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Computeranimation Vortrag im Seminar Computergraphik Alan Akbik.

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Präsentation zum Thema: "Computeranimation Vortrag im Seminar Computergraphik Alan Akbik."—  Präsentation transkript:

1 Computeranimation Vortrag im Seminar Computergraphik Alan Akbik

2 Zielsetzung  Was ist Animation? Ein kurzer Einblick in ihre Entdeckung  Überblick über die verschiedenen Arten der Computeranimation und Begriffsklärung  Ein Beispiel zur Partikelanimation  Methoden zur Umsetzung von Hierarchischer Bewegung

3 Struktur des Vortrags  Zielsetzung/Motivation  Entdeckung der Animation  Starrkörperanimation  Physikalische Simulation  Partikelanimation  Zusammengesetzte Strukturen / Hierarchische Bewegung  Verhaltensgesteuerte Animation

4 Entdeckung der Animation (1)  1820: Peter Mark Roget veröffentlicht seinen Bericht ‚The Persistance of Vision with Regard to Moving Objects‘  Er stellt fest, dass das menschliche Auge ein Bild etwa 1/16 einer Sekunde lang in der Retina behält, auch wenn dieses Bild schon verschwunden ist  Gezeigt durch das Thaumatrope, 1824 erfunden von John A. Paris

5 Thaumatrope

6 Entdeckung der Animation (2)  Mit sehr schnell aufeinanderfolgenden, sich leicht verändernden Bildern kann der Eindruck von Bewegung gewonnen werden  1832: Phenakistoscope (Joseph Plateau)  1834: Zeotrope (William George Horner)

7 Entdeckung der Animation (3)  1919 Max Fleischer - ‚Feline Follies‘

8 Pixar - Luxo Jr.  Erster gerenderter Film

9 Struktur des Vortrags  Zielsetzung/Motivation  Entdeckung der Animation  Starrkörperanimation  Physikalische Simulation  Partikelanimation  Zusammengesetzte Strukturen / Hierarchische Bewegung  Verhaltensgesteuerte Animation

10 Starrkörperanimation  Im Englischen: Rigid Body Animation  Begriffsklärung Interpolation/Keyframing  Explizites Skripten  Umfasst Translation  und Rotation  Grundlegendste Art der Animation

11 Interpolation/Keyframing  Einige Schlüsselframes werden angegeben, der Computer soll die dazwischenliegenden Frames interpolieren  Lineare Interpolation oft nicht ausreichend

12 Alternativen zur linearen Interpolation  B-Splines bspline/ bspline/ omepage/Applets/applets/bspline/German Applet.html omepage/Applets/applets/bspline/German Applet.html  Explizites Skripten

13 Struktur des Vortrags  Zielsetzung/Motivation  Entdeckung der Animation  Starrkörperanimation  Physikalische Simulation  Partikelanimation  Zusammengesetzte Strukturen / Hierarchische Bewegung  Verhaltensgesteuerte Animation

14 Physikalische Simulation  Idee: Nutze Gesetze der Physik um realistische Bewegungen zu erzeugen  Auf Objekte wirken zB Schwerkraft, Beschleunigung, Luftwiderstand  Der Animator gibt für Objekte Masse, Startgeschwindigkeit, -beschleunigung, - richtung an  Der Computer simuliert und animiert die daraus folgende Bewegung

15 Probleme  Kontrolle nur über die Startwerte der Objekte  Komplexe Systeme sehr schwer zu modellieren  Problem der Inversen Dynamik

16 Struktur des Vortrags  Zielsetzung/Motivation  Entdeckung der Animation  Starrkörperanimation  Physikalische Simulation  Partikelanimation  Zusammengesetzte Strukturen / Hierarchische Bewegung  Verhaltensgesteuerte Animation

17 Partikelanimation  Wird benutzt zum Erstellen von Effekten wie  Explosionen  Feuer  Nebel  Wasser(dampf)  Sternenfenster

18 Was ist ein Partikel?  Eine sehr kleine Primitive (e.g. ein Wassertropfen, ein Sandkorn, ein Funken...)  Teil einer großen Menge von Partikeln  Entlang eines vorgegebenen Skriptes randomisierte Bewegung (Ausrichtung, Lebensdauer u.s.w...)

19 Attribute eines Partikels  Startposition  Startrichtung und Startgeschwindigkeit  Transparenz  Form  Lebensdauer

20 Durchzuführende Schritte pro Frame  Partikel deren Lebensdauer abgelaufen ist werden entfernt  Neue Partikel werden generiert  Den neuen Partikeln werden individuelle (randomisierte) Werte gegeben  Partikel werden bewegt (andere Werte wie Farbe oder Transparenz gegebenenfalls geändert)  Partikel werden gerendert

21 Beispielprogramm  In der Präsenation wurde an dieser Stelle das Programm „Fireworks“ gezeigt. Im Netz zu finden unter  Auf den folgenden Seiten ein Blick auf den Quelltext des Programms

22 Typdefinition const EXPLOSION_SIZE = 0.8; type TParticle = Record X, Y, Z : glFloat; dX, dY, dZ : glFloat; R, G, B : glFloat; end; TFirework = Record Particle : Array[0..127] of TParticle; Trail : Array[0..15] of TParticle; StartTime : Integer; Duration : Integer; Style : Integer; X, Y : glFloat; dX, dY : glFloat; end;

23 Procedure SetupFirework // exploding particles for I :=0 to 127 do with Firework[N].Particle[I] do begin if Firework[N].Style < 2 then R := (random/6 +0.4)/10*EXPLOSION_SIZE else R := (random/ )*EXPLOSION_SIZE; dX :=R*cos(I/10); dY :=R*sin(I/10); dZ :=R*cos(I/4); X :=dX; Y :=dY; Z :=dZ; if Clr = 0 then R :=random/ else R :=random/ if Clr = 1 then G :=random/ else G :=random/ ; if Clr = 2 then B :=random/ else B :=random/ ; end;

24 Struktur des Vortrags  Zielsetzung/Motivation  Entdeckung der Animation  Starrkörperanimation  Physikalische Simulation  Partikelanimation  Zusammengesetzte Strukturen / Hierarchische Bewegung  Verhaltensgesteuerte Animation

25 Zusammengesetzte Strukturen / Hierarchische Bewegung  Begriffsklärung:  Articulated Structures  Foward Kinematics  Inverse Kinematics  Motion Capturing

26 Articulated Structures (1)  Objekte mit Gelenken  Für die Animation eines solchen Objektes muss zunächst eine skelettartige Struktur modelliert werden

27 Articulated Structures (2)  Eine Gelenkhierarchie muss festgelegt werden

28 Articulated Structures (3)  Für jedes Gelenk müssen Freiheitsgrade festgelegt werden  Es gibt 6 Freiheitsgrade:  Bewegung entlang der X-Achse, Y-Achse, Z-Achse  Roll: Rotation um X-Achse  Pitch: Rotation um Y-Achse  Yaw: Rotation um Z-Achse

29 Forward Kinematics (1)

30 Forward Kinematics (2)

31 Forward Kinematics (3)

32 Hierarchische Bewegung  Forward Kinematics ist mit viel Aufwand verbunden  Idee: Keyframing für Articulated Structures

33 Inverse Kinematics (1)  Man gibt Keyframes des Objektes an  Computer interpoliert dazwischenliegende Frames  Interpolation bleibt dem Skelettbau und den Freiheitsgraden der Gelenke treu

34 Inverse Kinematics (2)

35 Inverse Kinematics (3)  Selbst bei Strukturen mit wenigen Gelenken gibt es oft verschiedene Wege einen Zielpunkt zu erreichen

36 Inverse Kinematics (4)  Kürzester Weg soll animiert werden  Oftmals viele gleichwertige Lösungen  Anzahl der Lösungen steigt exponential mit höherer Anzahl an Gelenken

37 Inverse Kinematics (5)  Vorteile:  Schlüsselframes genügen zum erzeugen einer animierten articulated Structure -> stark reduzierter Aufwand  Nachteile:  Bei komplexen Strukturen (viele Gelenke) Berechnung sehr aufwendig  Entzieht künstlerische Freiheit

38 Motion Capturing (1)  Einem Menschen (oder anderem Objekt mit Skelettstruktur) werden an für die benötigte Bewegung wichtigen Stellen Sensoren angebracht  Der Mensch läuft diese Bewegung durch, während die Positionswerte der Sensoren aufgezeichnet werden  Auf dieser Basis lassen sich natürliche Bewegungen im Computer rekonsturieren

39 Motion Capturing (2)  Beispiel eines real-time Motion Capturings  Man bemerke: Finger und Füße bleiben immer starr ausgerichtet

40 Motion Capturing (3)  Vorteile:  Menschliche Bewegungen mit vergleichsweise niedrigem Aufwand in hoher Qualtät  Nachteile:  Nur vorgefertigte Sequenzen

41 Struktur des Vortrags  Zielsetzung/Motivation  Entdeckung der Animation  Starrkörperanimation  Physikalische Simulation  Partikelanimation  Zusammengesetzte Strukturen / Hierarchische Bewegung  Verhaltensgesteuerte Animation

42 Verhaltensgesteuerte Animation  Animierte Figuren bewegen sich entsprechend ihres festgelegten Verhaltenskodex‘  Sind nur über diesen zu steuern, ähneln also Agenten  Nützlich für Computerspiele  Nützlich zB für die Animation von Tierherden (König der Löwen)

43 Fragen


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