Animace a geoprostor. První etapa: Animace 4. přednáško-cvičení. Jaromír Landa. jaromir.landa@mendelu.cz Ústav informatiky PEF MENDELU v Brně

Transkript

1 Animace a geoprostor První etapa: Animace 4. přednáško-cvičení Jaromír Landa jaromir.landa@mendelu.cz Ústav informatiky PEF MENDELU v Brně

2 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

3 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

4 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

5 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

6 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

7 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

8 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

9 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 ( Virtual Dub ( Animace a geoprostor Jaromír Landa 9

10 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

11 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

12 Otočný stůl nejjednodušší kamera jednou obletí objekt a zachytí požadovaný počet snímků kamera rotuje kolem pevného cíle Animace a geoprostor Jaromír Landa 12

13 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

14 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

15 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

16 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

17 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: SECAM Francie a Rusko HD Rozlišení: 1280x720 Full HD Rozlišení: 1920x1080 HDV Rozlišení: 1440x1080 Animace a geoprostor - Jana Dannhoferová 17

18 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

19 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

20 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

21 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

22 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

23 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

24 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

25 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

26 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

27 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 norma pro záznam pohyblivého obrazu na CD nehodí se pro střih videa z důvodu vzdálených klíčových snímků MPEG standardem pro kompresi digit. videa podpora proměnlivého i konstantního datového toku Animace a geoprostor Jaromír Landa 27

28 Ztrátové kodeky MPEG-4 formální označení: ISO/IEC (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

29 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

30 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

31 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

32 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