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规划动画电影和拍摄结构，以表达主题和情绪
Kevin Kennedy
Cognitive Engineering Laboratory
Department of Computer Science
The University of Western Ontario
London, Ontario, CANADA
kevink@csd.uwo.ca
Robert E. Mercer
Cognitive Engineering Laboratory
Department of Computer Science
The University of Western Ontario
London, Ontario, CANADA
mercer@csd.uwo.ca
文摘
标准技术，例如原声录音、故事板和关键帧，被用来创造动画改编的故事。叙事中的许多方面，如情绪、主题、人物动机和情节，都必须在视听媒体中被捕捉。我们的工作主要是通过运用著名的电影技术来实现情绪和主题之间的互动。我们提出了一个计划系统，将动画人物的情绪和人物动作的描述转换成一系列的摄影机镜头，这些镜头用于展示剧情。策划者利用灯光、构图、相机动作、色彩选择和拍摄节奏来完成这些剧情，最后的输出成动画。它的目的让观众能理解动画师所描述的主题和想表达的情绪。
分类和主题描述符
I.2.1[计算方法]:人工智能应用和专家系统。
关键字
电影摄影，电脑动画，情绪，主题，叙述，镜头结构。
1.介绍
创作动画是一门非常耗时的艺术。传统上，任何超过短动画的东西都超出了单个人的能力范围。计算机在这一领域的引进大大增加了动画师创作动画的能力。我们已经创造了一种工具，帮助动画师更好地在视觉媒介中捕捉故事，而不是在没有其他参考的情况下创作完整的动画。计算机作为一个知识丰富的助手被用来利用电影摄影的规则，例如灯光，色彩选择，镜头框架，蒙太奇，和镜头角度，来表达动画师想展现的内容。
本文重点研究了动画电影规划系统的镜头结构和渲染功能。利用这个系统，动画师可以使用现有的动画，并要求计算机创建一个交流计划，使用电影技术来增强动画的内容，或者创造新的内容，否则不会被表达。通过利用知识表示系统中的电影信息，计算机可以计划一个动画作为一个演示任务，并为动画师创造出电影艺术。本文所描述的系统包含了一个电影摄影的知识库，它由一个策划者用来自动演示动画。
设计者直接考虑了动画师希望通过动画表达的交流欲望。电影摄影规划系统可以通过在电影技术领域扮演专家助理的角色，增强动画师的视觉词汇量。我们的原型实现并不打算成为一个完整的动画创建环境。相反，它可以被看作是商业动画制作系统的一个潜在的补充。
2.动机
计算机是一个在动画产业中越来越重要的工具。目前，计算机被用来帮助动画师执行一些简单的重复性任务，为动画生成图像。随着计算机在动画生成中的作用越来越大，研究工作正在稳步推进。
当前(非自动化的)动画技术需要一个庞大的、技术娴熟的动画师团队一起工作，或者一个单独的动画师花费大量的时间来制作一个动画短片。一个复杂的基于知识的动画助手可以根据情节、主题、人物动作、动机和情感的层次来推理动画，从而使单个动画师能够创建一个令人信服的动画，没有关注的问题，如详细的规范的低层次的运动和几何学。相反，助理将负责角色的可见性、动作的定时和摄像机的定位，记住动画师更高层次的目标。动画细节可以很容易地以交互的方式改变，而没有动画师花费大量的时间和精力。
这样一个完整的系统将是庞大而复杂的。本文描述的系统实现了功能齐全的动画助手的一个子集。提出了计算机动画与人工动画的新互动。
智能(人工智能)为了表达他们的想法和意图，经验丰富的动画师可以利用大量的电影技术，这些技巧远比简单的空间安排表达更有表现力。这些技术包括灯光，色彩选择，框架，镜头移动，和节奏。我们以知识为基础的动画助理帮助动画师通过控制这些演示细节的应用来实现他们的叙述目标。
3.问题概述
3.1的主题和情绪
虽然电影技术的心理影响很难量化，但电影制作者们却一直在寻找它们。通过运用适当的视觉效果，电影制作者可以改变观众的情感倾向。在类似的情况下，观众会反复接触到相同的刺激，因此可能有一定程度的学习反应。
人们很容易理解不同的情感。为了营造一个愉快的氛围，你应该用一种像将光线变亮这样的技巧来营造一种'情绪高涨'的氛围。一个悲伤的，戏剧性的，或者可怕的场景应该使用低调的，“情绪低落”的效果，如冷色。饱和度可以用来吸引观众，过高的饱和度会让观众觉得自己是外界观察者。这些技术通常应用于视觉媒介，以赋予电影特定的情绪，也可以使用电影摄影来表示许多主题。通常导演会用特定颜色的符号来表达电影的主题，其他的主题更普遍一些可以用一个标准的电影效应来呈现。例如，可以通过使用从暗到亮的光线变化来预示好的结局。善与恶可以通过与光明与色彩的结合来区分，用黑暗和无色来表示邪恶。
电影摄影也可以用来让我们了解电影角色的心理状态。一个常见的效果是使用扭曲的鱼眼相机镜头来显示精神不稳定，一个过于放大的人物会让我们感到恐惧。有时候，第一个人视角移动的镜头会让我们认为角色正在逃亡。所有这些技巧都是对心理状态的视觉隐喻，而这些心理状态很容易被电影观众理解。
3.2摄影技术
要按照上面描述的方式操作电影，计算机摄影师必须具备电影摄影的知识，并且必须能够运用它。我们的系统所包含的电影知识的类型，简述如下。
关于这个领域的陈述和推理的进一步讨论可以在[17,18]中找到。
3.2.1照明
灯光是用来调节情绪，引导观众的注意力，提供信息。计算机摄影师可以独立地应用灯光到人物和背景。灯光的质量可以调整，以改变阴影的数量和清晰度。根据需要改变亮度和照明方向，以达到必要的交流信息。
3.2.2颜色
这里描述的系统对场景对象的颜色控制有限。当对象模型被创建时，它们也会被创建，颜色集可以在呈现之前应用到模型。系统里的颜色依照色彩能量和色彩饱和度被分为几类。系统可以选择特定的颜色来满足动画师的想达到的目标。该系统不包含色彩美学的一般模型，他依赖编程器在能量、温度和饱和度方面对颜色进行分类。
3.2.3相机位置
摄影导演是负责虚拟摄像机和它的视角的。给定场景包含背景对象和人物，系统将以实现所需效果的方式确定相机的方向。此处介绍的系统仅能作用于“表现良好”的对象。这个比喻用的是一个小装置，电脑可以处理物体在这个小装置上的不同位置，然后到达合适的摄像机位置解决方案。一旦涉及到大规模全面运动,交互的复杂对象,或高度受限的环境中系统可能不会正常工作。
3.2.4框架
与摄像机位置密切相关的是二维领域内物体的框架。当导演的沟通目标提示时，电脑会尝试在屏幕的特定区域设置物体，以达到相应的视觉效果。
3.2.5镜头结构
除了电影摄影师的职责，这个系统还承担了电影编辑的一些职责。考虑到目标的速度与节奏，电脑将会在时间轴上恰当的位置进行剪辑。
为了让观众对现场环境有一个整体印象，电脑会组装出一系列简短的镜头来描述场景中的重要物品之间的关系。导演可以选择感应式或演绎式的镜头排序方式。动画师还必须提供哪些对象和字符是重要的信息，以及这些对象之间存在哪些有意义的关系。
4.相关工作
4.1自动化可视域显示
这篇论文建立在自动化视觉展示领域的技术。该领域的研究集中于利用规划技术向交互式查看器提供视觉信息。交流的内容通常是信息，训练，或者广告。
Seligmann和Feiner创建了一个系统使用带注释的3D插图来解释的电子设备的操作[20]。该系统将交流行为输入再输出，生成所描述的图像。该系统是将设计规则、生成和测试方法相结合。
Andr e等描述了他们的WIP系统如何生成有插图的文档，并使用说明使用咖啡机作为例子[1]。系统将这个问题作为一个布局任务来呈现图形化的解释。在相同的2D页面中一起进行文本描述。他们讨论了图形约束和布局问题。Andr e和Rist将修辞结构理论(RST)的使用描述为它们用来生成插图文档的规划范式[2]。最近,Andracute;e和Rist利用一个动画演示者展现与用户之间的交互[3、4]。演示者充当了一个代理，帮助沟通演示文稿的作者与用户之间的互动达到期望的效果。
Karp和Feiner解决了创建一个动画演示作为高级计划任务的问题[15,16]。他们专注于将动画演示任务分解成一系列的剪切、分解和拍摄。该系统采用了启发式的、基于规则的方法。
在一个以知识为基础的学习环境中，Bares和Lester创建了一个系统来自动化动画解释[7]。他们对这篇论文很感兴趣，因为他们会自动地将摄像机放置到观众面前，并处理镜头转换。这个小组最近的研究中用连贯的方式将自然语言的解释融入到了动画中[11]。
4.2自动化摄影技术
早期的相机控制研究关注的是如何控制相机的拍摄，而不是直接使用相机。Gleicher和Wilking建立了一个系统，允许用户通过对相机产生的图像施加约束来控制摄像头[13]。他们的技术支持用户交互式地控制现实世界空间点和他们的图像空间展示之间的关系。他们的目标是让几何复杂的摄像机动作能够很容易被用户掌控。
飞利浦等人发明了一种自动相机放置系统，可以放置和移动相机以避免障碍物，从而消除了复杂相机运动的需要[19]。德鲁克等人开发的电影系统为用户提供了一种程序[12]指定摄像机运动的语言。Bares等[5,8]利用实时约束求解器将摄像机定位在一个复杂的交互式三维世界中，这样摄像机就能以一种视图角色的方式定位并实现一个电影目标。另一种方法是模拟用户的首选项，创建一个用户最优的相机放置[6]。在更强的约束条件下，Bares等人使用一个约束求解器来寻找各种用户强加的摄像机查看需求的解决方案[9]，Halper和Olivier使用一个遗传算法来找到一个好的摄像机位置[14]。
这两个项目可以被认为是最类似的，这两个项目都涉及到结合使用照明和摄像机放置来创造一个视觉呈现。Tomlinson等人将一个电影摄影代理集成到一个虚拟的动画代理环境[21]。这个电影摄影代理在他们的环境中与代理互动，并试图利用灯光变化和摄像机角度来反映其他代理人的情绪。Butz创建了一个系统，该系统与PPP多媒体演示计划（之前讨论的WIP系统的继承者）进行交互，以创建简短的动画来解释技术设备的功能[10]。该系统使用视觉效果，比如对准相机和闪光灯，来传达一个交流的目标。
4.3与当前工作的关系。
和Andr e等人一样，我们也发现RST是一种具有吸引力的方法来规划交际行为。我们的RST关系中通信结构的组成用于表达主题和情绪。虽然类似，但与动画有关的作品涉及到动画演示的各个方面。我们把动画看作是一种讲故事的方式，我们提供了一种机制来直接推理动画师作为艺术家的交流目的。明确地规划交际行为的方法，以及保持电影摄影技术的知识基础，使系统能够以统一的方式解释角色的情感和动画师的沟通目标。一些研究解决了相机放置的问题，这些问题不在本文中讨论。将这些方法与这里所描述的系统相结合，就能提高它处理更复杂的拍摄位置的能力。
5.系统架构
本文中实现的系统有一些传统的人工智能架构，包括知识库、规划器和代理代理，在本例中，后者是图形渲染器。知识库包含关于空间、时间、固体物体、灯光、颜色、照相机、场景、镜头和电影摄影的知识。这种知识是用一种叫做织布机的语言实现的。计划者创建一个计划来实现由查看者所表达的期望的交流行为。计划本身是用LISP写的。渲染器，也写在LISP中，将计划者创建的电影摄影计划转换成一个动画帧序列，它构成了程序的输出。渲染器利用POVray射线追踪系统来创建图形图像。
图1显示了各个模块之间的交互。知识库充当了电影摄影的信息来源，并在动画计划生成的同时作为知识的存储。它还被用来存储规划规则，该规则由策划者组装来创建解决方案。因此，计划者与知识库之间的交互是双向的。另一方面，渲染器只从知识库中检索信息;它不增加知识。也有从策划者到渲染器的直接连接，因为策划者为渲染器提供了要呈现的完整场景描述。用户输入用于驱动各个模块，然后渲染器生成最终输出。
5.1工具或辅助方法。
电脑摄影助理是人类动画师使用的工具。动画师必须要做大量的工作来说明动作，角色，以及叙述。人类还必须用系统所理解的交际行为来表达她的叙述目标。
然而，计算机将组装这些元素，定位相机和灯光，并生成创建动画的图像序列。由于这是一种半自动的方法，动画师有能力控制计算机，并告诉它继续寻找更好的电影“解决方案”。
正如电影导演和她的电影摄影师之间的合作，人类和计算机一起作为一个团队一起工作。
5.2输入
为了操作这个程序，用户必须为系统提供一个动画描述。动画描述包含以下类型的信息:<!--
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