, ruke ili prsti; izrade kontrola za izraze lica; postavljanja dodatnih pomagala kako bi animator mogao što lakše upravljati likom koji animira. Tri su najčešća načina rada koja se koriste u 3ds Max-u za postavljanje kontrola na 3D humanoidne likove.

• Izrada novog virtualnog kostura uz pomoć Bones sustava i ručno postavljanje i podešavanje svih kinematičkih kontrola
• Korištenje CAT sustava
• Korištenje Character Studia

Slika 1: Postupak izrade animiranog lika
(model preuzet s digitaltutors.com, Delano Athias, 2010)

Općenito, polje animacija i simulacija temeljenih na mehanici može se grubo podijeliti u 2 velike grupe:
Kinematika je proučavanje gibanja bez uzimanja u obzir mase ili sila.
Dinamika je proučavanje gibanja s uzimanjem u obzir mase i sila.
Priča tu ne završava, jer se kinematika i dinamika mogu podijeliti u dvije podgrupe:
Inverzna (engl. inverse kinematics, IK) je kinematika/dinamika je proučavanje gibanja uz poznavanje početnih i krajnjih točaka.
Prema naprijed, Direktna (engl. forward, direct kinematics, FK) kinematika/dinamika je proučavanje gibanja uz poznavanje samo početne točke.
U prvoj podgrupi, obično se zna kuda ići, ali treba se odgonetnuti kako to učiniti. Kao primjer, može se znati krajnji položaj alatnog nosača robotskog manipulatora, bez znanja koje sile i momente treba primijeniti na pokretače u cilju dobivanja krajnjeg cilja. Drugim riječima, inverzna kinematika i dinamika proračunavaju gibanje "unatrag". Direktna kinematika i dinamika rade upravo suprotno. Koristeći isti primjer, poznat je početni položaj alatnog nosača kao i sile i momenti koji djeluju na pokretače. Cilj je predvidjeti krajnji položaj. Razlika između inverzne i direktne kinematike/dinamike prikazana je na slici 2.

Slika 2. Primjer koji prikazuje razliku između direktne i inverzne kinematike i dinamike. U slučaju inverznog gibanja, dani su početni (plavo) i krajnji (narančasto) položaji robotskog alata za hvatanje, dok je u slučaju direktnog gibanja dan samo početni (plavo) položaj.

Kinematika je dakle proučavanje gibanja bez uzimanja u obzir mase ili sila. Newtonovi zakoni su prema tome zanemarivi. Osnovna primjena kinematičkih metoda u prethodno konfiguriranim animacijama, u kojima mehanička simulacija nije potrebna, ili je prekomplicirano uvoditi je, ili je u oprečnosti s osnovnim principima animacije. Mnogi računalno animirani filmovi uvelike se oslanjaju na kinematiku za gibanje; većina teorije tako se može vidjeti kao prirodno proširenje stop-motion tehnika koje je razvio Disney u ranom 20.-om stoljeću. Kinematika je podijeljena na kinematiku prema naprijed (forward) i inverznu (inverse) kinematiku, ovisno o tome da li je krajnja konfiguracija dana ili nije. Kinematika prema naprijed karakterizirana je gibanjem koje je propisao korisnik ili neka funkcija. Zato se često naziva i direktna kinematika. Direktna kinematika zahtijeva puno ručnog rada; svejedno, vrlo je raširena u filmskoj produkciji. Tu animatori određuju svaki parametar kao funkciju vremena. Često animatori sami najprije odglume gibanje likova koje namjeravaju animirati. Da bi se smanjilo produkcijsko vrijeme, često se koristi tehnika digitalizacije pokreta (engl. motion capture). Parametri za direktnu kinematiku mogu se također generirati korištenjem programa gibanja. U programima gibanja, parametri zglobova dani su kao neka kontinuirana funkcija vremena, kao što je cos(t), koja generira oscilirajuće gibanje. Funkcije gibanja moraju se pažljivo dizajnirati za određeno gibanje kao što je hodanje bipeda ili plivanje riba. Inverzna kinematika bavi se interpolacijom lika od određene početne do određene krajnje točke. To se često koristi u animacijskim alatima kao što su Maya, 3dsMAX, Blender. Čak i za jednostavne objekte kao što je ljudska ruka, gotovo uvijek će biti nekoliko rješenja, je je lakat pokretan čak i kada su šaka i rame učvršćeni. Prema tome, središnji problem inverzne kinematike je izabrati jedno od nekoliko mogućih gibanja. Često se traži rješenje koje generira gibanje koje izgleda prirodno. To se postiže ili proširenjem inverzne kinematike dodatnim ograničenjima, ili kombiniranjem s dinamikom; npr., korištenjem principa minimalne energije. Konačno, direktna i inverzna kinematika često se kombiniraju u stvarnim aplikacijama. Npr., direktna kinematika se može koristiti za davanje prirodnog izgleda gibanja za jedne objekte, a inverzna kinematika za neke druge. Drugi primjer je korištenje rotoskopije za generiranje statistike na stvarnim gibanjima i korištenje tih informacija za izbor rješenja problema inverzne kinematike. Puno fizikalnih jezgri (physics engines) proširuje podršku mješavini direktne i inverzne kinematike s mehanički simuliranim objektima. Tipični primjer u filmskoj produkciji je upotreba inverzne kinematike ili mehanički simulirane animacije za određivanje grubog skupa parametara za dano gibanje. Zatim se animacija proračunava detaljno, gdje se parametri za sve objekte u svakoj sličici snimaju. To se naziva "pečenje" (engl. baking). Nakon što su ispečeni svi animirani objekti, animator može fino podesiti gibanja korištenjem direktne kinematike da bi proizveo zabavne animacije. U zaključku ovog razmatranja, u stvarnim aplikacijama, spomenute tehnike se koriste naizmjence u kombinaciji, kao pre- i postprocesirajući koraci.

4. Eksperimentalni dio

Slika 3. Testni model (model preuzet s lynda.com, George Maestri, 2012)

U profesionalnoj animaciji, za svaki projekt postoji određeni vremenski rok.  Kako bi se moglo lakše zaključiti koji je od postupaka rigging-a  u 3ds Max-u najbolji, testirana su sva tri (Izrada novog virtualnog kostura uz pomoć Bones sustava i ručno postavljanje i podešavanje svih kinematičkih kontrola, Korištenje CAT sustava i Korištenje Character Studia) na istom 3D modelu. Radi se o jednostavnom 3D liku preuzetog s www.lynda.com (Autor: Geroge Maestri), slika 3. Cilj testiranja je bio izmjeriti koliko je vremena potrebno za postavljanje osnovnih kinematičkih kontrola.  U ispitivanje nije bila uključena izrada kontrola za lice. Kriteriji za funkcionalan kostur bili su:

• kostur je morao sadržavati po 3 članka na svakom prstu ruke i jednu kost za nožne prste, 3 leđna i 2 vratna kralješka;
• funkcionirajući IK rješavač na svim udovima i kralježnici;
• oblik kostiju morao je ocrtavati siluetu 3D modela;
• boja kostiju morala je biti dobro organizirana;
• skinning modifikator je morao biti pravilno podešen, bez grešaka na deformacijama kože prilikom pomicanja kostiju.

Slika 4. Usporedba kostura sva tri sustava

5. Rezultati

Tablica 1. Usporedba vremenske zahtjevnosti sustava za dodavanje kinematičkih kontrola

Iako je korištenje CAT sustava vremenski najmanje zahtjevno (tablica 1.), to ne znaći da je CAT najbolji izbor između tri sustava. Kako bi se dodatno ispitala njihova kvaliteta, korištena su sva 3 sustava na još nekoliko humanoidnih 3D modela. Tijekom rada bilježene su prednosti i mane svih sustava (tablica 2.).

Tablica 2.  Usporedba svojstava sustava za postavljanje kinematičkih kontrola

6. Diskusija

Korištenje Bones sustava za postavljanje kinematičkih kontrola nije nimalo lako naučiti. Iako je vremenski najzahtjevniji, ovaj sustav pruža beskonačne mogućnosti. Kostur je potrebno crtati kost po kost, te svakoj kosti dodati potrebna svojstva. Prilagodljiv je svim oblicima 3D modela, od humanoidnih likova do mehaničkih strojeva. Prikladan je za korištenje u velikim projektima kao što su  komercijalni dugometražni 3D animirani filmovi. Nema nikakvih ograničenja u smislu dodavanja  elemenata za kontrolu kostura. Moglo bi se reći da je postupak postavljanja kinematičkih kontrola uz pomoć Bones sustava najbolje rješenje, ali zbog prevelike vremenske zahtjevnosti i količine znanja autorima ovoga rada neće uvijek biti prvi izbor. Character Studio je alat koji je primarno namijenjen za postavljanje kontrola na humanoidne likove. Teško je prilagodljiv za korištenje na životinjskim likovima. Za razliku od CAT sustava, ovaj automatizirani sustav pojavio se jako rano. Dobro je prihvaćen u svijetu 3D dizajna, i danas je kompatibilan s većinom platformi. Jednostavan je za korištenje i omogućuje brzo postavljanje osnovnih kontrola. Veoma je koristan kod postavljanja kinematičkih kontrola na likove u projektima kao što su video igre, ili jednostavniji animirani filmovi. Ovaj sustav mogao bi biti prvi izbor kod izrade velikog broja humanoidnih likova, kao i animiranja gomile likova na istoj sceni. Omogućuje i laku izradu animacije hoda. Iako već zastarjeli, Character Studio je alat koji se uvukao u tokove rada većine 3D dizajnera, i neće ga biti lako iskorijeniti. CAT (Character Animation Toolkit) je relativno noviji sustav velikog potencijala. Iako još nije kompatibilan sa svim platformama potrebnim 3D dizajnerima, i iako još uvijek postoje greške prilikom korištenja, maksimalno olakšava postavljanje kinematičkih kontrola na 3D likove. Pruža veliki izbor gotovih kostura za humanoidne likove, kao i za životinjske. Kosturi su vrlo fleksibilni i lako ih je prilagoditi bilo kakvom modelu. Kreiranje potpuno novog kostura također je u potpunosti pojednostavljeno. Dodavanje kostiju ili cijelih udova uvelike olakšava proces kreiranja kostura.  CAT sustav pruža i alate za simulaciju mišićnog tkiva koji se mogu koristiti i na ostalim sustavima. Iako je već korišten i u većim projektima, zbog njegove nestabilnosti to nije preporučljivo. Za manje projekte koje je potrebno što prije završiti ovaj sustav bio bi savršen izbor.

7. Zaključak

Izbor sustava za postavljanje kinematičkih kontrola dosta ovisi o željama animatora koji će ga kasnije animirati. Sva 3 testirana sustava imaju svoje prednosti i mane u postupku animiranja, te će ponekad njihova određena svojstva biti od velike važnosti animatorima. Teško se odlučiti za najbolji rigging postupak jer sva tri sustava imaju svoje prednosti i mane. Testiranje i korištenje pokazalo je da to nisu zatvoreni sustavi, i da se prilikom postavljanja kontrola nije potrebno odlučiti za samo jedan od njih. Oni su međusobno kompatibilni i moguće je na jednom 3D modelu kombinirati nekoliko različitih sustava. Npr. moguće je koristiti Biped kao osnovni kostur, klasične kosti za izradu kontrola za lice i CAT alate za simulaciju mišićnog tkiva. Najbolji način utvrđivanja koji sustav je najprikladniji za određeni projekt je naučiti raditi sa sva tri sustava, a zatim donijeti odluku na temelju stečenih iskustava.
Tijekom izrade ovoga rada, autorima se stalno nametao problem oko zbrke u nazivlju, kako u rijetkoj literaturi iz tog područja na hrvatskom jeziku, tako čak i u dostupnoj literaturi na engleskom jeziku, koja nerijetko dovodi i do krive interpretacije nekih pojmova. Preširoko je to područje razmatranja, pa bi svakako trebalo biti tema nekog drugog rada, koji bi se bavio samo tim problemom, kako u ovom uskom području, tako i u cijelom području 3D multimedijskog dizajna. Tu bi trebali sudjelovati znanstvenici iz raznih područja: jezikoslovlja i prevoditeljstva, mehanike, računarstva, dizajna, likovnosti, kao i razni stručnjaci koji predaju u raznim školama i učilištima, udrugama, pišu upute, članke u popularno-znanstvenim časopisima, samouki animatori...To sve, ponovno, kao i u mnogim drugim slučajevima,  nameće potrebu uvođenja više interdisciplinarnosti u znanosti i visokom školstvu RH.

8. Literatura

Clinton Y., "Game Character Modeling and Aimation with 3Ds Max", Elsevier, Inc. Oxford, 2008
Erleben K. ...[et al.], "Physics Based Animation", CHARLES RIVER MEDIA, INC., Hingham, Massachusetts, 2005
http://docs.autodesk.com/3DSMAX/15/ENU/3Ds-Max-Help/index.html, 5.10.2012
http://www.lynda.com
http://www.digitaltutors.com
http://idonotcode.blogspot.com/
http://www.tysonibele.com/Tutorials/
Murdock K.L., " 3DS Max 2010 Bible", Wiley Publishing Inc, Indianapolis, Indiana, 2009
Osipa, J., " Stop Staring: Facial Modeling and Animation Done Right", Wiley Publishing Inc, Indianapolis, Indiana, 2007
Pandžić I. ...[et al.], "Virtualna okruženja: Interaktivna grafika i njene primjene", ELEMENT, Zagreb, 2011