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

Übersicht 3D Modellierungsgrundlagen 3D Animation Characteranimation Motion Capture Verfahren

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

Einleitung Welches Glas ist real ?

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

Vertices 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 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

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

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

Polygone 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

Edgesproblem 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

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

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

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

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

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

Schnittmenge 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

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

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

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

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

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

Koordinaten-/Bezugssystem XY System aus der Schule bekannt 3D Animation braucht eine zusätzliche Z- Achse 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

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

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

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

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

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

Praktische Übung

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

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

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

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

Partikelsysteme 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

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

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

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

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

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

Characteranimation 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

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

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

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

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

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

Optische Systeme 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 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

Magnetische Systeme 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 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 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

Mechanische Systeme 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 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

Vergleich aller Systeme Magnetisch Optisch Mechanisch Hardwareanforderung 3 Transmitter 6-14 Receiver 3 Kameras Marker und Strahler Anzug mit Gestänge Softwareanforderung Mittel Komplex Einfach Samplingrate 120 Hz 250 Hz 60-240 Hz Reichweite 9m 40m 50-1000m Verzerrungsfrei Nein Ja Kalibrierung Aufwendig Leicht Mehrere Personen Ja, aber Interferenzen Nein, wegen Verdeckung Ja, aber Einschränkungen durch Gestänge Beweglichkeit Einschränkung durch Kabel/Rucksack Sehr gut Kosten 5.000-150.000 EUR 100.000-250.000 EUR 5.000 EUR

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

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

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

Einsatzgebiete 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

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