3D/CharacteranimationRoman Schieferstein(Groes MM-Seminar)WS 2003

bersicht3D Modellierungsgrundlagen3D AnimationCharacteranimationMotion Capture Verfahren

EinleitungBildgestaltung wird durch moderne Computer revolutioniertRealistisches Animieren und Realisieren von virtuellen Szenen durch immer bessere HardwareImmer kostengnstigere Realisierung durch laufend verbesserte Soft- und HardwareQualitt ermglicht fast kein Unterscheiden mehr zwischen echt und virtuellNeue Mglichkeiten fr Visualisierung und Effekte z.B. frs Kino

EinleitungWelches Glas ist real ?

GrundlagenEdges - KantenWie ein echtes Glas aus vielen kleinen Atomen besteht, besteht ein virtuelles Glas ebenfalls aus vielen KleinteilenVertex VerticesFaces - FlchenPolygone - Vielecke

VerticesWas bei einem echten Apfel die Atome sind, sind beim virtuellen die VerticesEin Vertex ist eine 3D RaumkoordinateNicht sichtbar im Endbild, nur zur ModellierungVertices sind markante Endpunkte der Oberflche

VerticesEin Modell kann aus sehr vielen Vertices bestehen bis zur endgltigen FormFr die komplexen Anordnungen gibt es spezielle Modellierverfahren, man setzt nicht jeden Vertex manuell

EdgesEine Kante ist eine direkte Verbindung zweier VerticesWichtig fr Low Polygon ModelingFalsch gesetzte Kanten knnen die Oberflche negativ beeinflussen

FacesImmer dreieckige GebildeSie sind Teil eines PolygonsDesto mehr Faces, desto glatter und besser das ModellViele Faces brauchen viel Rechenzeit beim Rendern

Sichtbare Flchen des ModellgittersEin Polygon hat mindestens 3 Vertices oder mehrAlle Polygone ergeben das fertige Modell/MeshPolygone fassen angrenzende Faces einer Ebene aus Performancegrnden zusammenPolygone

EdgesproblemKein Problem, wenn alle Vertices eines Polygons in einer Ebene liegenProblem dann, wenn Vertices auf unterschiedlichen Ebenen im Raum liegenFolgen: Die Oberflche folgt nicht mehr dem geometrischen FlussFllt auf bei Low Poly Modellen, bei High Poly Modellen weniger

GrundkrperGrundkrper sind fertig modellierte ObjekteViele reale Objekte bestehen aus GrundkrpernKombination von Grundkrpern lsst neue Objekte entstehenSchnell modellierbar durch Parametereingabe in der Software wie z.B. der Radius

Grundkrper Eine Tasse besteht z.B. aus 2 Zylindern und einem Stck Rohr

Beispiel: Eine Tasse.Aus welchen einfachen Grundkrpern besteht sie ?

Zusammengesetzte ObjekteSie werden auch boolsche Operationen genannt und ermglichen z.B.:Zusammenfhren zweier ObjekteAbziehen zweier ObjekteSchnittmenge zweier ObjekteSo lassen sich recht komplexe Modelle erstellen

AdditionAddition zweier Objekte heisst, der Volumeninhalt beider Objekte wird kombiniertDie Verticsstrukturen werden zu einem Netz/Objekt und der Schnittbereich der Vertics entfllt

SubtraktionDas Boole'sche Objekt enthlt den Volumeninhalt eines Ursprungsobjekts abzglich des Schnittmengenvolumens. Die Verticsstrukturen werden um die Schnittmenge reduziert und um die Schnittflche erweitert

SchnittmengeDas fertige Objekt enthlt nur den gemeinsamen Inhalt der beiden Einzelobjekte, also der Bereich, in dem sie sich berschneiden Die Verticsstrukturen werden auf die Schnittmenge reduziert

Texturen sind Bilder oder Videos, die auf die Oberflche gelegt werdenSie geben dem Modell ihr realistisches AussehenMan nimmt also das Rohmodellwhlt eine Textur ausund legt die Textur auf die Oberflche+=Texturen

Komplexe TexturenAbhilfe: Zuweisung von Teilbereichen der Textur an PolygoneEinfache Texturzuweisung ermglicht keine przise DetailplatzierungProblem fr przise DetailzuordnungPolygone werden auf der Textur an der richtigen Stelle platziert

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

Was ist 3D AnimationSichtbar durch kleine nderungen von Bild zu BildAnimation bedeutet BewegungNach PAL Standard 25 Bilder/SekundeUnser Auge nimmt etwas als flssig/ animiert wahr ab ca. 15 Bildern pro Sekunde3D technisch gesehen heit Animation, Objekteigenschaften wie Position und Parameter zeitlich zu verndern

Was ist 3D Animation1. Objektanimation3D Animation lsst sich in 2 Gruppen teilen2. Kameraanimation

Koordinaten-/Bezugssystem3D Animation braucht eine zustzliche Z- AchseXY System aus der Schule bekanntDient der Orientierung im Raum und zur Bestimmung von StreckenBasiskoordinatensystem ist unvernderbarJedes Objekt hat ein lokales K.SystemDas lokale folgt einer Bewegung und Drehung

Weitere OrientierungshilfenStandardmig links/rechts, oben/unten, vorne/hinten und eine perspektivische Ansicht3D Software hat die 4 Fenstersicht

Weitere OrientierungshilfenGhostbilder zeigen ein paar Bilder des Objektes vor oder nach der aktuellen ZeitAnzeigen von Bewegungsbahnen von ObjektenBei vielen Objekten geht jedoch die bersicht verlorenHilft der BewegungsanalyseVorteil:das gesamte Objekt ist zu sehenGroe Abstnde deuten auf schnelle Bewegung, kleine auf langsame hin

KeyframesIn der Animation werden die gespeicherten Werte zu diesem Zeitpunkt wiederhergestelltEin Keyframe speichert Werte wie Gre, Position und smtliche ObjektparameterFr eine Animation sind mindestens 2 Keys notwendigJede Animationssoftware bietet die Keyframeanimation an

KeyframesKeyframing spart Speicher zu Lasten eines hheren RechenaufwandsBilder zwischen 2 Keyframes werden interpoliertWie sich Werte zwischen 2 Keys verndern, wird durch die Keydynamik bzw. Animationskurven festgelegtKeyframes speichern Parameter, die eine hohe Aussagekraft ber den Bewegungsverlauf aussagen

Keydynamik 1. Automatisch weiche bergngeKeydynamik legt fest ob Objektwerte von Key zu Key konstant oder gedmpft bergehen. Die 6 typischen Beispiele sind: 2. Konstante bergnge 3. Harte bergngeEin Key kann 2 Charakteristiken haben fr den Eingang und Ausgang 4. Sanft abbremsen/ beschleunigen 5. Schnell abbremsen/ beschleunigen 6. Benutzerdefinierte Kurvendynamik

Praktische bung

AnimationskurvenWie verhlt sich der Ball bei dieser Animationskurve ?Lsung: Konstante Bewegung

AnimationskurvenWie verhlt sich der Ball bei dieser Animationskurve ?Lsung: Gedmpfte Bewegung

AnimationskurvenWie verhlt sich der Ball bei dieser Animationskurve ?Lsung: Harte Bewegung

AnimationskurvenWie verhlt sich der Ball bei dieser Animationskurve ?Lsung: Realistische Bewegung(kombinierte Dynamik)

PartikelsystemeSie ermglichen die Animation von nicht Greifbarem wie- Wasser- Feuer- Funken- RauchTypische Parameter sind:- Partikelanzahl pro Sekunde - Geschwindigkeit und Richtung der Partikel- Gre der Partikel

PartikelemitterMan unterscheidet 2 Arten von Partikelemittern Die Festemitter z.B. kleiner ZylinderObjektbezogene Emitter

PartikelDie Partikel selber knnen verschiedene Formen haben- Tropfenform (fr z.B. Wasser)- Strichform (fr z.B. Funken)- Quaderform (fr z.B. Feuer)

PartikelPartikel knnen Texturen erhaltenPartikel knnen beeinflusst werden durch Modifikatoren wie:- Schwerkraft- Wind - Deflektoren

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

AnwendungsgebieteSimulation von FabriksystemenPlanung von ErweiterungenSystemfehler frhzeitig erkennenPlanen und Realisieren von GebudenKosten und Material- berechnung durch 3D BausoftwareVirtueller Lauf durch das Haus vor dem Bau

AnwendungsgebieteMaschinenbauMilimetergenaue Visualisierung von MaschinenteilenFunktionstests wie wrden sich Teile verhaltenUnfallrekonstruktionAuswertung von Black Box DatenVisualisierung des Unfallhergangs

CharacteranimationIst die knigliche Spitze der 3D AnimationBeschftigt sich mit der Animation von Lebewesen aller Art wie: - Menschen - Roboter / Maschinen - Tiere - animierte GegenstndeErfordert Kenntnisse ber die Anatomie der FigurSetzt perfekte Kenntnisse der 3D Grundlagen voraus fr realistisches Animieren

Hard- / SoftwareBentigt wird sehr leistungsfhige HardwareBerechnungen von Animationen in NT ClusternMeistverwendete Animationssoftware: - SoftImage 3D - Maya - 3D Studio MAXGrafikperformance sehr wichtig

SkelettDas Modell mu wie ein echter Mensch mit einem einfachen Skelett versehen werdenZum Animieren wird das Skelett animiert und das Modell folgt dem SkelettDas Skelett legt grundlegende Bewegungsparameter festDie Skelettstruktur hnelt der echten Anatomie

KinematikKinematik ein Teil dreht und mehrere folgenBei der Inversen Kinematik bewegt man IK zum Ziel, und der Rest folgt automatischHilft beim manuellen Animieren ohne Motion Capture DatenBei der Forward Kinematik mu Arm 1,2,3 gedreht werden um das Ziel zu erreichen Problem der IK: Das Ziel kann mehrere Ausgangsstellungen haben. Abhilfe durch Winkelbeschrnkung

Motion CaptureDas schwierigste ist, eine Figur real zu animierenMotion Capture zeichnet reale Bewegungsablufe auf von Personen, Tieren oder MaschinenJe realistischer die Figur, desto kritischer bewertet der Zuschauer seine BewegungenEinfaches Laufen ist bereits bei Mann und Frau unterschiedlichZur Erfassung haben sich 3 Verfahren bewhrt: Optische, magnetische und mechanische Systeme

Optische Systeme3 Kameras verfolgen die MarkierungenInfrarotlicht bestrahlt die MarkerDer Akteur trgt einen Anzug mit Markierungen an allen wichtigen StellenDie Kameras werden genau vermessen mit Abstand und Winkel

Optische SystemeJede Kamera schaut auf einer AchseDer berlappende kubische Bereich ist der mgliche AktionsraumZu jedem verfolgten Marker errechnet der Computer anhand der Positionsdaten der Kameras die Markerposition

Optische SystemeGrtes Problem: Verdeckung von Markern verhindert das VerfolgenDadurch keine Interaktion mit zweiter PersonVerdeckung erfordert Nachbearbeitung der DatenDurch Verdeckungen nicht echtzeitfhigDurch die Optik sehr genau und hohe Captureraten mglich

Magnetische SystemeDer Akteur trgt einen Anzug mit Hall Sensoren an allen wichtigen StellenDer Akteur bewegt sich in 3 tiefrequenten MagnetfeldernDie Sensoren messen die Laufzeit vom Einschalten des Feldes bis zum Empfangen und senden die Zeit an den ZentralrechnerAnhand aller Laufzeiten kann der Sensor im 3D Raum bestimmt werden

Magnetische SystemeDer Zentralrechner schaltet alle 3 Felder kurz nacheinander ein und ausIm Rucksack werden alle Laufzeiten aufgezeichnet und bermittelt (Funk)bermittlung per Funk oder KabelAnhand aller Laufzeiten, Positionsdaten und Winkel der Sendeeinheiten wird die Raumkoordinate berechnet

Magnetische SystemeNachteil: das Magnetfeld lsst sich schnell durch Metallteile strenCapturerate geringer als optische SystemeVorteile: Das System ist echtzeitfhigKeine Probleme durch Verdeckung von Sensoren, dadurch keine Nachbearbeitung ntigMehrere Akteure mglich

Mechanische SystemeBrauchen kein BezugssystemArbeiten autonom oder per KabelBewegung wird direkt am Krper gemessen durch elektromechanische SensorenVernderung des Widerstands im Sensor bedeutet Bewegung

Mechanische SystemeNachteil: Sperrig durch das Gerst, keine Kampfszene etc.Da kein Bezugssystem vorhanden wird die reine Krperbewegung aufgezeichnet. Springt man mu der rumliche Aspekt spter eingefgt werden.Vorteile: Keine rumliche Bindung oder Studio notwendigEchtzeitfhig und schnelle Captureraten mglich

Vergleich aller Systeme

Motion Capture am BeispielZuerst werden die Rohdaten gecaptured durch die Akteure

Motion Capture am BeispielDann knnen die Rohdaten dem Skelett zugeordnet werden

Motion Capture am BeispielZum Schlu werden Ton, Szenerie und Modelle zugeordnet

EinsatzgebieteKinofilme / WerbungAliens oder Gegenstnde laufen und sprechen lassenAnimation von Bewegungen die fr Menschen nicht mglich ist (z.B. Matrix)ComputerspieleRealistisches Bewegen von SpielcharakterenZwischensequenzen

Das FinaleWelches Glas ist real ?das rechte Glas.