GDV 3 Dr. Detlef Krömker Graphische Datenverarbeitung 3 Animation und Bildkommunikation WS 98/99 © Detlef Krömker Animation 3.

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1 GDV 3 Dr. Detlef Krömker Graphische Datenverarbeitung 3 Animation und Bildkommunikation WS 98/99 © Detlef Krömker Animation 3

2 Rückblick Entwicklung und Stand der 3D-Computer- Animation Einordnung der Methoden der Animation Spezielle Terminologie Anwendungen der 3D-Animation Die Animationspipeline Methoden © Detlef Krömker

3 Methodenübersicht Geometrie-Erzeugung Animation –Basistechnik: Parametrisches Key-framing –Kinematik, inverse Kinematik, Dynamik,... –Die virtuelle Kamera: ein spezielles Objekt Rendering –Übersicht, spezielle Probleme Bewegtbild Postprocessing

4 Kinematik Inverse Kinematik Anwendung bei gelenkartig verbundenen Objekten, z.B. Tiermodelle, Menschmodelle Geometrisches Modell wird um Skelett erweitert: idealisiert eine kinematische Kette © Detlef Krömker Gelenk Verbindung Effektor

5 Vorwärtsrechnung Eingabe: Gelenkeinstellung Ausgabe: Effektorstellung Berechnung der Endgliedstellung bei vorgegebenen Gelenkeinstellungen Kinematik Kinematik/inverse Kinematik 1 © Detlef Krömker Rückwärtsrechnung: Eingabe: Effektorstellung Ausgabe: Gelenkeinstellung Berechnung der Gelenkeinstellungen bei vorgegebener Effektorstellung inverse Kinematik Hauptproblem der Robotik

6 Kinematik/inverse Kinematik 2 © Detlef Krömker Vereinfachung der Berechnung durch Normalisierung nach Denavit/Hartenberg: Basis: behandelt Schub/Drehgelenke Ziel: ein Gelenk wird nur durch konstante, konstruktionsbedingte Werte und Gelenkvariablen in einer Transformationsmatrix beschrieben

7 DH-Regeln © Detlef Krömker lili DH-Regeln bestimmen relative Lage der Koordinatensysteme d h t l Gelenkvariablen: d Rotationsgelenk t Schubgelenk Alle anderen Parameter konstruktionsbedingt fest!

8 DH-Regeln aus DH-Primitivgelenken lassen sich beliebige kinematische Ketten bilden Vorwärtsrechnung: Produkt homogener Matrizen: Koeffizienten entweder konstant oder variabel immer lösbar für Rückwärtsrechnung stehen prinzipiell 6 nichtriviale Gleichungen zur Verfügung (Freiheitsgrade): d.h. es können maximal Einstellwerte für 6 Primitivgelenke errechnet werden. nicht immer geschlossen lösbar © Detlef Krömker

9 Zusammenfassung Kinematik / inverse Kinematik erhebliche Vereinfachung der Bewegung größerer kinematischer Ketten häufig gekoppelt mit Skinmodels interessante Ketten sind in der Regel unterbestimmt Constraints können Eindeutigkeit gewährleisten sonst systemspezifische Annahmen Bewegungen trotzdem oft unnatürlich © Detlef Krömker

10 Constraints einfachste, noch universelle Methode zur besserern Handhabung vieler Parameter Constraints sind Bedingungen für Parameterwerte beschreiben Interaktionen und Randwerte für Parameter –einfache: Gleichheit, Maximum, Minimum,... z.B. COI Kamera = Center Objekt –komplexere: on-top, in-plane,...on path unter Umständen: nur iterativ lösbar, Widersprüche möglich! © Detlef Krömker

11 Dynamik berücksichtigt Dynamik des Massenpunktes Feder-Masse-Dämpfer-Systeme Parameter sind: Kräfte, Momente, Massen, Schwerpunkte, etc. ggf. Reibung, etc. häufig auf Felddynamik erweitert: Erlaubt Benutzung verschiedener homogener und nichthomogener Felder: Gravitation, Ladung,... Beeinflussung vieler Objekte: z.B. Partikel Spezialfall der allgemeinen Simulation oft schwierig zu benutzen: visueller Effekt schwer vorhersehbar

12 Simulation (1) basiert auf Abbildung der realen Welt in ein abstraktes Modell potentiell sehr viele verschiedene Basis- Modelle, Sprachen und Methoden verfügbar, z.B. –Petrinetze, –Simula,... methodisch eher ein experimentieren als konstruieren oder gestalten © Detlef Krömker

13 Simulation (2) sehr leistungsfähige Simulatoren vorhanden erlaubt Kontrolle auf höherem (abstrakterem) Niveau als Geometrie und visuelle Merkmale Grundlage der interaktiven Animation Zusammenwirken mit anderen A-Methoden möglich -- allerdings selten implementiert © Detlef Krömker

14 Scripting- Systeme ähnlich zu Programmiersprachen Spektrum reicht von einfachen Kommandosprachen zu prozeduralen und objektorientierten Sprachen Spezialsprachen, Erweiterungen existierender Sp. Potentiell vollständige prozedurale Kontrolle Erlauben oft auch Kontrolle anderer Elemente der Animationspipeline © Detlef Krömker

15 Die Kamera Ein besonderes Animationselement Definiert durch die Parameter der Viewing Pyramide –View Point:Position (POV) –Orientation:Point of Interest (POI), Center of Interest (COI) –Viewing Angle: horizontal/ vertical (aspect ratio des Bildes definiert in der Regel festes Verhältnis) 46 o : normal (50mm) -- 83 o :weitwinkel (24 mm) -- 5 o : tele (135 mm) –Live Area:Near and Far Clipping Plane –(depth of field) Immer sehr vorsichtig verändern

16 Position:dolly horizontal boom vertikal truck entlang der Sichtachse ( travelling shot Verfolgen eines Obj) Orientierung:tilt Drehung um hor. Achse pan Drehung um vert. Achse roll Drehung um Sichtachse Kamera-Animation Grundbewegungen 1 ruck boom dolly pan tilt roll

17 Kamera-Animation Grundbewegungen 2 zoom:Veränderung des Sehwinkels (viewing angel) z.B. als Übergang zwischen verschiedenen Kamerashots: extreme close upknee close upwide (full body) medium close up (head &shoulder)long waistmedium long medium extreme long

18 Klassische und moderne Anwendungen Werbefilm (Commercials) Feature Film, Spielfilm Sichtsimulation (CGI --> Virtual Reality) Visualisierung Architektur, Design,... (Wissenschaftliche Visualisierung) (Lehrfilm)...

19 Moderne Anwendungen Interaktive Animation: Single / Multiple User –Entertainment, Technische Handbücher, Ausbildung,... Neue Qualität bei Multimedia und Hypermedia freie Kamera freie Geschwindigkeit etwas in der Hand / im Griff haben MM > Text Bild Graphik Ton Video

20 Moderne Anwendungen Visualisierung von Simulationsergebnissen –einfacheres Verstehen der Ergebnisse –Konsistenzprüfung der Modelle –Interaktion mit Modellparametern Element in Benutzungsschnittstellen Basis: LeistungsfähigkeitHerausforderungen der Hardwarean die Software