Planning Animation Cinematography and Shot Structure to Communicate Theme and Mood

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

INTRODUCTION

Creating an animation is a very difficult and time-consuming art. Traditionally, anything beyond a short animation has been beyond the capabilities of a single individual. The introduction of computers in this field has dramatically increased the capabilities of animators to create extended animations.

We have implemented a tool that helps animators to better capture a narrative in the visual medium, rather than to create entire animations without human intervention. The

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Int. Symp. on Smart Graphics, June 11-13, 2002, Hawthorne, NY, USA.

Copyright 2002 ACM 1-58113-555-6/02/0600...$5.00

computer is used as a knowledgeable assistant that applies rules of cinematography, such as lighting, colour choice, camera framing, montage, and camera angle, to the task of expressing the communicative goals of the human animator. This paper focusses on the shot structure and rendering functions within the context of our animation cinematography planning system.

Utilizing this system, an animator can take an existing animation and ask the computer to create a communicative plan that uses cinematography techniques to reinforce the content of the animation, or to create new meanings which would otherwise not be expressed. By harnessing cinematography information within a knowledge representation system, the computer can plan an animation as a presentation task and create cinematography effects on behalf of the animator. The system described in this paper contains a knowledge base of cinematography effects which is employed by a planner to automate the presentation of animations. The planner reasons directly about the communicative desires that the animator wishes to express through the animation. The cinematography planning system can augment the visual vocabulary of an animator by acting as an expert assistant in the domain of cinematography technique. Our prototype implementation is not intended to be a complete animation creation environment. Rather it can be viewed as a potential addition to commercial animation production systems.

MOTIVATION

The computer is a tool with growing importance in the animation industry. Currently, computers are used to aid animators in performing some of the simpler repetitive tasks of generating images for animations. Research is steadily progressing in the direction of increasing the computerrsquo;s role in the generation of animations.

Current (non-automated) animation techniques require either a large, skilled team of animators working together, or a single animator who devotes a great deal of time to generating a short animation. A sophisticated knowledge-based animation assistant could reason about an animation at the level of plot, theme, and character actions, motivations, and emotions, thereby enabling a single animator to create a compelling animation without concern for issues such as a detailed specification of low-level motion and geometry. Instead, the assistant would take responsibility for character visibility, action timing, and camera positioning, keeping in mind the higher-level goals of the animator. Animation details could be easily changed in an interactive fashion without the animator expending much time or effort.

Such a complete system would be large and sophisticated. The system described in this paper implements a subset of the capabilities of a fully-featured animation assistant. It presents a novel interaction of computer animation with artificial intelligence (AI). To present their ideas and intentions, experienced animators can draw upon a large range of cinematographic techniques that are far more expressive than the simple presentation of spatial arrangements. These techniques include lighting, colour choice, framing, camera movement, and pacing. Our knowledge-based animation assistant aids animators in achieving their narrative goals by controlling the application of these presentation details.

PROBLEM OVERVIEW

Themes and Moods

Though the psychological effects of film techniques are hard to quantify, they are relentlessly sought by film-makers. By applying the proper visual effect, the film-maker can alter the emotional predisposition of a viewer. There is probably a certain level of learned response involved, as audiences are repeatedly exposed to the same stimuli in similar situations [22].

The broad approaches to setting mood are well understood. To set up a happy scene, one should use a technique such as bright lighting to create a “feeling up” mood. A sad, dramatic, or scary scene should use a low-key, “feeling down” effect such as cool colours. De-saturation can be used to draw viewers into the scene, or high saturation can make them feel like outside observers. These techniques are often applied in the visual medium to give films a specific mood.

Many themes also can be represented using cinematography. Often a director will use a certain colour symbol for the ongoing theme of a film. Other themes are more general and can be presented using a canonica

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规划动画摄影和拍摄结构来沟通主题和情绪

1.概论

创建动画是一件非常困难和耗时的艺术。传统上，超越短动画的任何东西都超出了单个个体的能力。在这个领域中引入计算机已经极大地提高了动画制作者创建扩展动画的能力。

我们实施了一个工具，帮助动画师更好地捕捉视觉媒介中的叙述，而不是在没有人为干预的情况下制作整个动画。该允许将个人或课堂使用的全部或部分作品的数字化或硬拷贝免费授予，前提是复制品不是为了获利或商业利益而制作或发布的，并且副本在第一页上包含本通知和全部引用。要复制，重新发布，发布到服务器或发布到列表，需要事先的特定许可和/或费用。

计算机作为知识丰富的助手，将电影摄影规则应用于表达人类动画师交际目标的任务，例如照明，颜色选择，摄像机构图，蒙太奇和摄像机角度等。本文重点介绍我们的动画电影摄影策划系统中的镜头结构和渲染功能。

使用这个系统，动画师可以采用现有的动画，并要求计算机创建一个交互计划，使用电影技术来加强动画的内容，或创造否则不会表达的新含义。通过利用知识表示系统中的电影摄影信息，计算机可以将动画作为演示任务进行规划，并代表动画制作人员创建摄影效果。本文描述的系统包含一个电影摄影效果的知识库，由规划人员用来自动呈现动画。策划者直接关注动画师希望通过动画表达的交际需求。电影摄影计划系统可以通过充当电影摄影技术领域的专家助手来增强动画师的视觉词汇。我们的原型实现并不是一个完整的动画创作环境。相反，它可以被看作是商业动画制作系统的潜在补充。

2.动机

计算机是动画行业日益重要的工具。目前，计算机被用于帮助动画师执行一些为动画生成图像的更简单的重复任务。在提高计算机在动画制作中的作用方面，研究正在稳步发展。

目前的（非自动化）动画技术要么需要一个庞大而熟练的动画师团队协作，要么需要花费大量时间来制作短动画的单个动画师。一个复杂的基于知识的动画助理可以在情节，主题和角色动作，动机和情绪层面推理动画，从而使单个动画制作人员能够创建引人注目的动画，而不用担心诸如低详细规格水平运动和几何。相反，助理将负责角色可见性，操作时机和摄像机定位，同时牢记动画师的更高级别目标。动画细节可以很容易地以互动的方式进行更改，而无需动画师花费太多时间或精力。

这样一个完整的系统将是大而复杂的。本文描述的系统实现了全功能动画助手的功能的一个子集。它呈现了计算机动画与人工智能（AI）的新颖互动。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，这些技术比简单的空间安排表现得更具表现力。这些技术包括照明，颜色选择，取景，照相机移动和起搏。我们基于知识的动画助手通过控制这些演示细节的应用来帮助动画师实现他们的叙述目标。

3.问题概述

3.1主题和心情

尽管电影技术的心理影响很难量化，但它们却受到电影制作人的无情追捧。通过应用适当的视觉效果，电影制片人可以改变观众的情绪倾向。有可能涉及到一定程度的学习反应，因为观众在类似的情况下反复暴露于相同的刺激[22]。

设定情绪的广泛方法很好理解。要建立一个快乐的场景，人们应该使用明亮的照明等技术来创造一种“感觉”的情绪。一个悲伤，戏剧性或恐怖的场景应该使用低调的“感觉不舒服”效果，比如冷色调。可以使用去饱和度来将观众吸引到场景中，或者高饱和度可以使他们感觉像在外部观察者那样。这些技术通常应用于视觉媒体中以赋予电影特定的情绪。

许多主题也可以用电影来表现。通常导演会使用某种颜色符号来表现电影的持续主题。其他主题更一般，可以使用规范的电影效果来呈现。例如，通过使用从黑暗到明亮的照明变化，可以预示一个快乐的结局。把善与亮度和颜色联系起来，把善与黑暗和无色联系起来，可以增强善与恶的关系。

摄影也可以用来让我们洞察电影角色的精神状态。常见的效果是使用扭曲的鱼眼镜头来显示心理不稳定。对角色的惊人放大帮助我们感受到角色也感受到的恐怖。有时使用第一人称视角移动照相机来使我们识别正在逃离她的生活的角色。所有这些技术都是电影观众容易理解的心理状态的视觉隐喻。

3.2摄影技术

为了以上述方式操纵电影，电脑摄影师必须具备电影摄影知识，并且必须能够应用它。下面简要介绍我们的系统包含的电影摄影知识类型。关于这个领域的表示和推理的进一步讨论可以在[17,18]中找到。

3.2.1照明

照明用于设置情绪，引导观众注意力并提供信息。电脑摄影师可以独立将照明应用于角色和背景。可以调整照明质量以改变阴影的数量和清晰度。照明的亮度和方向被改变以实现所需的交流行为。

3.2.2颜色

这里描述的系统对场景对象的颜色控制有限。在创建对象模型时，也会使用可在渲染前应用于它们的颜色集创建它们。颜色集合分为几类重叠的颜色能量和颜色饱和度。系统可以选择一个满足动画师交际目标强加的约束条件的特定颜色集合。该系统不包含颜色美学的通用模型，但依赖于程序员根据能量，温度和饱和度对颜色进行分类。

3.2.3相机放置

计算机摄影指导负责虚拟相机及其观点。给定一个包含背景对象和角色的场景，系统将以一种达到所需效果的方式定向摄像机。这里介绍的系统只能在“表现良好”的对象上运行。所用的类比是一个阶段或小集合。电脑可以处理在这一小组中移动通过不同位置的物体，并到达适当的相机放置解决方案。涉及大扫掠动作，复杂对象交互或高度约束环境的动画可能无法正常工作。

3.2.4成帧

与相机放置密切相关的是二维场内物体的成帧。当由导演的通信目标提示时，计算机将尝试在屏幕的特定区域中框住对象以实现相应的视觉效果。

3.2.5镜头结构

在电影摄影师的职责之外，这个系统承担了电影编辑的一些职责。鉴于节奏和节奏的整体目标，电脑将决定在电影时间线上放置剪辑的位置。

为了整合现场环境的整体观众印象，计算机将组装一系列短小的镜头，用于描绘场景中的重要物体和关系。导演可以选择归纳或演绎方法来进行镜头排序。动画制作者还必须提供有关哪些对象和字符很重要以及这些对象之间存在何种有意义的关系的信息。

4.相关工作

4.1自动化视觉域演示

本白皮书建立在自动化可视化演示领域的技术上。这方面的研究集中在使用计划技术向互动观众展示视觉信息。所呈现的通信通常用于信息，培训或广告目的。

塞利格曼和费纳创建了一个系统来解释电子设备的操作使用带注释的3D插图[20]。该系统将交际行为作为输入，并作为输出生成所描述的操作的图像。该系统使用了设计规则和生成和测试方法。

Andre等人。描述了他们的WIP系统如何生成说明文件，并以使用咖啡机的说明为例[1]。系统将这个问题作为一个布局任务，将图形解释和文本描述一起呈现在同一个2D页面中。他们推理图形约束和布局问题。 Andre和Rist将修辞结构理论（RST）的使用描述为他们用于生成他们的图文档的计划范例[2]。最近，Andre和Rist专注于使用与用户交互的动画主持人[3,4]。主持人充当代理人，帮助传达演示文稿作者所需的交流任务。

卡尔普和费纳解决了创建动画演示文稿作为高层计划任务的问题[15,16]。他们专注于将动画演示任务分层分解为一系列剪辑，分解和镜头。该系统采用启发式，基于规则的方法。

Bares和Lester创建了一个在基于知识的学习环境中自动化动画解释的系统[7]。他们对本文感兴趣，因为他们自动将相机呈现给观众信息，并处理镜头转场。该小组最近的工作是将自然语言解释与动画以一致的方式结合起来[11]。

4.2自动化电影技术

早期的相机控制研究关注的是基于应该观看的内容来控制相机，而不是直接使用相机放置。 Gleicher和Wilking构建了一个系统，允许用户通过对相机应该产生的图像施加限制来控制相机[13]。他们的技术允许用户交互地控制世界空间点与其图像空间表示之间的关系。他们的目标是使几何复杂的相机运动能够轻松且交互地指定。

Philips等人。创建了一个自动摄像机放置系统，放置和移动摄像机以避免障碍物，从而消除了复杂的摄像机移动的需要[19]。由Drucker等开发的CINEMA系统为用户提供一种语言来程序化地指定摄像机移动[12]。 Bares等人。 [5,8]使用实时约束求解器将摄像机定位在复杂的交互式3D世界中，以便摄像机可以以观看角色和实现电影目标的方式进行定位。另一种方法模拟用户的偏好来创建用户最佳的相机位置来查看虚拟3D世界[6]。在更严重的情况下，Bares等人使用约束求解器来求解各种用户强加的摄像机观看需求[9]，Halper和Olivier使用遗传算法来找到一个好的摄像机位置[14]。

可以认为与本文最相似的两个项目都涉及照明和照相机放置的组合使用以创建视觉呈现。 Tomlinson等人将摄影代理整合到虚拟动画代理环境中[21]。此摄影代理与其环境中的代理进行交互，并尝试使用照明更改和摄像机角度来反映其他代理的情绪。 Butz创建了一个与PPP多媒体演示规划器（前面讨论的WIP系统的后继者）交互的系统，以创建短动画来解释技术设备的功能[10]。该系统使用视觉效果（例如指向相机和聚光灯）来传达交际目标。

4.3与当前工作的关系

和Andre等人一样，我们也发现RST是规划交际行为的有吸引力的方法。 我们的RST关系用于表达主题和情绪的交流结构的组成中。 虽然类似，但与动画有关的作品解决了动画演示的不同方面。 我们将动画视为一种讲故事的方式，并且我们提供了一种直接推理动画师作为艺术家的交际目标的机制。 明确规划交际行为和维护电影技术知识库的方法允许系统统一推理角色的情绪和动画师的交流目标。 一些研究解决了本文未涉及的相机放置问题。 将这些方法与这里描述的系统集成将增强其处理更难的照相机放置要求的能力。

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