Seminar Computergrafik Vortrag: Animation Betreut von Prof. Dr. E. Schömer, M. Hemmer Mirko Scherf 03.02.05

Übersicht Was ist Animation Bereiche der Animation Geschichte der Animation

Übersicht (2) - Animationskategorien Rigid Body animation Articulated Structure animation Facial Animation Dynamic simulations Particle animation Behavioural animation

Was ist Animation? Animate: To bring to life Animation: Mittels Bildserien den Eindruck von Bewegungen hervorrufen Computeranimation: Sequenz von computergenerierten Bildern Dritte Grundgröße der visuellen Wahrnehmung

Bereiche der Animation Animation betrifft nicht nur Bewegung, sondern alle Bereiche mit visuellem Effekt Gestalt/Form Farbe Transparenz Textur Beleuchtung Kameraposition Orientierung Blickfeld

Geschichte der Animation 1824 Peter Mark Roget publiziert „Persistence of vision with regard to moving objects“ Wahrnehmung visueller Reize Schnelle Sequenz von Bildern erscheint als Bewegung

Geschichte der Animation (2) 1825: Traumatrope 1834: Zoetrope

Geschichte der Animation (3) 1899 Arthur Melbourne-Cooper entwickelt die erste Filmanimation „Matches: An Appeal“ 1900 James Stuart Blackton produziert die erste Cartoonanimation „The Enchanted Drawing“

Geschichte der Animation (4) 1914 „Gertie, the trained Dinosaur“ von Windsor McCay

Geschichte der Animation (5) 1915 Earl Hurd entwickelt die „Cel-Animation“ 1922 Gründung der Disney Studios 1928 Disney‘s „Steamboat Willie“ 1932 Willis O‘Brien produziert „King Kong“; großer Durchbruch der Stop-Motion-Technik

Geschichte der Animation (6) 1965 Edward Zajac verwendet erstmals den Begriff „Computer Animation“ 1974 Peter Foldes gewinnt „The Hunger“ einen Preis in Cannes 1982 Disney produziert „Tron“ 1986 Pixar Inc. Produziert „Luxo Jr.“

Geschichte der Animation (7) 1991 James Cameron‘s „Terminator 2“ 1993 Steven Spielberg‘s „Jurassic Park“ 1995 Pixar produziert „Toy Story“ 2001 Hironobu Sakaguchi‘s „Final Fantasy“

Rigid Body animation Begriffserklärung Translation Rotation Keyframing/Interpolation Rotation Quaternionen Slerping

Was ist Rigid Body animation? Einfachste und allgegenwärtigste Form Wird von allen anderen Kategorien benutzt Bewegung durch Bewegen des Objekts und/oder Bewegen der virtuellen Kamera Wird routiniert durch Keyframing

Keyframing Zeichnen der Schlüsselbilder einer Sequenz Markieren wichtige visuelle Übergänge Erzeugen der Zwischenbilder: In-Between Interpolation

Lineare Interpolation (lerping) Einfachste Interpolationstechnik Weitere interpolierbare Attribute Rotation Farbe Transparenz Beleuchtung Gestalt/Form Kamera Brennweite

Lineare Interpolation (2) Probleme Mehr Keyframes nötig Unrealistische Bewegungen Lösung Interpolation um einen gebogenen Weg erweitern

Spline Interpolation

Spline Interpolation (2) Problem Physikalische Gesetze können verletzt werden Lösung Mehr Stützpunkte

Spline Interpolation (3) Problem Keine Aussage über die Geschwindigkeit Lösung Positionsveränderung in Abhängigkeit der Zeit festlegen

Vor- und Nachteile der Interpolation Vorteile Animator hat volle Kontrolle über die Animation Arbeitsaufwand wird reduziert Nachteile Schwer, realistische Interaktionen durchzuführen Schwer, große dynamische Umgebungen zu spezifizieren

Rotationen Positionselemente können unabhängig interpoliert werden Rotationselemente nicht, da die Untermatrix A (3x3) orthonormal sein muss Hier helfen die Quaternionen

Quaternionen Rotationen werden beschrieben durch das Einheitsquaternion a + b*i + c*j + d*k a,b,c,d reelle Zahlen a² + b² + c² + d² = 1 Um die vier Unbekannten von q = [a,b,c,d] zu erhalten, bilde Achsenvektor v = [x,y,z] Winkel phi

Spherical Interpolation Interpolation zwischen Quaternionen: Pfad auf der 4D-Kugel folgen, der die beiden Punkte verbindet Dies wird als Spherical Interpolation bezeichnet Zur Vereinfachung: 4D-Einheitskugel als 2D-Einheitskreis vorstellen

Spherical Interpolation P = α*A + β*B |P| = 1 A*B = cos Ω A*P = cos θ P = A* sin(Ω-θ)/sinΩ + B* sinθ/sinΩ

Spherical Interpolation P = A* sin(Ω-θ)/sinΩ + B* sinθ/sinΩ

Nachteile von Quaternionen Rotation um v mit Winkel Q entspricht Rotation um –v mit Winkel –Q  Mehrdeutigkeit des Weges Lösung: nimm den kürzesten Weg Rotation um 360° wird durch das selbe Quaternion zu einem späteren Zeitpunkt dargestellt, wie auch bei einer Rotation um 0°  erzeugt Probleme beim Keyframing Lösung: Mehr Kontrollpunkte

Articulated Structures Begriffserklärung Animation von Articulated Structures Vorwärtskinematik Inverse Kinematik Motion Capture

Begriffserklärung Gelenkstrukturen/-hierarchien Articulated = gelenk-verbunden Articulated Figures = skelettale Figuren Zweibeiner Vierbeiner

Glieder Körperglieder haben eigenes Koordinatensystem Gelenk zum Elternglied Verweise auf Kinderglieder geometrische Beschreibung

Gelenke 6 Freiheitsgrade pro Gelenk Gelenkbegrenzungen Translation entlang der drei Achsen Rotation entlang der drei Achsen Roll (x-Achse) Pitch (y-Achse) Yaw (z-Achse) Gelenkbegrenzungen

Bewegung Kinematik Behandlung von Gesetzmäßigkeiten, die die Bewegung von Körpern rein geometrisch beschreiben ohne Rücksicht auf die Ursache der Bewegung Man kann mit Vorwärtskinematik oder mit Inverser Kinematik arbeiten

Vorwärtskinematik Gelenkwerte werden vorgegeben, Position daraus errechnet Jeder Knoten erbt Bewegungen aller Knoten über ihm in der Hierarchie Animator arbeitet bei Wurzel an und arbeitet sich durch (Top-Down-Prinzip) gibt komplette Kontrolle über die Animation

Nachteile Verletzung physikalischer Eigenschaften möglich ( Nachbesserung notwendig) Komplexe Bewegungen (z.B. Kampfszene) wird enorm kompliziert Für ein Menschenmodell werden allgemein ca. 200 DOF insgesamt benötigt. Ist langwierig und extrem zeitaufwendig. Nachbesserungen müssen nach dem Top-Down Prinzip durchgeführt werden

Keyframing im 3D Idee: Keyframing für Articulated Structures Bei Vorwärtskinematik: Interpolation zwischen den Gelenkwerten Probleme Weiterhin erheblicher Aufwand die Positionen per Hand festzulegen Bewegungen meist unrealistisch

Inverse Kinematik Es werden nur die Endeffektoren gesetzt, Daraus berechnet sich die Position der Figur Zwischen verschiedenen Positionen wird dann interpoliert  stark reduzierter Aufwand für den Animator Dabei: Erhalt der Struktur

Nachteile Positionen der Endeffektoren evtl. nicht zulässig Bewegung zwischen Positionen evtl. nicht zulässig Schon bei geringer Anzahl von Gelenken existieren unendlich viele Wege Sehr hoher Berechnungsaufwand.

VK vs. IK Vorwärtskinematik spezifiziert Winkel Inverse Kinematik spezifiziert Positionen im Raum mit zwei Gelenken gibt es zwei mögliche Bewegungen für komplexe Probleme kann es unendlich viele geben Kompliziertere Struktur VK: mehr Aufwand IK: schwierigerer Ansatz, evtl. unmöglich Möglichkeiten für den Modellierer VK: elementare Bewegungen Komplexität für den Programmierer VK: prinzipiell simpel IK: nur Stellung der Endpunkte

Motion Capture beschreibt den Vorgang, die Bewegungen mit Hilfe von Sensoren zu erfassen und in computerlesbare Form zu überführen. Ermöglich realistischere Bewegungen Arbeitet ohne VK oder IK

Motion Capture (2) Bewegungen können auf Articulated Structures angepasst werden

Facial animation Schwierigkeiten Interpolation von Gesichtsmodellen FACS Regeln der Facial animation

Schwierigkeiten Integration. Glaubwürdige Modelle müssen folgende Bewegungen Integrieren: Einfache globale Kopfbewegungen Einfache Augenbewegungen Komplexe Deformation von verschiedenen Gesichtsteilen Sprache; Kiefer, Lippen, Zunge Arm- und Handgesten zur Sprachunterstützung

Schwierigkeiten (2) Einzigartigkeit Renderqualität einfaches Bekleben mit Texturemaps reicht nicht aus um einzigartige Identitäten zu erzeugen Renderqualität Hautshader ist sehr schwer zu programmieren

Interpolation von Gesichtsmodellen 1972 Frederik Parke Entwicklung von 3D-Wireframe Modellen Animierung durch Interpolation zwischen verschiedenen Ausdrücken (wie Keyframing) Parametrisierung

FACS Steht für „Facial Action Coding Script“ 1969 von Ekmann und Friesen erfunden Gesichtsaktivität als Menge von Basisaktionen (AU = Action Units) Basieren auf der Gesichtsanatomie Ergebnis einer oder mehrerer Muskelbewegungen 60 AUs vorhanden Können jeden Gesichtsausruck beschrieben

Regeln der Facial animation Reale Entsprechung  Mehr Beachtung von Details Wichtige Gesichtszüge Augen, Mund, Augenbrauen, Augenlider Unwichtigste Gesichtszüge Backen, Nase, Zunge, Ohren, Haare Vermeide „Zwillinge“

Beispiel Facial animation Beispiel [http://www.cs.dartmouth.edu/~brd/Teaching/Animation/video/bruce_lee.mpg]

Dynamic simulation Benutzen von physikalischen Gesetzen um Bewegung zu simulieren Motivation: Realistischere Ergebnisse Objekte haben physikalische Eigenschaften Masse Kräfte

Dynamic simulation (2) Vorteile Nachteile Interaktionen sind automatisch realistisch große dynamische Umgebungen sind möglich Systeme mit komplexen Zwischenbeziehungen sind möglich Nachteile Entzug künstlerischer Kontrolle Schwer vorrauszusagen was bezüglich der Startbedingungen herauskommt Schwer bestimmte Verhalten oder Ereignisse zu erhalten

Beispiel Dynamic simulation Beispiel [www.cs.unc.edu\~hirota\290/balchoc0.mpg]

Particle animation Was ist ein Partikel? Einsatzgebiete Eigenschaften von Partikeln Arbeitsschritte pro Frame

Was ist ein Partikel? Sehr kleine Primitive Einzelpartikel beschreibt keine Animation Gesamtbild simuliert Erscheinungen Partikel sind voneinander unabhängig

Einsatzgebiete Feuerwerk Feuer Wasserfälle Wolken Nebel Rauch …

Eigenschaften von Partikeln Position Geschwindigkeit und Richtung Größe Farbe Reibung Transparenz Form Lebenszeit Generatorpartikel Gravitation kann berücksichtigt werden

Arbeitsschritte pro Frame Generierung neuer Partikel Neue Partikel erhalten initiale (zufällige) Eigenschaften Partikel, deren Lebenszeit zu Ende ist, werden gelöscht Aktuelle Partikel werden gemäß ihres Skripts verändert Aktuelle Partikel werden gerendert

Beispiel Particle animation Beispiel [http://wwwcg.in.tum.de/Research/data/uberflow.avi]

Behavioural animation Modellierung des Objektverhaltens Verhalten ist komplexer als Bewegung Verhaltensregeln Entwicklung räumlicher Beziehungen Objekte sind eigenständige Agenten Modellierung von Schwärmen und Herden

Wahrnehmung der Agenten

Verhaltensregeln Halte Abstand zu Nachbarn (Separation) Folge der Herdenbewegung (Alignment) Bewege dich in die Mitte der Nachbarn (Cohesion)

Beispiele für Behavioural animation [www.siggraph.org/education/materials/HyperGraph/animation/3cr.mov] Beispiel 2 [http://www.cgl.uwaterloo.ca/~gpoirier/cs888/preying_small.avi]

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Gibt es noch Fragen?