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3D/Characteranimation Roman Schieferstein (Großes MM-Seminar) WS 2003.

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Präsentation zum Thema: "3D/Characteranimation Roman Schieferstein (Großes MM-Seminar) WS 2003."—  Präsentation transkript:

1 3D/Characteranimation Roman Schieferstein (Großes MM-Seminar) WS 2003

2 3D Modellierungsgrundlagen 3D Animation Characteranimation Motion Capture Verfahren Übersicht

3 Bildgestaltung wird durch moderne Computer revolutioniert Realistisches Animieren und Realisieren von virtuellen Szenen durch immer bessere Hardware Immer kostengünstigere Realisierung durch laufend verbesserte Soft- und Hardware Qualität ermöglicht fast kein Unterscheiden mehr zwischen echt und virtuell Neue Möglichkeiten für Visualisierung und Effekte z.B. fürs Kino Einleitung

4 Welches Glas ist real ? Einleitung

5 Edges - Kanten Wie ein echtes Glas aus vielen kleinen Atomen besteht, besteht ein virtuelles Glas ebenfalls aus vielen Kleinteilen Vertex – Vertices Faces - Flächen Polygone - Vielecke Grundlagen

6 Was bei einem echten Apfel die Atome sind, sind beim virtuellen die Vertices Ein Vertex ist eine 3D Raumkoordinate Nicht sichtbar im Endbild, nur zur Modellierung Vertices sind markante Endpunkte der Oberfläche Vertices

7 Ein Modell kann aus sehr vielen Vertices bestehen bis zur endgültigen Form Für die komplexen Anordnungen gibt es spezielle Modellierverfahren, man setzt nicht jeden Vertex manuell Vertices

8 Eine Kante ist eine direkte Verbindung zweier Vertices Wichtig für Low Polygon Modeling Falsch gesetzte Kanten können die Oberfläche negativ beeinflussen Edges

9 Immer dreieckige Gebilde Sie sind Teil eines Polygons Desto mehr Faces, desto glatter und besser das Modell Viele Faces brauchen viel Rechenzeit beim Rendern Faces

10 Sichtbare Flächen des Modellgitters Ein Polygon hat mindestens 3 Vertices oder mehr Alle Polygone ergeben das fertige Modell/Mesh Polygone fassen angrenzende Faces einer Ebene aus Performancegründen zusammen Polygone

11 Kein Problem, wenn alle Vertices eines Polygons in einer Ebene liegen Problem dann, wenn Vertices auf unterschiedlichen Ebenen im Raum liegen Folgen: Die Oberfläche folgt nicht mehr dem geometrischen Fluss Fällt auf bei Low Poly Modellen, bei High Poly Modellen weniger Edgesproblem

12 Grundkörper sind fertig modellierte Objekte Viele reale Objekte bestehen aus Grundkörpern Kombination von Grundkörpern lässt neue Objekte entstehen Schnell modellierbar durch Parametereingabe in der Software wie z.B. der Radius Grundkörper

13 Eine Tasse besteht z.B. aus 2 Zylindern und einem Stück Rohr Beispiel: Eine Tasse. Aus welchen einfachen Grundkörpern besteht sie ? Grundkörper

14 Sie werden auch boolsche Operationen genannt und ermöglichen z.B.: Zusammenführen zweier Objekte Abziehen zweier Objekte Schnittmenge zweier Objekte So lassen sich recht komplexe Modelle erstellen Zusammengesetzte Objekte

15 Addition zweier Objekte heisst, der Volumeninhalt beider Objekte wird kombiniert Die Verticsstrukturen werden zu einem Netz/Objekt und der Schnittbereich der Vertics entfällt Addition

16 Das Boole'sche Objekt enthält den Volumeninhalt eines Ursprungsobjekts abzüglich des Schnittmengenvolumens. Die Verticsstrukturen werden um die Schnittmenge reduziert und um die Schnittfläche erweitert Subtraktion

17 Das fertige Objekt enthält nur den gemeinsamen Inhalt der beiden Einzelobjekte, also der Bereich, in dem sie sich überschneiden Die Verticsstrukturen werden auf die Schnittmenge reduziert Schnittmenge

18 Texturen sind Bilder oder Videos, die auf die Oberfläche gelegt werden Sie geben dem Modell ihr realistisches Aussehen Man nimmt also das Rohmodell… …wählt eine Textur aus… …und legt die Textur auf die Oberfläche + = Texturen

19 Abhilfe: Zuweisung von Teilbereichen der Textur an Polygone Einfache Texturzuweisung ermöglicht keine präzise Detailplatzierung Problem für präzise Detailzuordnung Polygone werden auf der Textur an der richtigen Stelle platziert Komplexe Texturen

20 Zum Schluss wird es mit Texturen versehen und kann nun animiert werden. Dann wird das Rohmodell optimiert und geglättet. 3D Modellierung zielt darauf ab, ein Polygongitter zu erstellen Modellbeispiel

21 Sichtbar durch kleine Änderungen von Bild zu Bild Animation bedeutet Bewegung Nach PAL Standard 25 Bilder/Sekunde Unser Auge nimmt etwas als flüssig/ animiert wahr ab ca. 15 Bildern pro Sekunde 3D technisch gesehen heißt Animation, Objekteigenschaften wie Position und Parameter zeitlich zu verändern Was ist 3D Animation

22 1. Objektanimation Was ist 3D Animation 3D Animation lässt sich in 2 Gruppen teilen 2. Kameraanimation

23 3D Animation braucht eine zusätzliche Z- Achse XY System aus der Schule bekannt Dient der Orientierung im Raum und zur Bestimmung von Strecken Basiskoordinatensystem ist unveränderbar Jedes Objekt hat ein lokales K.System Das lokale folgt einer Bewegung und Drehung Koordinaten-/Bezugssystem

24 Standardmäßig links/rechts, oben/unten, vorne/hinten und eine perspektivische Ansicht 3D Software hat die 4 Fenstersicht Weitere Orientierungshilfen

25 Ghostbilder zeigen ein paar Bilder des Objektes vor oder nach der aktuellen Zeit Anzeigen von Bewegungsbahnen von Objekten Bei vielen Objekten geht jedoch die Übersicht verloren Hilft der Bewegungsanalyse Vorteil:das gesamte Objekt ist zu sehen Große Abstände deuten auf schnelle Bewegung, kleine auf langsame hin Weitere Orientierungshilfen

26 In der Animation werden die gespeicherten Werte zu diesem Zeitpunkt wiederhergestellt Ein Keyframe speichert Werte wie Größe, Position und sämtliche Objektparameter Für eine Animation sind mindestens 2 Keys notwendig Jede Animationssoftware bietet die Keyframeanimation an Keyframes

27 Keyframing spart Speicher zu Lasten eines höheren Rechenaufwands Bilder zwischen 2 Keyframes werden interpoliert Wie sich Werte zwischen 2 Keys verändern, wird durch die Keydynamik bzw. Animationskurven festgelegt Keyframes speichern Parameter, die eine hohe Aussagekraft über den Bewegungsverlauf aussagen Keyframes

28 1. Automatisch weiche Übergänge Keydynamik legt fest ob Objektwerte von Key zu Key konstant oder gedämpft übergehen. Die 6 typischen Beispiele sind: 2. Konstante Übergänge 3. Harte Übergänge Ein Key kann 2 Charakteristiken haben für den Eingang und Ausgang 4. Sanft abbremsen/ beschleunigen 5. Schnell abbremsen/ beschleunigen 6. Benutzerdefinierte Kurvendynamik Keydynamik

29 Praktische Übung

30 Animationskurven Wie verhält sich der Ball bei dieser Animationskurve ? Lösung: Konstante Bewegung

31 Animationskurven Wie verhält sich der Ball bei dieser Animationskurve ? Lösung: Gedämpfte Bewegung

32 Wie verhält sich der Ball bei dieser Animationskurve ? Animationskurven Lösung: Harte Bewegung

33 Wie verhält sich der Ball bei dieser Animationskurve ? Lösung: Realistische Bewegung (kombinierte Dynamik) Animationskurven

34 Sie ermöglichen die Animation von nicht Greifbarem wie - Wasser - Feuer - Funken - Rauch Typische Parameter sind: - Partikelanzahl pro Sekunde - Geschwindigkeit und Richtung der Partikel - Größe der Partikel Partikelsysteme

35 Man unterscheidet 2 Arten von Partikelemittern Die Festemitter z.B. kleiner Zylinder Objektbezogene Emitter Partikelemitter

36 Die Partikel selber können verschiedene Formen haben - Tropfenform (für z.B. Wasser) - Strichform (für z.B. Funken) - Quaderform (für z.B. Feuer) Partikel

37 Partikel können Texturen erhalten Partikel können beeinflusst werden durch Modifikatoren wie: - Schwerkraft - Wind - Deflektoren Partikel

38 Ein fertiges Feuerbeispiel. Verwendet wurde: - Wind - Objektemitter - Quaderpatikel - Partikeltextur Partikel Beispiel

39 Simulation von Fabriksystemen Planung von Erweiterungen Systemfehler frühzeitig erkennen Planen und Realisieren von Gebäuden Kosten und Material- berechnung durch 3D Bausoftware Virtueller Lauf durch das Haus vor dem Bau Anwendungsgebiete

40 Maschinenbau Milimetergenaue Visualisierung von Maschinenteilen Funktionstests wie würden sich Teile verhalten Unfallrekonstruktion Auswertung von Black Box Daten Visualisierung des Unfallhergangs Anwendungsgebiete

41 Ist die königliche Spitze der 3D Animation Beschäftigt sich mit der Animation von Lebewesen aller Art wie: - Menschen - Roboter / Maschinen - Tiere - animierte Gegenstände Erfordert Kenntnisse über die Anatomie der Figur Setzt perfekte Kenntnisse der 3D Grundlagen voraus für realistisches Animieren Characteranimation

42 Benötigt wird sehr leistungsfähige Hardware Berechnungen von Animationen in NT Clustern Meistverwendete Animationssoftware: - SoftImage 3D - Maya - 3D Studio MAX Grafikperformance sehr wichtig Hard- / Software

43 Das Modell muß wie ein echter Mensch mit einem einfachen Skelett versehen werden Zum Animieren wird das Skelett animiert und das Modell folgt dem Skelett Das Skelett legt grundlegende Bewegungsparameter fest Die Skelettstruktur ähnelt der echten Anatomie Skelett

44 Kinematik – ein Teil dreht und mehrere folgen Bei der Inversen Kinematik bewegt man IK zum Ziel, und der Rest folgt automatisch Hilft beim manuellen Animieren ohne Motion Capture Daten Bei der Forward Kinematik muß Arm 1,2,3 gedreht werden um das Ziel zu erreichen Problem der IK: Das Ziel kann mehrere Ausgangsstellungen haben. Abhilfe durch Winkelbeschränkung Kinematik

45 Das schwierigste ist, eine Figur real zu animieren Motion Capture zeichnet reale Bewegungsabläufe auf von Personen, Tieren oder Maschinen Je realistischer die Figur, desto kritischer bewertet der Zuschauer seine Bewegungen Einfaches Laufen ist bereits bei Mann und Frau unterschiedlich Zur Erfassung haben sich 3 Verfahren bewährt: Optische, magnetische und mechanische Systeme Motion Capture

46 3 Kameras verfolgen die Markierungen Infrarotlicht bestrahlt die Marker Der Akteur trägt einen Anzug mit Markierungen an allen wichtigen Stellen Die Kameras werden genau vermessen mit Abstand und Winkel Optische Systeme

47 Jede Kamera schaut auf einer Achse Der überlappende kubische Bereich ist der mögliche Aktionsraum Zu jedem verfolgten Marker errechnet der Computer anhand der Positionsdaten der Kameras die Markerposition Optische Systeme

48 Größtes Problem: Verdeckung von Markern verhindert das Verfolgen Dadurch keine Interaktion mit zweiter Person Verdeckung erfordert Nachbearbeitung der Daten Durch Verdeckungen nicht echtzeitfähig Durch die Optik sehr genau und hohe Captureraten möglich Optische Systeme

49 Der Akteur trägt einen Anzug mit Hall Sensoren an allen wichtigen Stellen Der Akteur bewegt sich in 3 tiefrequenten Magnetfeldern Die Sensoren messen die Laufzeit vom Einschalten des Feldes bis zum Empfangen und senden die Zeit an den Zentralrechner Anhand aller Laufzeiten kann der Sensor im 3D Raum bestimmt werden Magnetische Systeme

50 Der Zentralrechner schaltet alle 3 Felder kurz nacheinander ein und aus Im Rucksack werden alle Laufzeiten aufgezeichnet und übermittelt (Funk) Übermittlung per Funk oder Kabel Anhand aller Laufzeiten, Positionsdaten und Winkel der Sendeeinheiten wird die Raumkoordinate berechnet Magnetische Systeme

51 Nachteil: das Magnetfeld lässt sich schnell durch Metallteile stören Capturerate geringer als optische Systeme Vorteile: Das System ist echtzeitfähig Keine Probleme durch Verdeckung von Sensoren, dadurch keine Nachbearbeitung nötig Mehrere Akteure möglich Magnetische Systeme

52 Brauchen kein Bezugssystem Arbeiten autonom oder per Kabel Bewegung wird direkt am Körper gemessen durch elektromechanische Sensoren Veränderung des Widerstands im Sensor bedeutet Bewegung Mechanische Systeme

53 Nachteil: Sperrig durch das Gerüst, keine Kampfszene etc. Da kein Bezugssystem vorhanden wird die reine Körperbewegung aufgezeichnet. Springt man muß der räumliche Aspekt später eingefügt werden. Vorteile: Keine räumliche Bindung oder Studio notwendig Echtzeitfähig und schnelle Captureraten möglich Mechanische Systeme

54 MagnetischOptischMechanisch Hardwareanforderung 3 Transmitter 6-14 Receiver 3 Kameras Marker und Strahler Anzug mit Gestänge Softwareanforderung MittelKomplexEinfach Samplingrate 120 Hz250 Hz Hz Reichweite 9m40m m Verzerrungsfrei NeinJa Kalibrierung Aufwendig Leicht Mehrere Personen Ja, aber InterferenzenNein, wegen Verdeckung Ja, aber Einschränkungen durch Gestänge Beweglichkeit Einschränkung durch Kabel/Rucksack Sehr gutEinschränkungen durch Gestänge Kosten EUR EUR5.000 EUR Vergleich aller Systeme

55 Zuerst werden die Rohdaten gecaptured durch die Akteure Motion Capture am Beispiel

56 Dann können die Rohdaten dem Skelett zugeordnet werden Motion Capture am Beispiel

57 Zum Schluß werden Ton, Szenerie und Modelle zugeordnet Motion Capture am Beispiel

58 Kinofilme / Werbung Aliens oder Gegenstände laufen und sprechen lassen Animation von Bewegungen die für Menschen nicht möglich ist (z.B. Matrix) Computerspiele Realistisches Bewegen von Spielcharakteren Zwischensequenzen Einsatzgebiete

59 Welches Glas ist real ? …das rechte Glas. Das Finale


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