Animación esquelética

Animación esquelética o rigging es una técnica de animación por ordenador en la que un personaje (u otro objeto articulado) se representa en dos partes: una representación de superficie utilizada para dibujar el personaje (llamado malla o piel) y un conjunto jerárquico de partes interconectadas (llamadas huesos, y que colectivamente forman el esqueleto i> o rig), una armadura virtual utilizada para animar (pose y keyframe) la malla. Si bien esta técnica se usa a menudo para animar humanos y otras figuras orgánicas, solo sirve para hacer que el proceso de animación sea más intuitivo, y la misma técnica se puede usar para controlar la deformación de cualquier objeto, como una puerta, una cuchara, un edificio., o una galaxia. Cuando el objeto animado es más general que, por ejemplo, un personaje humanoide, el conjunto de "huesos" Puede no ser jerárquico ni estar interconectado, sino simplemente representar una descripción de nivel superior del movimiento de la parte de la malla sobre la que está influyendo.

La técnica fue introducida en 1988 por Nadia Magnenat Thalmann, Richard Laperrière y Daniel Thalmann. Esta técnica se utiliza en prácticamente todos los sistemas de animación donde las interfaces de usuario simplificadas permiten a los animadores controlar algoritmos a menudo complejos y una gran cantidad de geometría; sobre todo a través de kinematics inversos y otras técnicas "orientadas al objetivo". En principio, sin embargo, la intención de la técnica nunca es imitar la anatomía real o los procesos físicos, sino sólo controlar la deformación de los datos de malla.

Técnica

Como se describe en un artículo instructivo de Josh Petty:

Rigging está haciendo que nuestros personajes puedan moverse. El proceso de rigging es que tomamos esa escultura digital, y empezamos a construir el esqueleto, los músculos, y conectamos la piel al personaje, y también creamos un conjunto de controles de animación, que nuestros animadores utilizan para empujar y tirar del cuerpo alrededor.

Esta técnica construye una serie de huesos (que no necesariamente corresponden a ninguna característica anatómica del mundo real), a veces también denominada rigging en el sentido sustantivo. Cada hueso tiene una transformación tridimensional de la postura de unión predeterminada (que incluye su posición, escala y orientación) y un hueso principal opcional. Por tanto, los huesos forman una jerarquía. La transformación completa de un nodo hijo es el producto de su transformación principal y su propia transformación. Entonces, mover el fémur también moverá la parte inferior de la pierna. A medida que el personaje se anima, los huesos cambian su transformación con el tiempo, bajo la influencia de algún controlador de animación. Un equipo generalmente se compone de partes de cinemática directa y cinemática inversa que pueden interactuar entre sí. La animación esquelética se refiere a la parte cinemática delantera de la plataforma, donde un conjunto completo de configuraciones óseas identifica una pose única.

Cada hueso del esqueleto se asocia con alguna parte de la representación visual del personaje (la malla) en un proceso llamado delgado. En el caso más común de un carácter de malla poligonal, el hueso se asocia con un grupo de vértices; por ejemplo, en un modelo de ser humano, el hueso del muslo se asociaría con los vértices que componen los polígonos en el muslo del modelo. Las porciones de la piel del personaje normalmente se pueden asociar con múltiples huesos, cada uno con factores de escalado llamados pesos de vértice o mezclar pesos. El movimiento de la piel cerca de las articulaciones de dos huesos, por lo tanto puede ser influenciado por ambos huesos. En la mayoría de los motores gráficos de última generación, el proceso de decoloración se realiza en la GPU por un programa de sombra.

Para una malla poligonal, cada vértice puede tener un peso de mezcla para cada hueso. Para calcular la posición final del vértice, se crea una matriz de transformación para cada hueso que, cuando se aplica al vértice, coloca primero el vértice en el espacio óseo y lo vuelve a colocar en el espacio de malla. Después de aplicar una matriz al vértice, se escala por su peso correspondiente. Este algoritmo se llama matriz-palette desprendimiento o desprendimiento lineal, debido a que el conjunto de transformaciones óseas (comerados como matrices transformadas) forman una paleta para que el vértice de la piel elija.

Beneficios y desventajas

Fortalezas

• Un hueso representa un conjunto de vértices (o algún otro objeto que representa algo, como una pierna),
  • El animador necesita controlar menos características del modelo,
    • El animador puede centrarse en el movimiento a gran escala,
  • Los huesos son muebles de forma independiente.
• Una animación se puede definir por simples movimientos de los huesos, en lugar de vértice por vértice (en el caso de una malla poligonal).

Debilidades

• Un hueso sólo puede representar un conjunto de vértices (o algún otro objeto definido precisamente), y no es más abstracto o conceptual.
  • No proporciona movimiento muscular realista y movimiento de la piel. Posibles soluciones a este problema:
    • Controladores musculares especiales unidos a los huesos.
    • Consulta con expertos en fisiología, para aumentar la precisión del realismo musculoesquelético con simulaciones de anatomía virtual más exhaustivas.

Aplicaciones

La animación esquelética es la forma estándar de animar personajes u objetos mecánicos durante un período prolongado de tiempo (normalmente más de 100 fotogramas). Es comúnmente utilizado por artistas de videojuegos y en la industria del cine, pudiendo aplicarse también a objetos mecánicos y cualquier otro objeto formado por elementos rígidos y uniones.

La captura de rendimiento (o captura de movimiento) puede acelerar el tiempo de desarrollo de la animación esquelética, además de aumentar el nivel de realismo.

Para el movimiento que es demasiado peligroso para la captura del rendimiento, existen simulaciones por computadora que calculan automáticamente la física del movimiento y la resistencia con marcos esqueléticos. Se pueden agregar propiedades de anatomía virtual, como el peso de las extremidades, la reacción muscular, la fuerza de los huesos y las limitaciones de las articulaciones, para obtener efectos realistas de rebote, pandeo, fractura y caída conocidos como acrobacias virtuales. Sin embargo, existen otras aplicaciones de las simulaciones de anatomía virtual, como la respuesta militar y de emergencia. Se pueden utilizar soldados virtuales, rescatistas, pacientes, pasajeros y peatones para capacitación, ingeniería virtual y pruebas virtuales de equipos. La tecnología de anatomía virtual se puede combinar con inteligencia artificial para mejorar aún más la tecnología de animación y simulación.