Как космонавту развернуться в невесомости — моделирование с помощью программы Cascadeur

Гипотезы и их проверка.

Разработчики из студии Banzai Games решили проверить, сможет ли человек в невесомости развернуться в нужную сторону, двигая своими конечностями, и какие действия ему нужно будет предпринять. Для проверки гипотез и поиска решения в Banzai использовали собственную программу для создания анимации Cascadeur.

Ранее мы исследовали, каким образом кошка разворачивается во время падения, чтобы приземлиться на лапы. А теперь выключим гравитацию! Представьте: космонавт находится в невесомости, а поблизости нет предметов, от которых он мог бы оттолкнуться. Сможет ли он развернуться в нужную ему сторону, используя лишь движения собственных конечностей? Давайте посмотрим, как справятся с этой задачей физические инструменты Cascadeur.

Допустим, космонавт хочет развернуться на 180 градусов, чтобы увидеть, что находится у него за спиной. Если бы он стоял ногами на земле, то такое движение не составило бы труда. Но в космосе движения его верхней и нижней частей тела начинают компенсировать друг друга: он поворачивает грудь в одну сторону, а вот его ноги тут же поворачиваются в другую, и в результате ему не удаётся развернуться.

Похожую ситуацию можно воспроизвести и на Земле, если пытаться повернуться на обычном офисном кресле, не отталкиваясь ногами, или же на специальном гимнастическом диске.

Cascadeur — это программа для создания physics-based анимации. Риги персонажей состоят из множества твёрдых тел, каждое из которых имеет массу и тензор инерции. За счёт этого программа рассчитывает физическое поведение персонажей.

Чтобы проверить, как в невесомости работают различные движения, мы сперва создавали анимации этих движений, а затем применяли к ним физические инструменты, установив нулевое значение гравитации.

Важным моментом в условиях невесомости является то, что скорость центра масс никак не может измениться без приложения силы извне. Если центр масс персонажа был изначально неподвижен, то, вне зависимости от совершаемых движений, он всё равно останется в том же самом месте в пространстве. Персонаж может лишь вращаться вокруг своего центра масс.

На оригинальной анимации персонаж оглядывается за спину, сильно разворачивая верхнюю часть корпуса. Однако в реальных условиях невесомости такое движение было бы невозможно.

После применения физических инструментов движение выглядит несколько иначе: персонаж уже не может развернуться так далеко, а его ноги начинают вращаться, компенсируя движение верхней части корпуса. При этом позы персонажа в каждом кадре остаются точно такими же, как в оригинальной анимации.

Однако вы можете развернуться в любом нужном направлении только за счёт собственных движений даже в условиях невесомости. Это доказывает видео с реальными космонавтами.

К сожалению, когда мы применили физические инструменты к этой анимации, результат оказался не слишком хороший. Наш космонавт никак не мог сделать первый разворот — с живота на спину.

Мы решили, что дело тут в недостаточно активной работе рук, и сделали несколько анимаций, в которых усилили это движение. Это не особенно помогло — персонаж лишь слегка поворачивался на бок. Чтобы перевернуться на 180 градусов, ему понадобилось бы куда больше времени и усилий.

Тогда мы стали изучать, какие движения персонажа влияют на его вращение и как именно они это делают. Оказалось, что для разворота с живота на спину нам необходимо усилить движения ног, а не рук.

Вот анимация, в которой верхняя часть персонажа остается совершенно неподвижной, а ноги при этом подтягиваются к животу и описывают окружность.

После применения физических инструментов центр масс остается на месте, верхняя часть тела компенсирует движения ног, а весь персонаж начинает вращаться целиком. Эта анимация стала выглядеть вот так.

Таким образом, мы развернули персонажа на 180 градусов — с живота на спину — при помощи двух круговых движений ногами, не задействуя движения рук.

После того, как наш персонаж развернулся на спину, ему остается лишь сделать поворот по другой оси, чтобы принять вертикальное положение. Для этой цели хорошо подойдёт вращение конечностей вдоль тела.

Объединяя принципы этих движений, можно развернуться в невесомости в любую нужную сторону без внешнего воздействия. Вы можете самостоятельно в этом убедиться, посетив МКС или установив бесплатную бета-версию Cascadeur.

#анимация #опыт #технологии