Entwicklung eines Workflows zur

Walkcycle-Realisierung und Animation eines

quadrupeden Characters

Fachbereich MND derFachhochschule Friedberg

Diplomarbeit

vorgelegt von

Waldemar Löwengeb. in Alma-Ata (Kasachstan)

Referent der Arbeit: Dr.-Ing. Cornelius MalerczykKorreferentin der Arbeit: Dipl.-Math. (FH) Sabine LangkammBetreuer im Unternehmen: Axel Stahlhut Klipp, Dietmar Schulte

Fachbereiche

Informationstechnik-Elektrotechnik-Mechatronik IEMund

Mathematik, Naturwissenschaften und Datenverarbeitung MND

Friedberg, 2010

Danksagung

An dieser Stelle möchte ich mich bei folgenden Personen herzlich bedanken:Bei meiner Freundin Stephanie Herr und meinen Eltern, für die Unterstützung und Motivia-tion.Axel Stahlhut Klipp und Dietmar Schulte für das Ermöglichen der Diplomarbeit in IhremUnternehmen.Und bei meinem betreuenden Professor Dr.-Ing. Cornelius Malerczyk für die Kommentareund Anregungen.

i

Selbstständigkeitserklärung

Ich erkläre, dass ich die eingereichte Diplomarbeit selbstständig und ohne fremde Hilfe ver-fasst, andere als die von mir angegebenen Quellen und Hilfsmittel nicht benutzt und dieden benutzten Werken wörtlich oder inhaltlich entnommenen Stellen als solche kenntlichgemacht habe.

Friedberg, Juni 2010

Waldemar Löwen

iii

Inhaltsverzeichnis

Danksagung i

Selbstständigkeitserklärung iii

Inhaltsverzeichnis v

Abbildungsverzeichnis vii

1 Einleitung 1

1.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.2 Problemstellung und Zielsetzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1.3 Organisation der Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

2 State of the art 7

2.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2.2 Quadrupedie und die Anatomie einer Bewegung . . . . . . . . . . . . . . . 10

2.3 Software und Entwicklung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

3 Anpassung der Grundkuh 19

3.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

3.2 Modifikatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

3.2.1 Free Form Deformation Modifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

3.2.2 Soft Selection und Relax . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

3.2.3 Paint Deformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

3.3 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

4 Der Stall 27

4.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

4.2 Der Stall und die Anforderung an das Animation-Rig . . . . . . . . . . . . 28

5 Rigging und Skinning 31

5.1 Bones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

5.2 Aufbau des Skelettes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

5.2.1 Erstellen der Bones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

v

vi Inhaltsverzeichnis

5.2.2 Inverse Kinematik und Controller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345.2.3 Helper und Controller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

Realisierung des Schwanzcontrollers mittels Spring-Controller . . . . 40Vorgehensweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41Steuerung des Schwanzes mittels einer Zeitfunktion . . . . . . . . . 43Vorgehensweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43Realisierung von Euter- und Ohrbewegung . . . . . . . . . . . . . . 44Realisierung Kopf und Halsbewegung . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

5.3 Skinning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 475.4 Vorbereitung und Prinzipielles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

5.4.1 Physique und Skin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49Physique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50Skin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52Vorgehensweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

5.5 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

6 Animation 596.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 596.2 Anatomie einer Bewegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 596.3 Animation, Grundlagen und Theoretisches . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

6.3.1 Timing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 616.3.2 Arcs (Bögen) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 626.3.3 Ease In, Ease Out . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 626.3.4 Anticipation und Overshoot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 646.3.5 Force und Drag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 646.3.6 Kiss of Death . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

6.4 Animation, Techniken und Tools . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 656.4.1 Keyframes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 666.4.2 Pfadanimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 676.4.3 Character Assembly . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 696.4.4 Motion Mixer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

6.5 Erstellung der Animationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 706.6 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

7 Zusammenfassung und Ausblick 75

Glossar 77

Literaturverzeichnis 79

Abbildungsverzeichnis

1.1 König Aslan aus dem Film”Die Chroniken von Narnia“ (Disney 2005) . . . . . 1

1.2 Das Virus A/H1N1 ( c©Robert R. Perdok) und Ausschnitt aus der BBC Doku-mentation

”Walking With Monsters - Life Before Dinosaurs“ . . . . . . . . . . 2

1.3 Ausschnitt aus”Ein tierisch verrückter Bauernhof“ (Paramount Pictures 2006) 3

1.4 Darstellung der unterschiedlichen Bereiche des Stalls . . . . . . . . . . . . . . 5

2.1 Stereobildverfahren: Anaglyph (links) und Polarisation (rechts) . . . . . . . . . 8

2.2 Toy Story (Pixar, 1995) im Vergleich zu Oben (Disney, 2009) . . . . . . . . . . 9

2.3 Quake (ID Software, 1996) im Vergleich mit Uncharted 2 (Sony Entertainment,2009) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.4”Das Derby in Epsom“ von Théodore Géricault . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

2.5 Links: Eadweard Muybridge; Rechts: Ausschnitt”The Horse In Motion“ . . . . 11

2.6 Links: Schauspieler in einem Motion-Capturing Anzug ; Rechts: Eine Spezialka-mera die, beim Motion-Capturing verwendet wird [Hor] . . . . . . . . . . . . . 12

2.7 Der Slate Material Editor von 3D Studio Max 2011 . . . . . . . . . . . . . . . 13

2.8 Der Hypershade Editor aus Maya ( c©Sonja Emmel, FH Gießen Friedberg) . . . 14

2.9 Links Viewport Canvas, oben rechts Autodesk Mudox 2010, unten rechts MaxonBodyPaint . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

2.10 Das Character Animation Toolset (eingekreist: Biped von 3D Studio Max) . . . 16

2.11 Ausschnitt aus der V-Ray Dokumentation [Gro09] . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.12 Links: V-Ray Rendering (1 Minute 6 Sekunden); Mitte: VrayRT Annäherungnach 1 Sekunde; Rechts: VrayRT Annäherung nach 2 Sekunden . . . . . . . . 17

3.1 Die Unterschiede zwischen Milch- und Fleischrind. . . . . . . . . . . . . . . . . 19

3.2 Modifier Stack . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

3.3 Der Free Form Dformation Modifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

3.4 Soft Selection Modi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

3.5 Die Auswirkung einer Relax Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

3.6 Die Kuh vor und nach der Überarbeitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

4.1 Der Stall im Realfilm und als 3D Modell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

4.2 Eine Kuh beim Überqueren eines Gatters im Realfilm und als 3D Szene . . . . 28

4.3 Das Gatter nach dem Verlassen der Melkmaschine . . . . . . . . . . . . . . . . 29

vii

viii Abbildungsverzeichnis

5.1 Bone mit Front und Side Fins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

5.2 Anatomische Skizze des Skelettes einer Kuh [LSO07] . . . . . . . . . . . . . . 33

5.3 Bonestruktur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

5.4 Forward und Inverse Kinematik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

5.5 Aufbau einer Inversen Kinematik am Beispiel von Bones. . . . . . . . . . . . . 36

5.6 Swivle Angle und Target . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

5.7 Verwendung des IK-Swivle angle Manipulators . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

5.8 Wireframeansicht der 3Ds Max Szene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

5.9 X-Ray Ansicht der 3Ds Max Szene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

5.10 Übersicht über verwendetet Controller bzw. Helperobjekte . . . . . . . . . . . 41

5.11 Controller bzw. Helperobjekte am zuvor erstellten Rig . . . . . . . . . . . . . . 42

5.12 Konstrukt aus Dummies und Spring-Controllern [Cha07] . . . . . . . . . . . . 43

5.13 Das Interface des Float Expression Controllers . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

5.14 Animation des Schwanzes anhand einer Sinuskurve . . . . . . . . . . . . . . . 46

5.15 Erstellen eines Spielecharakters durch einzelne Glieder [Mae96] . . . . . . . . . 48

5.16 Biped in einem Character in der T-Pose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

5.17 Oben: Bone mit Fins; Mitte: Längsachse > Querachse; Unten: Querachse >Längsachse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

5.18 Physique-Interface und Initialisierung des Rigs . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

5.19 Links: Cross Section; Rechts: Control Points . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

5.20 Das Interface des Skin Modifikators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

5.21 Fehlerhafte Bereiche nach dem Initialisieren des Skin-Modifikators . . . . . . . 55

5.22 Ein ausgewählter Envelope im”Edit Envelopes“ Modus . . . . . . . . . . . . . 55

5.23 Das Beinskinning vor und nach der Anpassung der Envelopes . . . . . . . . . . 56

5.24 Von links nach rechts: Weighting Table, Weighting Tool, Paint Weight Tool . . 56

5.25 Verformung des Euters vor Anpassung der Envelopes und des Weightings . . . 57

5.26 Verformung des Euters nach Anpassung der Envelopes und des Weightings . . 58

6.1 Gegenüberstellung der Gangarten [GHJC] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

6.2 Ein Ochse im Schritt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

6.3 Die Bewegung eines Arms links ohne und rechts mit Bogen. . . . . . . . . . . 62

6.4 Die verschiedenen Tangent-Modes. Bei Smooth und Step wurde ein zusätzlicherKeyframe hinzugefügt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

6.5 Das Schwung holen vor dem Absprung [Mae96] . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

6.6 Die Rotation der linken Wirbelsäule wird auf die weiteren Wirbel abgeschwächtübertragen, rechts nicht. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

6.7 Armanimation mittels 2 Keyframes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

6.8 Links: Autokey und Set Key Mode Rechts: Dopesheet Editor . . . . . . . . . . 67

6.9 Der”Edit Range“ Modus des Dopesheet Editors . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

6.10 Methoden der Pfadanimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

6.11 Character Assembly der Kuh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

6.12 Screenshot des Motion-Mixer Fensters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

6.13 Szenensetup der Walk-Cycle Erstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

6.14 Problematisches Ergebnis nach Erstellung der Keyframes [Mae96] . . . . . . . 72

Abbildungsverzeichnis ix

6.15 Die Kopfpositionen der Kuh während sie vor dem Gate wartet . . . . . . . . . 73

Kapitel 1

Einleitung

3D Animationsfilme wie zum Beispiel”Shrek“,

”Findet Nemo“ oder

”Monster AG“ sind mitt-

lerweile ein fester Bestandteil des Kinoprogramms. Viele dieser Filme handeln von Tieren,Monstern oder Fabelwesen und den Abenteuern die sie erleben. Dies ist nicht verwunderlich,da der Animationsfilm eine Weiterentwicklung des Zeichentrickfilms ist. Das Handeln unddie Fähigkeiten dieser Character sind vermenschlicht und meist überzeichnet; so können die-se sprechen und beherrschen den aufrechten Gang etc.. Neben des reinen Animationsfilms,besteht auch die Möglichkeit Realfilme mit virtuellen Charakteren, Gebäuden etc. zu verbin-den. Die Darstellung von Tieren in dieser Art von Film, als Beispiel sei hier der Löwe Aslanaus dem Film Disney1

”Die Chroniken von Narnia“ erwähnt, ist dabei meist realistischer als

in reinen Animations- oder Zeichentrickfilmen. So kann der Löwe Aslan zwar reden, ist aberin seiner Erscheinung ein real anmutender Löwe.

Abbildung 1.1: König Aslan aus dem Film”Die Chroniken von Narnia“ (Disney 2005)

1http://www.disney.de

1

2 Einleitung

Eine weitere Form der Darstellung von Tieren in 3D, ist die Visualisierung. Hierbei handeltes sich um eine noch realitätsnähere Abbildung von Lebewesen wie zum Beispiel Dinosauriernoder Bakterien. Der Grund hierfür ist unter anderem die Tatsache, dass diese Lebewesennicht gefilmt werden können. Dinosaurier sind ausgestorben und Bakterien sind zu klein.Diese Form von Film beinhaltet zu meist einen wissenschaftlichen Hintergrund und habendas Ziel Wissen zu vermitteln.

Abbildung 1.2: Das Virus A/H1N1 ( c©Robert R. Perdok) und Ausschnitt aus der BBCDokumentation

”Walking With Monsters - Life Before Dinosaurs“

Ein weiteres Anwendungsgebiet der Visualisierung ist der Industriefilm. Hierbei werdenmeist Produkte wie zum Beispiel Maschinen, Autos oder Handys dargestellt. KomplexeProzesse einer komplizierten Maschine können so anschaulich vermittelt werden.

Die Entwicklung einer solchen Produktvisualisierung ist Gegenstand dieser Diplomarbeit.Bei dem zu visualisierenden Produkt handelt es sich um ein Stallsystem zur automatischenKontrolle von Kühen und deren Melkzyklus. Daraus geht hervor, dass die Hauptfigur in derAnimation eine Kuh ist, die sich in einer virtuellen Umgebung bewegt. Der Stil dieser Ani-mation ist dabei eine Mischung aus den oben genannten. So ist durch eine Farbcodierungder Kühe ein comicartiger Look entstanden, die Bewegungen und das Verhalten der Kühesind hingegen von realistischer Natur. In der Filmlandschaft sind quadrupede Figuren, alsovierbeinige Lebewesen, häufig vertreten. Allerdings sind dies meist Hunde, Katzen oder Pfer-de. Der Bewegungsapparat der Kuh unterscheidet sich hingegen deutlich zum Beispiel vondem eines Pferdes. Der Film

”Ein tierisch verrückter Bauernhof 2“ ist einer der wenigen, in

denen Kühe vorkommen und handelt von Tieren auf einer Farm. Allerdings gehen die Kühedort auf zwei Beinen und sind auch sonst in allen Belangen vermenschlicht. Darüber hinaushaben in diesem Film auch männliche Kühe Euter. Aufgrund dieser Tatsachen kann dieserFilm weder zu Vergleichs-, noch zu Referenzzwecken herangezogen werden.

Diese Arbeit beschreibt den Workflow und die damit verbundenen Tätigkeiten die zurRealisierung einer 3D Animation notwendig sind. Dabei liegt der Schwerpunkt auf dem Pro-zess der Animation, da dieser den größten Teil der Arbeit ausmacht. Der zu visualisierendeProzess ist ein

”Stall- und Herdenmanagementsytem“, welches es erlaubt eine große Anzahl

von Kühen in einem Stall zu halten und zu pflegen. Das System steuert dabei zum Beispielwelche Kuh wann und wie gemolken wird. Alle Kühe im Stall haben ein so genanntes Trans-

2http://www.paramount.de/suche?q=bauernhoftype=titelx=0y=0

1.1. Motivation 3

Abbildung 1.3: Ausschnitt aus”Ein tierisch verrückter Bauernhof“ (Paramount Pictures

2006)

ponderhalsband, welches mit einem Computer kommuniziert. Durch steuerbare Gatter kannso entschieden werden, welchen Weg ein Kuh gehen kann. Das natürliche Verlangen derTiere nach dem besten Futter wird dabei geschickt ausgenutzt um diese zu steuern. DiesesStallsystem ermöglicht es einem einzigen Landwirt bis zu 100 Kühe zu halten. In den folgen-den Kapiteln wird dieses Stallsystem näher erläutert und in den darauf folgenden Kapitelnwerden Methoden und Technik der Visualisierung aufgezeigt die für solch eine Produktionnotwendig sind.

1.1 Motivation

Die Diplomarbeit wurde in dem Unternehmen framedivision Stahlhut-Klipp und SchulteGbR 3 angefertigt. Der Arbeit voran ging ein sechs monatiges betriebspraktisches Seme-ster. In diesem wurden einige Animationen für die Firma GEA Farm Technologies GmbH 4

erstellt. GEA Farm Technologies mit Sitz in Böhnen ist weltweit einer der größten Her-steller von Melk- und Fütterungstechnik und anderen Stallausrüstungen. Nach Ablauf desSemesterpraktikums bekam framedivision den Auftrag eines weiteren, diesmal komplexerenProjektes von GEA Farm Technologies. Dabei handelt es sich um die Visualisierung einesStall- und Herdenmanagementsystems. Wie die Worte Stall und Herde schon richtig vermu-ten lassen, müssen viele Beine animiert werden. Schnell wird klar, dass es unhandlich undunflexibel wäre, dies alles mittels händischer Fabbameanimation zu realisieren. Da framedi-vision in der Vergangenheit schon häufiger in diversen Projekten mit der Firma GEA Farm

3http://www.framedivision.de/4http://www.westfalia.com/hq/de/

4 Einleitung

Technologies zusammengearbeitet hat, ist es durchaus vorstellbar, dass animierte Kühe inzukünfigen Projekten ebenfalls gebraucht werden. Aus diesem Grund soll neben dem Erstel-len der projektspezifischen Animationen, ein Workflow entwickelt werden mit dessen Hilfesich Animationen von Kühen bequem verwalten, anpassen und erweitern lassen können.So wird eine Walk-Cylce Animation nur einmal erstellt und an die Kuh übergeben. Dieseanimierte Kuh kann danach entlang eines Pfades bewegt werden. In zukünftigen Projektenmüssten also nur Pfade erstellt werden, an denen die Kuh animert wird. Werden weitereAnimationen benötigt, wie zum Beispiel das Hinlegen, so wird diese erstellt und als seperateAnimationsdatei abgespeichert, die jederzeit wieder geladen und abgespielt werden kann.Nach einiger Zeit und weiteren Projekten könnte so eine kleine Datenbank an Animationenentstehen, die bei Bedarf zum Einsatz kommt.

1.2 Problemstellung und Zielsetzung

Es soll eine 3D Animation realisiert werden, welche die komplexen Abläufe eines”Stall-

und Herdenmanagement-Systems“ verständlich erläutern und dem interessierten Zuschauernäher bringen soll. Die Animation wird als Marketinginstrument konzipiert und umgesetzt,so dass der Einsatz auf Messen oder direkt bei Kunden möglich ist. Bei dem Stall- und Her-denmanagementsystem handelt es sich um einen automatisierten Stall, in dem Kühe lebenund gemolken werden, sobald diese melkbereit sind. Der Stall wird in unterschiedliche Berei-che eingeteilt, in welchem sich die Kühe je nach Status aufhalten. Zum einen gibt es den sogenannten Fress-, und Liegebereich, welcher der größte der vier Bereiche ist. Hier verbringendie Tiere den Großteil der Zeit. Ihre Tätigkeit im Liegebereich besteht im Grunde nur ausfressen, trinken und ausruhen. Ab und an versuchen die Tiere über ein computergesteuertesGatter (die Vorselektion) in den Vorwartehof zu gelangen. Die Vorselektion unterscheidetdabei zwischen melkbereiten und nicht melkbereiten Kühen. Wobei Letztere wieder in denLiegebereich umgeleitet werden. Ist eine Kuh melkbereit, so gelangt sie über den Vorwarte-hof in die eigentliche Melkkabine, wo sie von einem Melkroboter gemolken wird. Nach demMelken wird die Kuh über ein Ausgangsgatter wieder in den Fress- und Liegeberich ent-lassen. Sollte eine Kuh, zum Beispiel an den Zitzen so erkrankt sein, dass ein maschinellesMelken nicht möglich ist, so wird diese an dem Ausgangsgatter in den so genannten

”Special

Need Bereich“ geführt, wo sie dann von Hand gemolken oder medizinisch behandelt werdenkann. Der Grund, warum die Kühe in die Melkmaschine möchten ist, neben dem vollen Euterdie Tatsache, dass dort besseres Futter serviert wird. In Abbildung 1.4 ist der Stall und dieAufteilung in die unterschiedlichen Bereiche abgebildet.

Die Animation soll den Ablauf dieses Stallsystems verdeutlichen. Ein besonderes Anlie-gen des Kunden ist dabei das Hervorheben eines Kreislaufs, der durch die unterschiedlichenBereiche entsteht. Der Film wird mit Realfilmanteilen und Überblendungen in animierte Sze-nen realisiert. Diese Diplomarbeit bezieht sich dabei nur auf die Erstellung eines Workflowszu Charakteranimation der Kühe. Die weiteren Bestandteile des Films sind nicht Teil dieserArbeit.

1.3. Organisation der Arbeit 5

Abbildung 1.4: Darstellung der unterschiedlichen Bereiche des Stalls

1.3 Organisation der Arbeit

Die Diplomarbeit führt den Leser durch die einzelnen Schritte, die erforderlich sind um ein3D Visualisierungsprojekt zu realisieren. Angefangen mit der Problemstellung in Kapitel 1.2geht es in den folgenden Kapiteln um Grundlagen der 3D-Animation. Die Möglichkeiten derAnimation, des Renderings und der Modellierung werden immer weiter vorangetrieben. Washeute noch neu und innovativ ist, ist morgen schon veraltet. In dem Kapitel

”State of the

Art“ werden Konzepte, technische Standards und deren Entwicklung vorgestellt, die in der3D Animation zum Einsatz kommen. Darüber hinaus werden die Software Pakete, die zurRealisierung der Arbeit genutzt werden und deren grundlegende Arbeitsweisen vorgestellt.Nachdem die Grundlagen erläutert wurden, behandeln die nächsten Kapitel das projektbe-zogene praktische Anwenden der vorgestellten Methoden und Werkzeuge. Dabei werden alleSchritte von der Konzeption, bis hin zur fertigen Animation eines quadrupeden Charaktersbehandelt. Dies beinhaltet das Verändern eines schon vorhanden Kuh-Modells durch denEinsatz diverser Modifikatoren und Werkzeuge des Softwarepakets 3D Studio Max 5 (Kapi-tel 3). Kapitel 4

”Rigging und Skinning“ hat das Erstellen eines komplexen Rigs um die Kuh

steuern zu können zum Thema. Dabei wird insbesondere auf Inverse Kinematik, gescriptete

5http://www.autodesk.de/adsk/servlet/pc/index?id=14642267siteID=403786

6 Einleitung

Controller und Helper als Steuerungselemente eingegangen. Die folgenden Kapitel behan-deln das Skinning und ziehen einen Vergleich von 2 Modifikatoren (Physique und Skin) die3D Studio Max bietet um das Skinning zu realisieren. Nachdem das Skinning abgeschlossenist, kann die eigentliche Animation erstellt werden. In Kapitel 5 wird eine virtuelle Umge-bung beschrieben, in welcher sich die Kuh bewegen kann. Hierzu wird ein Walk-Cycle einerKuh in den Hintergrund der Anwendung projiziert anhand dessen die Bewegungsabläufe desGangs deutlich zu sehen sind und sich auf den virtuellen Character übertragen lassen. EinSystem zur Steuerung und Überblendung von Teilanimationen wird entwickelt und dessenEinsatzmöglichkeit im Motion Mixer wird vorgestellt (Kapitel 6).

Kapitel 2

State of the art

2.1 Einleitung

Der erste vollständig am Computer entstande 3D Animationsfilm in Spielfilmlänge (Toy Sto-ry 1) kam 1995 in die Kinos. Nach einer kleinen Pause von 3 Jahren wurden ab 1998 Jahrum Jahr immer mehr 3D Filme in die Kinos gebracht. Neben der Unterhaltung, zeigen dieseKinoproduktionen jedes Jahr aufs Neue was machbar ist und wo sich der Stand der Technikaktuell befindet. So bieten die Filme eine sehr gute und ausführliche Dokumentation über dieEntwicklung des 3D Films. Mit jedem Film werden die Texturen hochauflösender, schärferund detailreicher, mehr Charaktere bevölkern die Szenen, Partikeleffekte und Wasseranima-tion zeigen beeindruckende Effekte. Aktuell werden fast alle 3D Animationsfilme auch ineiner stereoskopischen Version produziert, um in Verbindung mit 3D Brillen einen räumli-chen Eindruck zu ermöglichen [Kle09]. Es werden zwei Kameras in einem Abstand von ca.7,5 cm, was dem durchschnittlichen Augenabstand eines Menschen entspricht, benötigt diedas Geschehene für das linke und rechte Auge seperat festhalten. Das bedeutet, dass der ge-samte Film zweimal gerendert werden muss. Dem Zuschauer werden durch stereoskopischeVorführtechniken die Bilder der linken Kamera auf das linke Auge und dementsprechenddie Bilder, die mit der rechten Kamera gerendert wurden dem rechten Auge zugeführt.Es gibt unterschiedliche stereoskopische Vorführtechniken wie zum Beispiel das Anaglyph-bildverfahren. Bei diesem farbcodierten Bildtrennverfahren, werden die Bilder für das linkebeziehungsweise rechte Auge mit einem rot/cyan oder magenta/grün Filter bearbeitet. EineBrille mit rot/cyan beziehungsweise magenta/grün Folien führt die Bilder dann dem entspre-chenden Auge zu. Diese Technik hat jedoch den Nachteil, dass durch die FarbverfälschungKontrast und Farbe im Film verloren gehen. Die heutzutage verwendeten Technologien wieReal3D 2 oder Dolby3D 3 funktionieren nach demselben Prinzip, allerdings bedienen siesich einer anderen Technik um die Trennung von links und rechts zu realisieren. Bei demReal3D Verfahren wird horizontal und vertikal polarisiertes Licht aus zwei Projektoren aufeine silberbeschichtete Leinwand projiziert [Cow07]. Polarisationsbrillen mit entsprechenden

1http://www.pixar.com/featurefilms/ts/2http://www.reald.com/3http://www.dolby.com/professional/solutions/cinema/3d-digital-cinema.html

7

8 State of the art

Polarisationsfiltern lassen so nur das Bild durch, welches für das jeweilige Auge bestimmt ist[Fau07]. Dolby 3D realisiert die Trennung von links und rechts durch einen Trennfilter der dieGrundfarben (rot grün und blau) in zwei unterschiedliche Wellenlängen teilt [Sla08]. Das soentstandene Bild ist ein weitaus schärferes und kontrastreicheres als die Anaglyphtechnik esermöglicht. Ein anderer Ansatz dem Betrachter Inhalt räumlich darzustellen ist die Autoste-reoskopie. Dabei handelt es sich um eine stereoskopische Darstellung bei der keine 3D-Brillebenötigt wird. Das Prinzip autostereoskopischer Displays basiert unter anderem auf einerLentikularlinse, die in einem gewissen Abstand, vor dem eigentlichem Display positiniertwird. Durch die Lentikularlinse wird das Licht, abhängig vom Eintrittswinkel, unterschied-lich stark gebrochen und kann auf unterschiedliche Bereiche auf dem Display gelenkt werden[Hal97]. Das hat allerdings auch den Nachteil, dass die Qualität des erzeugten 3D Bildesvon der Position des Betrachters abhängig ist.

Abbildung 2.1: Stereobildverfahren: Anaglyph (links) und Polarisation (rechts)

Ein weiterer Motor für die Entwicklung der 3D Technologie ist der Computerspielemarkt.Es werden weitaus mehr Spiele als Animationsfilme enwickelt und auch hier gilt: Jedesaktuelle Spiel schiebt die Grenzen des Möglichen immer weiter voran. Hier sind die einzelnenEntwicklungsschritte und Grafikverbesserungen noch deutlicher zu erkennen als beim Filmwie Abbildung 2.2 und Abbildung 2.3 veranschaulichen. So sieht Toy Story auch heute nochvergleichsweise gut aus. Das

”First Person Shooter“ Spiel

”Quake 4“ hingegen, welches

eins der ersten Spiele ist, die komplett in 3D realisiert wurden, kann einem Vergleich mit

4http://www.idsoftware.com/games/quake/quake/

2.1. Einleitung 9

Abbildung 2.2: Toy Story (Pixar, 1995) im Vergleich zu Oben (Disney, 2009)

aktuellen Titeln in Hinblick auf die grafische Darstellung nicht standhalten. Obwohl dievergangene Zeit bei den Vergleichen 14 bzw. 13 Jahre beträgt, ist der Qualitätsunterschiedbeim Film ein weitaus geringerer als beim Spiel. Dies liegt unter anderem daran, dass einSpiel in Echtzeit berechnet und dargestellt werden muss, dadurch ist die Anforderung an denComputer eine andere. So muss die Grafikkarte die einzelnen Bilder (24 pro Sekunde, umruckelfrei zu erscheinen) berechnen und sofort wiedergeben, während es beim Film keinerleizeitliche Begrenzung für das Errechnen eines Bildes gibt. So ist es durchaus Usus, dass eineinzelnes Bild mehrere Stunden benötigt bis es fertig gerendert ist [Bat]. Aus diesem Grundkommen so genannte Renderfarmen zum Einsatz, die entweder einzelne Segmente einesBildes rendern, oder aber unterschiedliche Bilder rendern und sich so mit die Rechenarbeitteilen.

Abbildung 2.3: Quake (ID Software, 1996) im Vergleich mit Uncharted 2 (Sony Entertain-ment, 2009)

Sowohl die Filmindustrie als auch der Computerspielmarkt sind sehr umsatzstarke Indu-striezweige, laut Schätzungen der DFC Intelligence Forecasts könnte die Spieleindustrie imJahr 2015 70 Milliarden US Dollar Jahresumsatz erreichen [Int10]. Dadurch garantieren siedas Vorantreiben der Technologie auf dem Gebiet der 3D Animation. So ist zu vermuten,dass die Filme und Spiele in weiteren 15 Jahren wohl noch imposanter und beeindruckendersein werden als sie es heute bereits sind.

10 State of the art

2.2 Quadrupedie und die Anatomie einer Bewegung

Quadrupedie setzt sich aus den lateinischen Wörtern quad (vier) und ped (Fuß) zusammenund bezeichnet die Art der Fortbewegung von Lebewesen mittels vier Beinen. Im Folgendenist unter Quadruped ein 3D Modell eines vierbeinigen Lebewesens zu verstehen. Es gibtunterschiedliche Techniken um einen Quadruped zu animieren. Doch ganz gleich mit welcherMethode die Animation vorgenommen wird, entscheidend für eine natürliche und realistischeBewegung ist die Kenntnis des Animators über den Bewegungsapparat des Tieres. Fehltdem Animator das Wissen über die Anatomie des Modells, so wird das Ergebnis falschund unnatürlich wirken, ganz gleich ob technisch perfekt gearbeitet wurde. Ein Beispielhierfür kann das Bild

”Das Derby in Epsom“ von Théodore Géricault geben (Abbildung 2.4).

Am Können und der Technik des Malers ist sicherlich nichts auszusetzen, doch fliegendie Pferde förmlich mit ausgestreckten Beinen durch die Luft. Ein solches Stadium ist imBewegungsablauf des Pferdes allerdings weder im Gallop noch im Sprung zu finden [WD07].

Abbildung 2.4:”Das Derby in Epsom“ von Théodore Géricault

Solche Fehler wurden unter anderem durch die Entwicklung von Chronofotographie auf-gedeckt und konnten von da an vermieden werden. Ein Vertreter und Pionier auf diesemGebiet war der britische Fotograf Eadweard Muybridge. Durch Serienaufnahmen von Men-schen und Tieren in Bewegung, entstanden schon im 19. Jahrhundert die ersten Walk-Cycles,die durchaus auch heute noch als Referenz- und Studienobjekt für Bewegungen eingesetztwerden können. Seine Aufnahmen erbrachten auch den ersten Beweis, dass es eine Phaseim Gallop gibt, in welcher sich das Pferd komplett in der Luft befindet und keinen Kontaktzum Boden hat. Im Gegensatz zu Abbildung 2.4 befinden sich die Beine des Pferdes aber

2.2. Quadrupedie und die Anatomie einer Bewegung 11

nur knapp über dem Boden, wie in Abbildung 2.5 blau markiert. Die durch die Serien-fotografie entstanden Animationen (siehe Abbildung 2.5) können als Hintergrund in einAnimationsprogramm geladen werden. Das zu animierende Quadruped wird vor diese Ebenegesetzt und die Silhouette des Tieres kann nun im Abstand von einigen Frames nachgebil-det werden. Der Aufwand dieser Technik ist zwar im Vergleich zu automatisierten Verfahrenrelativ hoch, erleichtert das Erstellen eines Walk-Cycles allerdings ungemein. Eine Verein-fachung und Weiterentwicklung dieser Methode ist das so genannte

”Contour Anchoring“.

Das Prinzip ist dabei dasselbe, allerdings geschieht die Anpassung des Quadrupeds nichtmehr frameweise per Hand, sondern wird vom Computer errechnet [LSO07].

Abbildung 2.5: Links: Eadweard Muybridge; Rechts: Ausschnitt”The Horse In Motion“

Auch hierbei wird eine Videosequenz des Walk-Cycles in den Hintergrund geladen. Vordiesem Video wird ein Rig, so wird ein virtuelles Skelett bezeichnet, welches aus einzelnenKnochen besteht und zur Steuerung des Charakters verwendet wird, platziert. Die Abständezwischen den einzelnen Knochen des Rigs und der Silhouette werden definiert und solleneingehalten werden. Wenn die Berechnung nun gestartet wird, so überträgt der Computerdie Bewegung des Videos auf das Rig. Dieses Verfahren ist eine Weiterentwicklung des klas-sischen Rotoskopierens. Diese Technik wird im Zeichentrickfilm verwendet um Animationenzu erstellen. Dabei werden Bilder und Videosequenzen auf eine Glasscheibe projiziert. Aufdieser Glasscheibe wird ein Blatt Papier befestigt und der Zeichner kann die Konturen derBewegung übernehmen. Unter Anwendung dieser Technik sind zum Beispiel einige Walt Dis-ney Zeichentrickfilme wie

”Bambi“ (1942) oder

”Das Dschungelbuch“ (1967) entstanden.

Dabei wurden sogar wilde Tiere, für Referenzzwecke ins Studio gebracht. Laut [Tho04, S.6und 7] betont das, wie wichtig es ist Natur als Referenzmaterial zu benutzen, selbst wennes sich um sehr stilisierte Kunst handelt.

Eine weitere, noch modernere Möglichkeit der Bewegungserfassung ist das Motion Cap-turing. Hierbei werden auf einem Schauspieler weiße Kugeln (Marker) an Gelenke und Gliederaufgeklebt. Mehrere Kameras, die an unterschiedlichen Positionen im Raum angeordnet sind,nehmen die Bewegung der weißen Kugeln auf und übertragen diese an den Computer. Die-sem liegt ein exakter Nachbau des realen Szenarios, inklusive virtuellem Schauspieler (Rig)mit gleichen Markern, Kamerabrennweiten und Positionen, vor. Die so erstellte Motion Cap-ture Datei kann einem virtuellen Charakter zugewiesen werden, welcher dann exakt dieselbenBewegungen ausführt wie zuvor der Schauspieler. Mit Tieren, vor allem undressierten, wildenoder sturen,ist dieses Verfahren allerdings kaum praktikabel. Das Geschöpf Gollum aus der

12 State of the art

Filmreihe”Der Herr der Ringe 5“, wurde mit letzterem Verfahren realisiert [Hoo03]. Es ist

zwar kein quadrupedes Lebwesen, bewegt sich allerdings zum Großteil auf allen Vieren.

Abbildung 2.6: Links: Schauspieler in einem Motion-Capturing Anzug ; Rechts: Eine Spe-zialkamera die, beim Motion-Capturing verwendet wird [Hor]

2.3 Software und Entwicklung

Die Software, die bei 3D Animationen zum Einsatz kommt ist zum Beispiel das Software-paket 3D Studio Max von Autodesk 6. Solche Softwarepakete ermöglichen es alle Schrittevom Modelling über das Erstellen von Texturkoordinaten bis hin zum Rigging und dem Ani-mieren in einer Programmumgebung zu realisieren. Vergleichbare Produkte sind AutodeskMaya 7, Modo von Luxology 8, Cinema 4D von Maxon 9 oder die kostenlose Open SourceSoftware Blender 10. All diese Software-Pakete können im Grunde dasselbe, folgen zum Teilallerdings unterschiedlichen Bedienkonzepten. Cinema 4D zum Beispiel verwaltet die gesam-te Szene in einer Ordnerstruktur mit daraus resultierender Hirarchie. Modifikatoren sind imGrunde wie Ordner die wiederum in anderen Ordnern stecken können etc. und so Funktionenoder Effekte weitertragen. Die Bedienung des Programms basiert zu einem großen Teil auf

5http://www.warnerbros.de/movies/herrderringe/6http://www.autodesk.de/adsk/servlet/home?siteID=403786id=4060677http://www.autodesk.de/adsk/servlet/pc/index?siteID=403786id=146575128http://www.luxology.com/9http://www.maxon.net/de/home.html

10http://www.blender.org/

2.3. Software und Entwicklung 13

Drag’n’Drop, was den Umgang mit der Software sehr intuitiv und verständlich gestaltet.Obwohl diese Programme im Grunde dasselbe können, haben sich Maya und 3D Studio Maxals Marktführer herauskristallisiert. In der aktuellen Version von 3D Studio Max 2011 hatAutodesk die Software um einige neue Features erweitert, welches das Arbeiten mit 3D Stu-dio Max auf eine neue Stufe bringen. So ist der Material Manager (ein Tool um Materialienzu erstellen und mit Eigenschaften wie Reflektion, Refraktion, Rauheit etc. auszustatten)jetzt nodebasiert. Das bedeutet, dass einzelne Kanäle wie Textur, Bump (Rauheit), Opacity(Durchsichtigkeit) mit Knoten verknüpft werden können [Aut10], ähnlich dem HypershadeMaterial Editor von Maya. Sobald ein Material einen gewissen Grad an Komplexität erreicht,ist eine solche Baumdarstellung der Kanäle extrem hilfreich. In den folgenden Abbildungen( 2.7 und 2.8) ist der neue Slate Material Editor von 3DStudio Max und der HypershadeEditor von Maya zu sehen.

Abbildung 2.7: Der Slate Material Editor von 3D Studio Max 2011

Eine weitere Neuerung von 3D Studio Max in der Version 2011 ist das so genannteCanvas Paint. Diese Tool ermöglicht es eine Textur direkt auf das Objekt zu malen. Hierfürstehen diverse Pinselvorgaben zu Verfügung. Ein Pinsel kann entweder Farbe oder direkt einBitmap (wie zum Beispiel rauhe Elefantenhaut) aufnehmen und auf das Objekt auftragen.Canvas Paint bietet die Möglichkeit den Kanal in welchem gemalt werden soll frei zu wählen.So kann nicht nur der Diffuskanal mit einer Textur versehen werden, sondern auch dieBumptextur, Reflektion, Durchsichtigkeit und so weiter einzeln per Pinsel aufgemalt oderkorrigiert werden. In Verbindung mit einem Grafiktablett lassen sich so sehr flexibel undschnell Texturen erstellen oder verfeinern. Diese Technologie ist zwar nicht neu, Programme

14 State of the art

Abbildung 2.8: Der Hypershade Editor aus Maya ( c©Sonja Emmel, FH Gießen Friedberg)

wie ZBrush 11, BodyPaint 12 oder Mudbox 13 ermöglichen dies schon seit einigen Jahren,allerdings bringt die Verbindung mit dem Slate Material Editor und die Implementierungdes Canvas Paint Tools direkt in die Benutzeroberfläche von 3D Studio Max eine enormeWorkflowoptimierung mit sich, da nicht zwischen unterschiedlichen Programmen gewechseltwerden muss.

In Abbildung 2.9 ist eine Gegenüberstellung von Canvas Paint zu Maxons BodyPaintund Mudbox von Autodesk zu sehen.

Mudbox ist darüber hinaus ein Sculpting Tool, welches es ermöglicht Objekte so zu bear-beiten als wären diese aus Ton. Diese Art der Modellierung auch Clay Modelling genannt istvor allem in der Charakterentwicklung weit verbreitet, da mit dieser Methode Falten, Muskelnund andere Strukturen sehr leicht zu handhaben sind [Spe10]. 3D Studio Max bietet zwarauch ein Sculptingwerkzeug, das Paint Deformation Tool an, allerdings ist dieses im Ver-

11http://www.pixologic.com/home.php12http://www.maxon.net/de/products/bodypaint-3d.html13http://usa.autodesk.com/adsk/servlet/pc/index?id=13565063siteID=123112

2.3. Software und Entwicklung 15

Abbildung 2.9: Links Viewport Canvas, oben rechts Autodesk Mudox 2010, unten rechtsMaxon BodyPaint

gleich zu Mudbox oder ZBrush (ein weiteres weit verbreites Sculpting Tool) als rudimentäranzusehen. Zwar kann das Paint Deformation Tool von 3Ds Studio Max den Clay Model-lierern nicht das Wasser reichen, bietet aber ausreichende Funktionalität um zum Beispielwie in Kapitel 3.2.3 beschrieben, die Proportionen der Kuh zu verbessern und um kleinereDetails hervorzuheben. Es ist vorstellbar, dass Autodesk in Zukunft auch dieses Tool wei-terentwickeln wird und 3D Studio Max damit als

”Alles unter einem Dach“ -Softwarepaket

weiter ausbaut.Damit ein Character animiert werden kann, wird ein so genanntes Animation Rig benötigt.

Ein Rig besteht aus mehreren miteinander verknüpften Knochen, die die Geometrie (in die-sem Fall den Character) steuern. 3D Studio Max bietet ein vorgefertigtes Rig an, genanntBiped und ist im Grunde ein vereinfachtes menschliches Skelett. Es lässt sich an den zu ani-mierenden Charakter anpassen und bietet einige sehr hilfreiche Funktionen wie zum Beispieldas Abspeichern von bestimmten Posen. Mit Version 2011 von 3D Studio Max wurde dasPlug-in CAT (Character Animation Toolkit) in 3D studio Max integriert. Dieses ehemalsexterne Plug-in, erweitert die vorgefertigten Rigs um 19 weitere und bringt neue Funktio-nalitäten mit sich. Abbildung 2.10 zeigt eine Auswahl der Rigs des Character AnimationToolkits. Das Pendant zum Biped Rig aus 3D Studio Max ist das

”Full Body Inverse Kine-

matik“ (FBIK) aus Maya. Das FBIK Tool hilft dem Animator dabei natürlichere Bewegungenzu erstellen, indem es alle IK-Ketten in eine Beziehung zu einander bringt [Mah06]. Dadurchkann zum Beispiel eine Hand bis zum Boden heruntergezogen werden. Ohne FBIK könnte dieHand nur bis zur Länge des Arms gezogen werden. Danach müssten weitere Transformatio-nen durchgeführt werden wie zum Beispiel Biegung der Knie für eine Hocke oder ähnliches.Das FBIK Tool übernimmt diese Aufgabe, indem es zwischen den unterschiedlichen Glie-derketten überblendet. Es ermöglicht somit ein leichteres Animieren. Im angesprochenenBeispiel könnte der Animator die Hand bis zum Boden ziehen, das restliche Skelett würdeder Hand folgen und eine Hockbewegung ausführen.

In Kapitel 5 wird beschrieben wie ein komplettes Rig aus Max Bones aufgebaut und mitFunktionalität für die spätere Animation (siehe Kapitel 6) vorbereitet wird.

Ebenso wichtig wie das 3D Programm selbst ist der so genannte Renderer. Diese spe-

16 State of the art

Abbildung 2.10: Das Character Animation Toolset (eingekreist: Biped von 3D Studio Max)

zielle Software ist für die Darstellung der 3D Objekte und Szenen zuständig. Licht, Ma-terialeigenschaften, Kantenglättung etc. werden von der Rendersoftware berechnet und alsBild abgespeichert. Es wird zwischen Scanline- und Raytracerenderern unterschieden. DerScanline Renderer baut das Bild Zeile für Zeile auf, dabei wird ein Strahl von der Kameraausgesendet und arbeitet sich Pixel für Pixel durch das Bild. Trifft dieser Strahl auf einObjekt in der Szene, so wird der Farbwert des Pixels errechntet und der nächste Bildpunktwird berechnet. Ray Tracing bedeutet, dass ein von der Kamera herausgeschossener Strahlnicht aufhört zu existieren nachdem er ein Objekt getroffen hat, sondern er wird reflektiertund nimmt Farbe, Lichtintensität etc. des getroffenen Objekts mit und springt so hin undher bis die Anzahl an Sprüngen die im Renderer definiert wurden erreicht ist.

Abbildung 2.11: Ausschnitt aus der V-Ray Dokumentation [Gro09]

2.3. Software und Entwicklung 17

Ein weit verbreiteter Renderer ist die von Chaos Group entwickelte Software V-Ray 14.V-Ray bietet verschiedene Indirect Illumination Algorithmen die es ermöglichen äußert pho-torealistische Renderings zu erschaffen. Indirect Illumination oder auch Global Illuminationbedeutet, dass die Szene nicht nur von Lichtern in der Szene, sondern auch vom Hintergrundund der Wechselwirkung der Objekte untereinander beleuchtet wird [Jen03]. Zum Beispielwird eine rote Kugel auf weißem Boden auch etwas rote Farbe an den Boden abgeben. Oderaber es wird ein sphärisch projiziertes HDR 15 Bild (ein Bild mit einem sehr großen Dyna-mikumfang) zur Beleuchtung eingesetzt. Drei dieser Global Illumination Algorithmen sind inAbbildung 2.11 zu sehen. Die Abbildung zeigt einen Ausschnitt aus der V-Ray Dokumentati-on in dem unterschiedliche Einstellungen und Verfahren gegenübergestellt werden. Neben desStandard Renderers bietet Chaos Group auch den V-Ray-RT Renderer an. Dieser übernimmtdie Rendereinstellungen von V-Ray und stellt eine angenäherte Darstellung des tatsächlichenEndergebnis-Renderings in Echtzeit dar (Abbildung 2.12). Der nächste Entwicklungsschrittin diese Richtung ist das Auslagern des Echtzeitrenderns an die Grafikkarte [Mai09]. Einerster Prototyp des V-Ray-RT Renderers der dies macht wurde auf der SIGGRAPH 16 2009einer Messe rund um Computergrafik, von Chaos Group präsentiert [CGa09].

Abbildung 2.12: Links: V-Ray Rendering (1 Minute 6 Sekunden); Mitte: VrayRT Annähe-rung nach 1 Sekunde; Rechts: VrayRT Annäherung nach 2 Sekunden

14http://www.chaosgroup.com/en/2/index.html15High Dynamic Range16Special Interest Group on Graphics and Interactive Techniques

Kapitel 3

Anpassung der Grundkuh

3.1 Einleitung

Da es im Modell-Pool der Firma framedivision bereits eine Kuh gab, muss der Characterfür die Animation nicht noch einmal neu aufgebaut werden. Die bereits vorhandene Kuherfüllt allerdings nicht die Ansprüche und Anforderungen einer für die Animation benötigtenMilchkuh. Vielmehr handelt es sich bei diesem Ausgangsobjekt um eine Fleischkuh, die nichtfür die Verwendung in der Animation geeignet ist. Milchkühe sind im Unterschied zu Rindernfür die Fleischproduktion nicht mit so viel Muskelmasse ausgestattet. Sie werden für einenmaximalen Ertrag an Milch gezüchtet und haben auch dementsprechend größere Euter. Diedurchschnittliche Milchmenge, die eine hochleistende Kuh pro Tag abgibt beträgt dabei ca.38,83 kg [OK, S. 220]. Auf Grund ihres Lebens im Stall in unmittelbarer Nähe zu anderenKühen werden Milchkühen die Hörner entfernt, um das gegenseitige Verletzungsrisiko derRinder zu minimieren. Aus diesem Grund müssen einige Korrekturen und Modifiaktionen andem Character vorgenommen werden. Die Unterschiede sind zum Beispiel der muskulösereKörperbau bzw. die runde Körperform der Grundkuh. Sie entspricht nicht der gewünsch-ten Form einer Milchkuh, die ein eingefallenes Becken hat und keine extrem ausgebildeteMuskulatur. Eine Gegenüberstellung der unterschiedlichen Kühe ist in Abbildung 3.1

Abbildung 3.1: Die Unterschiede zwischen Milch- und Fleischrind.

19

20 Anpassung der Grundkuh

zu sehen. Diese anatomischen Gegebenheiten müssen so angepasst werden, dass die Kuhdie gewünschte braun/weiß gescheckte Milchkuh ergibt. Neben der Anpassung der Körper-form und der Entfernung der Muskulatur, müssen die Hörner entfernt und die Kopfformverändert werden. Die gewünschte Kopfform soll ein weniger bulliges Erscheinungsbild ha-ben und eine freundliche Stimmung seitens der Kuh hervorheben. Darüber hinaus müssendie Euter vergößert werden. Es gibt eine Vielzahl diverser Tools und Modifikatoren, die zumAnpassen der Geometrie in 3D Studio Max zu Verfügung stehen. Drei dieser Tools werdenim Folgenden vorgestellt und ihre Verwendung anhand der Kuh-Geometrie näher erläutert.

3.2 Modifikatoren

Wie bereits erwähnt, stellt 3D Studio Max verschiedene Modifikatoren zu Verfügung [Auta],mit denen sich Objekte verändern lassen. Modifikatoren sind als Werkzeuge zu verstehen, dieauf ein Objekt angewendet und entsprechend ihrer Funktion ein Objekt verändern können.Die Modifier werden im so genannten

”Modifier Stack“ übereinander gelegt, so dass eine

ganze Hirarchie von Modifikatoren, die übereinander liegen, entsteht. Die Änderung einesModifiers der unten liegt, pflanzt sich den Stapel empor fort. Dadurch erlaubt 3D StudioMax dem Benutzer eine Modifiaktion zu einem späteren Zeitpunkt abermals zu beeinflussen(z.B. korrigieren eines Wertes). Diese Möglichkeit erlaubt ein flexibles Arbeiten an einerGeometrie. Der Modifier ist ein zentrales Paradigma von 3D Studio Max und wird daheranhand eines Beispiels im Folgenden näher erläutert.

Anhand von Abbildung 3.2 kann die Funktionsweise des Modifier Stacks gut erläutertwerden. Zunächst wird eine Box erstellt und die Parameter für die Unterteilung erhöht(hier auf 20 Segmente in Länge und Breite und 50 Segmente in der Höhe). Im

”Modify“

Reiter der Box können nun verschiedene Modifier ausgewählt und auf die Box angewendetwerden. Das Beispiel in Abbildung 3.2 zeigt im zweiten Schritt den

”Twist“ Modifier. Dieser

Modifier verdreht, wie der Name schon sagt, das Objekt auf welches dieser angewendet wirdum seine eigene Achse. In diesem Beispiel ist dies die Z-Achse. Dieser Modifier findet zumBeispiel Einsatz um Schrauben, Bohrer oder Stahlseile zu erstellen. Im

”Modifier Stack“

ist nun der Eintrag”Twist“ zu sehen. Nun kommen weitere Modifier hinzu, Taper um die

gedrehte Box in Richtung Z zu verschmälern, Bend um das Konstrukt um einen angegebenWinkel zu biegen (hier 126◦) und Turbosmooth um das Objekt zu glätten. Die einzelnenModifier im Stapel können jederzeit ausgewählt und Paramteter verändert werden. So ist esz.B. jederzeit möglich den Winkel des Bend Modifiers zu verändern, oder die Umdrehungendes Twist Modifiers zu erhöhen. Diese Arbeitsweise bietet eine ungemeine Flexibilität beimArbeiten mit 3D Studio Max.

Um die in Änderungen wie in Abschnitt 3.1 erwähnt an der Kuh Geometrie vorzunehmen,kommen einige Modifier zum Einsatz. Vier davon werden im Folgenden näher erläutert. Dabeihandelt es sich zum einen um den FFD Modifer (Free Form Deformation), welcher eingesetztwird um die grobe Form der Kuh zu korrigieren. Des Weiteren werden das Pint DeformationTool, der Relax Dialog und die Soft Selection verwendet. Dabei handelt es sich zwar nichtum eigenständige Modifikatoren, da sie alle Tools des Modifikators

”Editable Poly“ sind,

sie werden aber so verwendet. Die Begründung hierfür ist darin zu sehen, dass mehrere

3.2. Modifikatoren 21

Abbildung 3.2: Modifier Stack

22 Anpassung der Grundkuh

”Editable Polys“ übereinander liegen und in jedem nur ein Tool eingesetzt wird. Durch diese

Trennung werden die einzelnen Änderungen unabhängig voneinander. Diese Eigenschaft istsehr hilfreich, da aufgrund einern misslungene Korrektur, nicht wieder von vorn begonnenwerden muss, sondern das Löschen des fehlerhaften Modifiers zum Beheben des Problemsausreicht.

3.2.1 Free Form Deformation Modifier

Der Free Form Deformation (FFD) Modifier ist ein Werkzeug, welches es erlaubt grobe Ver-formungen eines Objekts vorzunehmen. Dabei unterscheidet 3D Studio Max zwischen zweiArten von FFD Modifiern, zum einen den

”cylindrical“, also dem FFD Modifier mit zylindri-

scher Grundform und zum anderen den”boxed“ FFD Modifier. Dieser hat dementsprechend

die Grundform eines Quaders. Diese Quader beziehungsweise Zylinder werden nun unterteiltund an die Form des zu modifizierenden Objekts angepasst. Die Unterteilungen eines boxedFFD Modifiers erlauben es die Verformung mehr oder weniger genau durchzuführen. Dahier nur eine grobe Korrektur der Proportionen durchgeführt werden soll, reicht eine grobeUnterteilung des Quaders in 5 × 3 × 4 Teile wie in Abbildung 3.3 zu sehen ist, aus.

Abbildung 3.3: Der Free Form Dformation Modifier

Der FFD Modifier hat drei so genannte”Sub Object Levels“, dabei handelt es sich um

Unterkategorien des Modifikators. Diese sind: Control Points, Lattice, Set Volume. Con-trol Points, sind die orangen Punkte, die an den Ecken der Unterteilungen angebracht sindund nach dem Selektieren verschoben werden können. Die dadurch entstehende Verformungdes Quaders wird an die darunterliegende Geometrie weitergegeben und verformt die Kuhentsprechend. Der zweite Sub Object Level ist das so genannte Lattice. Lattice meint denkompletten FFD Käfig. Dieser kann verschoben, rotiert und skaliert werden ume die darunter-liegende Geometrie zu verformen. Da das Lattice, so wie alle anderen Punkte des FFDs, vollanimierbar ist, wird dieses häufig zur Animation von bewegten Verformungen angewendet.Als Beispiel sei hier eine typische Cartoon Szene aufgezeigt, in welcher ein Wasserschlauchaufgedreht wird. Der Schlauch wird durch das Wasser kugelförmig aufgedehnt, und transpor-tiert sozusagen eine Wasserkugel. Dieser Effekt wird mit einem animierten Lattice realisiert.Hierbei werden die Control Points einfach auseinander gezogen und das Lattice wird entlangdes Schlauchs verschoben und verformt somit den Schlauch. Der dritte Subobject Level des

3.2. Modifikatoren 23

Free Form Deformation Modifiers heißt”Set Volume“. Wie der Name schon sagt, können

in diesem Modus die Control Points, die nun grün angezeigt werden, verschoben werden,ohne dass sich die Geometrie ändert. Das ist nützlich, um die Form des FFD Modifiers andie Geometrie anzupassen, wodurch der Anwender mehr Kontrolle über die Verformung be-kommt. Nachdem nun die Sub Object Levels des FFD Modifiers erläutert wurden geht esim Weiteren um den konkreten Einsatz dieses Modifiers an der Geometrie der Kuh.

Wie in 3.1 zu sehen, unterscheiden sich die Körperformen der beiden Kühe voneinander.Um die grobe Form der Ausgangskuh an die gewünschte Form anzupassen, wird nun ein FFDModifier auf das Objekt angewendet. Wird dieser in der Modifier Auswahl auf die selektierteKuh angewendet, so erscheint direkt ein boxed FFD Modifier mit 4×4×4 Unterteilungen undden Ausmaßen der Bounding Box der Kuh. Der Lattice Käfig muss so angepasst werden,dass dieser den zu verformenden Rumpf der Kuh gut abdeckt. Die Unterteilung des LatticeKäfigs wird hierzu auf 5 × 4 × 3 angepasst. Ist dies geschehen, so können nun die ControlPoints im Sub Object Level

”Set Volume“ an die Form der Kuh angepasst werden. Beine

und Kopf werden nach gleichem Vorgehen mit FFD Modifiern ausgestattet. Ist auch dies ab-geschlossen, so kann der Bauch durch auseinanderziehen der entsprechenden Control Pointsdicker gemacht werden. Analog werden Rücken, Beine und Kopf durch zusammenschiebender Jeweiligen Control Points in eine schlankere Form gebracht. Nach diesen Korrekturenwirkt die Kuh insgesamt nun etwas schlacksiger und die grobe Form der Kuh kommt demgewünschten Milchkuhideal näher. Allerdings hat das Objekt immer noch zu viele Muskeln,deren Entfernung in den folgenden Kapiteln beschrieben wird.

3.2.2 Soft Selection und Relax

Die Soft Selection ist ein wichtiges Feature von 3D Studio Max, welches sehr häufig zurAnwendung kommt. Es handelt sich dabei nicht um einen eigenständigen Modifikator, son-dern ist Bestandteil des

”Editable Poly“ Modifikators. In diesem befindet sich das Rollout

”Soft Selection“. Das Soft Selection Werkzeug ist im Grunde nichts weiter als ein Verlauf,

der auf eine Auswahl angewendet wird. Das bedeutet, dass wenn ein Vertex ausgewählt unddie Soft Selection aktiviert ist, wirkt sich die Transformation nicht nur auf das selektier-te Vertex aus, sondern hat auch Auswirkung auf die Vertices in unmittelbarer Umgebungzum selektierten Vertex. Dabei wird die Stärke der Transformation zum Ende des Verlaufshin immer schwächer. Dieser Bereich kann durch verschiedene Parameter im Soft SelectionRollout konfiguriert werden. Dazu gehören zum Beispiel der Falloff, welcher die Größe desVerlaufs bestimmt Wert bestimmt, wohingegen Werte für

”Pinch“ und

”Bubble“ die Form

des Verlaufs beeinflussen. Während”Pinch“ einen starken Abfall der Soft Selection bewirkt,

sorgt”Bubble“ für einen langsamen Abfall. Die Werte für

”Pinch“ und

”Bubble und die

damit verbundenen Auswirkungen auf die Soft Selection sind in Abbildung 3.4 zu sehen.Neben dieser einfachen Konfiguration besteht auch die Möglichkeit das Einflussgebiet derSoft Selection selbst zu bestimmen, indem diese mit einem Pinsel aufgemalt wird. DieseTechnik bietet sehr viel Kontrolle über den Verlauf der Soft Selection. Da dieser Modusallerdings nicht bei der Anpassung der Geometrie im Zuge dieser Diplomarbeit angewendetwurde, bleibt er an dieser Stelle nur erwähnt und es wird nicht näher darauf eingegangen.

Da die Soft Selection an sich nur eine Auswahl ist, hat sie auch keine Auswirkung auf

24 Anpassung der Grundkuh

Abbildung 3.4: Soft Selection Modi

Form und Gestalt eines Objekts, sondern beeinflusst die Auswirkung anderer Werkzeuge aufdas Geometrie. In diesem konkreten Fall werden nun verschiedene Bereiche, wie zum Beispieldie Nase der Kuh ausgewählt und kleiner kkaliert. Durch die aktivierte Soft Selection verklei-nert sich nun nicht nur die ausgewählten Vertices, sondern auch die Vertices in der näherenUmgebung mit abfallender Stärke. Dieses Vorgehen wird nun analog zum Vergrößern derEuter und Verkleinern der Augenbrauen verwendet. Die hinteren Oberschenkelknochen wer-den grob herausgezogen, indem die Vertices an der entsprechenden Stelle markiert und eineTranslation in Richtung der Z-Achse durchgeführt wird. Mit eingeschalteter Soft Selectionwerden die herausstehenden Oberschenkelknochen nun etwas verfeinert, bis das gewünschteErgebnis eines eingefallenen Beckens erreicht ist. Um die ausgeprägte Muskulatur des Rin-des zu entfernen wird ein weiteres Tool aus dem

”Editable Poly“ Modifier verwendet. Dabei

handelt es sich um den so genannten Relax Dialog. Dieser wird in Kombination mit derSoft Selection dafür genutzt, um die markierten Vertices zu entspannen. Entspannen meintdabei, dass die Abstände und Größen der einzelnen Flächen aneinander angeglichen werden.Zum besserern Verständnis sei hier auf Abbildung 3.5 verwiesen. Hier ist erkennbar, welcheOperation ein Relax ausführt und was es bewirkt. Die Herangehensweise ist dabei wie folgt:Zunächst wird ein Bereich der

”relaxt“ werden soll ausgewählt und die Soft Selection akti-

viert. Mit Klick auf den”Settings“ Button, welcher sich neben dem

”Relax“ Button befindet

wird das Relax Dialog Fenster geöffnet. Hier können Anpassungen wie die Stärke des Relaxund wie viele Iteration durchgeführt werden sollen eingestellt werden. 3D Studio Max führtein Echtzeitupdate an der Geometrie durch, so dass die Parametereinstellungen bequem

3.2. Modifikatoren 25

Abbildung 3.5: Die Auswirkung einer Relax Operation

angepasst und bei Zufriedenheit bestätigt werden können. Mit dieser Technik werden nundie muskulösen Bereiche des Rindes bearbeitet, bis das Erscheinungsbild der Kuh dem derVorlage entspricht. Die grobe Form und das schlacksige Erscheinungsbild der Kuh sind nunsoweit hergestellt und es fehlen noch einige kleinere Details, welche mit dem mittels

”Paint

Deformation“ wie im folgenden Kapitel näher erläutert, herausmodelliert werden.

3.2.3 Paint Deformation

Ebenso wie die Soft Selection, ist auch die”Paint Deformation“ kein eigenständiger Modifier,

sondern befindet sich als Rollout im Modifier”Editable Poly“. Paint Deformation erlaubt

die Verformung der Geometrie mit einem Pinsel. Besonders komfortabel ist diese Art zumodellieren in Verbindung mit einem Grafiktablett. Die Druckstärke des Stiftes wird dabeiunmittelbar auf die Stärke des Pinsels übertragen. Das Konzept der Paint Deformation ist imGrunde ein vereinfachstes Sculpting Tool. Das bedeutet, dass die grundlegende Arbeitsweisedes Modellierens ein andere ist. Während bei dem normalen Modellieren Flächen extrudiert,gedreht, verschmolzen etc. und Vertices verschoben werden, ist das Sculpting eine digitaleForm des Arbeitens mit Lehm. Der grundlegene und immer wiederkehrende Arbeitsablauf istdabei das Herausheben und Hineindrücken von Geometrie, mit darauffolgendem Glätten desEntstandenen. Gerade organische Modelle lassen sich mit dieser Art von Modellierung umein vielfaches komfortabler und vor allem schneller und damit effizienter erstellen. BekannteSculpting Tools sind z.B. Autodesk Mudbox oder aber ZBrush von Pixologic. Da 3D StudioMax kein Sculpting Tool als solches ist, ist die Paint Deformation bei weitem nicht so mächtigwie ein vollwertiges Sculpting Programm, aber um die Kuh um ein Paar Details zu bereichernreicht es aus. Mit einem Klick auf das Paint Deformation Rollout, öffnet sich eben diesesund es können die Parameter für Pinselgröße und Stärke eingestellt werden. Pinselstärke istbeim Arbeiten mit einem Grafiktablett allerdings nicht von Bedeutung. Ist dies geschehen, sokönnen nun weitere Bereiche an der Geometrie der Kuh verfeinert werden. Die Wirbelsäuleder Kuh, die entlang des ganzen Rückens ständig sichtbar verläuft, wird durch mehrma-liges herausziehen modelliert. Die Beckenknochen ebenso wie die Schulterblätter werdennoch weiter ausdefiniert. Das Gesicht wird freundlicher gestaltet, indem durch betonen derWangenknochen und Verschieben der Mundwinkel ein angedeutets Lächeln herausmodelliertwird. Die Kniepartie wird überarbeitet und weitere kleine Änderungen werden vorgenommen.

26 Anpassung der Grundkuh

3.3 Zusammenfassung

In diesem Kapitel wurde aufgezeigt, was Modifier sind, wie sie verwendet werden und derEinsatz dieser um ein Objekt zu verformen und zu verändern. Mit Hilfe dieser Tools wurdedie Kuh aus der Ausgangssituation so überarbeitet, dass deren Geometrie der Form einerMilchkuh entspricht. Das Ergebnis der Anpassung wird in Abbildung 3.6 dargestellt. Kapitel 5widmet sich dem nächsten Schritt im Workflow, der Erstellung und Verknüpfung von Boneszu einem komplexen Animation-Rig, welches benötigt wird, um die Kuh animieren zu können.

Abbildung 3.6: Die Kuh vor und nach der Überarbeitung

Kapitel 4

Der Stall

4.1 Einleitung

Zwar beschäftigt sich die Diplomarbeit mit dem Erstellen eines Workflows zur Kuhanimation,allerdings ist die Umgebung in der sich diese befindet ebenfalls von Bedeutung. Da sich dieKuh in einem Stall befindet, werden ihre Wege auch von diesem bestimmt. Um zu wissenwas die Kuh alles können muss, ist ein Blick in den Stall unausweichlich. Es müssen zumBeispiel die Splines erstellt werden, an denen die Kuh im weiteren Verlauf der Diplomarbeitmittels Path-Constraint animiert wird. Auf diesen Routen sind allerdings einige Hindernissedie überwunden werden müssen. Die Voraussetzungen an das Animation-Rig werden alsoauch vom Stall definiert.

Abbildung 4.1: Der Stall im Realfilm und als 3D Modell

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28 Der Stall

4.2 Der Stall und die Anforderung an das Animation-Rig

Der Stall besteht aus mehreren Bereichen, die voneinander getrennt sind. Kühe dürfen nurin einen Bereich, wenn ein Computer der mit dem Transponderhalsband kommuniziert,es gestattet. Die Trennung der einzelnen Bereiche wird durch Absperrungen erreicht. DieÜbergänge zwischen den einzelnen Bereichen werden durch enge Gatter ermöglicht. EineKuh die in einen anderen Stallbereich möchte muss durch dieses Gatter gehen. Dabei mussdie Kuh ihren Kopf senken um zwei Metallstangen wegzuschieben. Abbildung 4.2 zeigt wieeine echte Kuh das macht, daneben ist die virtuelle Nachbildung der Szenerie zu sehen.

Abbildung 4.2: Eine Kuh beim Überqueren eines Gatters im Realfilm und als 3D Szene

Neben den einfachen Gattern gibt es in dem Stall ein komplexeres Gatter (nach dem Ver-lassen der Melkmaschine), welches die Kuh in drei unterschiedliche Richtungen führen kann.Dabei kann es im Extremfall vorkommen, dass die Kuh eine 90◦ Grad Kurve durchführenmuss. Es muss also sichergestellt werden, dass das Rig eine Kurve in einem engen Gang von90 Grad absolvieren kann ohne merkwürdige Verformungen zu verursachen. Eine Nachbil-dung dieses Gatters in 3D ist in Abbildung 4.3 zu sehen.

Da durch die Wartezeiten an den Gattern Pausen in der Kuhanimation entstehen, solltendie Ohren und der Kopf ständig in Bewegung bleiben, um die Kuh vor dem Kuss des Todeszu bewahren. Dabei handelt es sich um einen Ausdruck aus dem Zeichentrickfilm, der denStillstand in einer Animation mit dem Tod eines Charakters gleichstellt. Dieser Effekt wirdin Abschnitt 6.3.6 näher erläutert.

4.2. Der Stall und die Anforderung an das Animation-Rig 29

Abbildung 4.3: Das Gatter nach dem Verlassen der Melkmaschine

Kapitel 5

Rigging und Skinning

In diesem Kapitel wird genauer auf das Rigging und Skinning eingegangen. Diese Schrittegehören ohne Zweifel zu den wichtigsten Schritten des Animationsprozesses. Je ordentli-cher und genauer das Rigging und Skinning erfolgt, desto realistischer und aussagekräftigerwird das Ergebnis. Mit Rigging wird der Prozess der Entwicklung des so genannten Rigsbezeichnet. Dabei handelt es sich um eine aus Bones bestehende Steuerstruktur für Geo-metrieobjekte. Genau wie in der Biologie wird auch in der 3D Animation ein Knochengerüstaufgebaut, welches passgenau ins Innere des zu animierenden Charakters gelegt wird. Istdies geschehen, kommt das so genannte Skinning zum Einsatz. Hierbei wird festgelegt wiestark der Einfluss der Bones auf die Verformung der Geometrie ist. Nachdem dieser Prozessabgeschlossen ist, kann nun zum Beispiel der Armknochen bewegt werden und sorgt damitfür eine Armbewegung des Charakters.

5.1 Bones

Bones (Knochen) sind Objekte, die zur Verformung von Geometrien genutzt werden können.Neben den vorgefertigten MAXBones kann, in 3D Studio Max jedes sich in der Szenen be-findliche Objekt als Bone genutzt werden. Das besondere an Bones ist demnach nicht ihreErscheinung, sondern ihre Funktion. Diese besteht darin, ausgehend von der Größe des Bo-nes, andere Objekte zu steuern oder zu verformen. Ein MAXBone setzt sich aus mehrerenKomponenten zusammen, die bei der Erstellung hinzugefügt und angepasst werden können.Das eigentliche Bone ist in Abbildung 5.1 rot gekennzeichnet. Das Gefälle gibt dabei dieRichtung des Bones vor. Der Pivotpunkt des Bones befindet sich an der Spitze der dicke-ren Seite. Aus diesem Grund verhalten sich aneinander gelinkte Bones wie ein Gelenk. DiePlatten, die aus dem Bone ragen, sind die so genannten Fins. Dabei handelt es sich um Hel-fer, die die Größe des Bone-Objektes verändern und ansonsten keine Funktionen besitzen.Der Vorteil dieser Fins wird deutlich, sobald der Skin Modifier oder Physique (siehe Ab-schnitt 5.3) ausgeführt wird. Dieser berechnet den Wirkungsradius der Bones anhand derenGröße. Mit Hilfe der Fins kann so eine schnelle Annäherung an die endgültigen Envelopes(siehe Abschnitt 5.3) erfolgen. Dadurch kann der Skinning-Aufwand deutlich reduziert wer-den. Darüber hinaus sind diese Fins eine optische Hilfestellung um zum Beispiel Rotationen

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32 Rigging und Skinning

um die eigene Achse besser erkennen und manipulieren zu können. Das in Abbildung 5.1grün gekennzeichnete Endstück (nub bone) des Knochens kennzeichnet das Ende einer Bo-neskette. Es wird nur benötigt, wenn Inverse Kinematik (siehe Abschnitt 5.2.2) eingesetztwird. Ansonsten hat das nub bone keine Funktion.

Abbildung 5.1: Bone mit Front und Side Fins

5.2 Aufbau des Skelettes

Ein Bone alleine kann nicht sehr viel bewirken. Es muss ein ganzer Verbund von Bonessinnvoll miteinander verknüpft werden. Inverse Kinematik, die das Steuern der Knochen er-leichtert und in Abschnitt 5.2.2 genauer erklärt wird, muss neben weiteren Kontrollobjektenzur Steuerung des Skelettes realisiert werden. Doch bevor das geschehen kann, sollten einigeÜberlegungen getroffen werden. Was muss das Rig können? Wie soll sich die Kuh späterbewegen? Wie bewegt sich eine echte Kuh? Wie ist das Skelett einer echten Kuh aufgebaut?Um die Bones richtig positionieren zu können, sollte der zu riggende Charakter im Koordi-natenursprung platziert und transparent geschaltet werden. Der Grund hierfür ist, dass dieErstellung der Bones aus einer orthogonalen Seitenansicht erfolgt,sodas alle neu erzeugtenObjekte auf der ZY Ebene erscheinen und sich somit in der Mitte der Kuh befinden. Solltedies nicht möglich sein, kann unter 3D Studio Max ein Grid-Helper genutzt werden. Dieserwird einfach in die Mitte der Kuh positioniert und als aktives Grid genutzt, was zur Folge hat,dass die Bones auf dem aktiven Grid erscheinen. Die Positionierung der Bones orientiert sichungefähr an dem tatsächlichen, anatomischen Skelett der Kuh. Das Rig ist dabei allerdingsvereinfacht, so werden zum Beispiel nicht alle Wirbelknochen der Kuh nachgebaut.

5.2.1 Erstellen der Bones

Ein Rig hat immer einen”Hauptknochen“, dieser wird meist als erstes erstellt und ist hierar-

chisch betrachtet der wichtigste Knochen. An diesen Bone sind alle weiteren Bones gelinkt.Wird dieser Knochen bewegt, so bewegen sich alle anderen mit (ausgenommen Knochen

5.2. Aufbau des Skelettes 33

die mittels IK Handler gesteuert werden). Die korrekte Positionierung dieses wichtigen Bo-nes ist also von großer Bedeutung für ein gutes Rig. Um ein Quadruped Rig zu erstellengibt es zwei unterschiedliche Herangehensweisen. Ein Quadruped kann im Grunde als zwei,durch eine Wirbelsäule verbundene Bipeds angesehen und behandelt werden. Dabei hat dasRig sozusagen zwei Becken die unabhängig voneinander animiert werden können. Bei dieserHerangehensweise hat der Animator volle Kontrolle über den vorderen und hinteren Teil desTieres. Es wäre also möglich das hintere Becken in eine Richtung rotieren zu lassen, ohnedas sich das vordere Becken mitdreht. Einsatzzweck eines solchen Rigs wäre zum Beispieleine Raubkatze in einem Kampf oder bei einer anderen Tätigkeit die ein hohes Maß anAgilität erfordert. Auf Grund der Lebensweise und den damit verbundenen einfachen Lauf-bewegungen einer Milchkuh kann auf diese Komplexität verzichtet werden. In diesem Fallreicht es aus, wenn nur ein

”Rootknochen“ existiert. Dieses Bone wird, wie auch bei einem

Biped, das Beckenbone sein. Von dem Becken ausgehend können nun die weiteren Bonesplatziert werden. Die anatomische Skizze einer Kuh mit Skelett, siehe Abbildung 5.2, gibteinen ersten Eindruck, wo die Knochen in der Kuh positioniert werden. Vom Beckenknochen

Abbildung 5.2: Anatomische Skizze des Skelettes einer Kuh [LSO07]

ausgehend wird zunächst die Wirbelsäule nachgebaut. Diese muss natürlich nicht aus sovielen Wirbeln bestehen wie die einer echten Kuh. Es stellte sich heraus, dass drei Bonesfür den Rücken, drei für den Hals und ein Bone für den Kopf die Ansprüche der Animationin diesem Fall vollkommen bedienen. Ist die Wirbelsäule erstellt, kann, wieder vom Beckenausgehend, diesmal der Schwanz nachgebildet werden. Da die Bewegung des Schwanzes eineweichere und flüssigere ist, als die der Wirbelsäule, wird dieser feiner untergliedert. Ebensowerden die Beine auf einer Seite der Kuh nachgebaut. Ist eine Seite erstellt worden, kanndiese bequem mit dem Bone Mirror Dialog auf die andere Seite gespiegelt werden. Damitsich das Euter der Kuh beim Gehen mitbewegt, wird dieses mit einem Bone versehen, auchwenn dies in der Biologie nicht der Fall ist. Um die Ohren zu bewegen, bekommen dieseebenfalls Bones. Die Fins werden so eingestellt, dass sie die umgebende Geometrie so gutwie möglich befüllen. Dadurch wird im späteren Skinning der Aufwand beim Bearbeiten derEnvelopes reduziert. Nach diesen Schritten ist das Bonegerüst fertiggestellt und kann im

34 Rigging und Skinning

nächsten Schritt mit Inverser Kinematik und weiteren Controllern versehen werden.

Abbildung 5.3: Bonestruktur

5.2.2 Inverse Kinematik und Controller

Jede anatomische Bewegung eines Skeletts ist eine Rotation. Aus diesem Grund sind dieTrajektorien aller anatomischen, vom Skelett ausgehenden Bewegungen bogenförmig. EineBewegung wie zum Beispiel das Pflücken eines Apfels, kann in einzelne Rotationen aufge-teilt werden. Zunächst wird der Oberarm in die grobe Richtung des Apfels rotiert. Dabeibewegen sich der Unterarm und die Hand natürlich mit, weil diese anatomisch und somitauch hirarchisch an dem Oberarmknochen angebunden sind. Hat der Oberarm die richtigePosition erreicht, so dreht sich der Unterarm zum Apfel hin. Ist auch dies erfolgt, kanndie Hand eventuelle Korrekturen der Position mit einer weiteren Rotation durchführen undden Apfel greifen. Dabei besteht das Greifen selbst ebenfalls aus den Rotationen der ein-zelnen Fingerglieder. Die Bewegungen laufen dabei nicht wie beschrieben nacheinander ab,sondern geschehen parallel. Diese Bewegungsabfolge ist zwar logisch und nachvollzioehbarallerdings nicht intuitiv in den Animationprozess einzubringen. Es wäre mühselig und nichtbesonders natürlich diese Bewegung tatsächlich so zu animieren wie eben beschrieben. Fallses doch getan wird, so wird es Forward Kinematik (FK) genannt. Viel einfacher ist es, dieHand an die gewünschte Position zu bringen, und die dafür nötigen Rotation von Ober-und Unterarm vom Computer berechnen zu lassen. Genau dieses Vorgehen ermöglicht dieInverse Kinematik(IK). Wie der Name schon sagt, orientiert sich die Inverse Kinematik oderRückwärtstransformation am hinteren Ende einer Kette von hirarchisch miteinander ver-

5.2. Aufbau des Skelettes 35

knüpften Knochen oder anderen Objekten. Soll Inverse Kinematik verwendet werden, somuss zunächst der Anfangs- und Endknochen bestimmt werden, woraufhin ame Ende derHirarchiekette ein Handler erscheint. Dabei handelt es sich um den so genannten Endeffec-tor. Im {Viewport wird dieser durch ein blaues Kreuz symbolisiert. Der Endeffector kanngenau wie jedes andere Objekt animiert werden. Seine Funktion besteht darin, die Positiondes letzten Glieds der Hirarchiekette zu bestimmen (in diesem Beispiel die Hand). Von dieserPosition ausgehend, werden die Rotationen der hirarchisch höheren Knochen entsprechendderen Freiheitsgraden berechnet. Die Inverse Kinematik erlaubt somit ein weitaus intuitiveresAnimieren, mit deutlich besseren Ergebnis in Blick auf die Natürlichkeit einer Bewegung, daes um ein vielfaches einfacher ist, wie in diesem Beispiel eine Hand zu einem Ort zu ziehenoder zu bewegen, anstatt diesen Ort mittels Rotationen zu erreichen. Die Inverse Kinematikist ein sehr wichtiger Bestandteil eines jeden Rigs [Wei02].

Abbildung 5.4: Forward und Inverse Kinematik

Da die Inverse Kinematik zu den wichtigsten Werkzeugen in der 3D-Animation gehört,wird im Folgenden genauer auf diese eingegangen. Zunächst wird zwischen zwei Formen derIK unterschieden. Einmal die History Dependent Inverse Kinematik (IKHD) und dementspre-chend auch die History Independent Inverse Kinematik (IKHI). Der Unterschied zwischen denbeiden ist dabei, wie die Namen schon vermuten lassen, die Abhängigkeit von der Zeit. IKHDhat den Vorteil, dass nicht nur ein Endeffector erzeugt wird, sondern einer an jedem Joint(die Verbindung zwischen zwei Knochen) welche ebenfalls animiert werden können. Dadurchentstehen so genannte Sliding Joints, welche es erlauben die Knochen aus der Animations-kette zu lösen und zu manipulieren. Diese Art von IK kann für Animationen Maschinen mitFließbändern etc. benutzt werden. Der große Nachteil dieser IK ist die Abhängigkeit desSystems von der Zeit. Genauer gesagt von der Position des jeweiligen Effectors/Joints imvorherigen Frame. Aus diesem Grund sollten nur relativ kurze Sequenzen mit der IKHD rea-lisiert werden. Je länger die Animation dauert, desto weniger Performance wird im Viewporterreicht. Dies ist auch der Hauptgrund für den seltenen Einsatz dieser Methode. Darüberhinaus kann das gleiche Ergebnis mit anderen schnelleren Mitteln erreicht werden. Im Unter-schied dazu ist die IKHI unabhängig von vorherigen Frames und um ein vielfaches schneller.Im Grunde ist fast immer IKHI gemeint, wenn von IK die Rede ist. In Abbildung 5.5 ist

36 Rigging und Skinning

rechts ein einfacher Aufbau einer IKHI Kette und links ein Screenshot des IK Menüs imMotion Panel von 3D Studio Max zu sehen.

Abbildung 5.5: Aufbau einer Inversen Kinematik am Beispiel von Bones.

Nachdem die Inverse Kinematik auf eine miteinander verknüpfte Auswahl von Knochenangewendet wird, sind deren Parameter im Motion panel von 3D Studio Max zu erreichen.In diesem Panel können nun weitere Einstellungen zum Verhalten der Inversen Kinematikgetätigt werden [Autb].

IK Limb Solver Im Dropdown Menü kann zwischen IK-Limb Solver und IKHI-Solvergewählt werden. Der IK Limb Solver ist ebenfalls ein IKHI Solver, der allerdings nur auf zweiKnochen limitiert ist. Dieser zeichnet sich durch Schnelligkeit und Ressourcenschonung aus.Von daher wird dieser auch im Grunde nur bei Game-Engines verwendet, da diese so vielRechenleistung wie möglich sparen möchten. Für die Animation in einem gerenderten Filmist dieser Solver uninteressant.

Enabled und IK/FK Snap Diese Parameter ermöglichen es, zwischen IK und FK hin-und herzuschalten. Ist enabled aktiv, so werden die Rotationen der Bones ausschlißlichdurch den IK Solver berechnet. Mit einem Klick auf den Enabled Button kann dieser aberkurzzeitig ausgeschaltet werden und die Knochen mittels FK manipuliert werden. Durch dasAusschalten wird der IK-Solver aber nicht tatsächlich deaktiviert, sondern er simuliert eineForward Kinematik.

Preferred Angles Es kann eine Stellung der IK mit Klick auf Set PrefAngles gespeichertwerden. Mit einem Klick auf Assume PrefAngles wird die gespeicherte Stellung wieder her-gestellt. Dieses praktische Feature wird bei einem Character idealerweise direkt nach demErstellen der IK gemacht. Werden nun zum Beispiel die Beine bewegt, um etwa die Ver-

5.2. Aufbau des Skelettes 37

formung des Skinnings zu überprüfen oder zu korrigieren (siehe Abschnitt 5.3), so könnendiese danach wieder in die Ausgangsstellung zurückgeschaltet werden.

Bone Joints In diesem Abschnitt können der Start- und Endknochen geändert werden.IK-Solver Plane Da alle Rotationen nun von der IK gesteuert werden, ist es nicht

mehr möglich die Knochen”von Hand“ mittels Rotationsmanipulator um ihre eigene Achse

rotieren zu lassen. Dies ist aber insbesondere beim ersten Knochen häufig von Nöten. Ausdiesem Grund gibt es den Swivle Angle. Dieser bestimmt die Rotation des ersten Knochens,und die durch die Hirarchie entstehende Stellung der IK-Kette. Neben einem einfachenSpinner, kann der Swivle-Angle auch mittels Target Object manipuliert werden. Wie inAbbildung 5.6 zu sehen folgt das IK-Konstrukt dem Target. Den Swivle-Angle mit einemTarget zu steuern, ist vor allem in der Character-Animation ungemein nützlich. Damit lässtsich zum Beispiel der Ellenbogen direkt im Viewport in die gewünschte Position bringenohne vorher in das IK-Menü navigieren zu müssen.

Abbildung 5.6: Swivle Angle und Target

Threshold und Solution Mit Treshold ist die Schwelle gemeint, ab wann und wie starkdie Rotation und Bewegung der Knochen ausfällt. Solution beeinflusst die Genauigkeit mitwelcher der IK-Solver die Rotationen berechnet. Diese Parameter sind in der Standard-Einstellung aber schon gut genug und müssen in der Praxis nur in Spezialfällen verändertwerden.

IK Display Options In diesem Abschnitt des IK Menüs können optische Hilfen hin-zugeschaltet und verändert werden. Zum einen gibt es den End-Effector wie (vergleicheAbbildung 5.6), welcher so zu sagen der Anfasser für die IK-Kette´ist. Mit dem Spinnerkann die Größe des End-Effectors eingestellt werden. Das ist hilfreich, wenn die zu verformen-de Geometrie den End-Effector verdeckt. Neben dem End-Effector kann optional noch das

38 Rigging und Skinning

Goal angezeigt werden. Dabei handelt es sich im Grunde um einen zusätzlichen End-Effector,der allerdings nicht anwählbar ist. Im Gegensatz zum End-Effector übernimmt das Goal dieLage und Richtung des letzten Bones der IK-Kette an. Dadurch kann im Animationsprozessstets die Rotation der Bones um ihre eigene Achse im Auge behalten werden, auch wennder zu animierende Character diese verdeckt. Neben dem Swivle Angle Spinner und demSwivle-Target (Abbildung 5.6) gibt es noch eine weitere Möglichkeit den Swivle Angle zuverändern. Das geschieht mit dem Swivle Angle Manipulator. Manipulatoren können in 3DStudio Max mit Klick auf den

”Select and Manipulate“ Button angezeigt werden. Im Falle

des IK-Manipulators erscheint ein Objekt, ähnlich einer Pinnnadel. Wird auf den Manipu-lator geklickt, so kann der Swivle Angle durch das iehen der Maus nach links und rechtsverändert werden. Die folgende Abbildung 5.7 zeigt einen Screenshot aus dem Viewportvon 3D Studio Max in der ein Manipulator verwendet.

Abbildung 5.7: Verwendung des IK-Swivle angle Manipulators

5.2.3 Helper und Controller

Im vorherigen Kapitel wurden die Bones für das Rig erstellt, welche für die Verformung derGeometrie des Charakters gebraucht werden. Da sich das Rig im Inneren der Kuh befindet,ist es nicht immer leicht, die für die Animation benötigten Knochen oder die End-Effctorsder IK auszuwählen, weil ein Klick in den Viewport immer zunächst das äußere Objektselektiert. Es wird also die Kuhgeometrie selektiert, da diese über den Knochen liegt. 3DStudio Max bietet die Möglichkeit Objekte mittels des

”Select by Type“ Dialogs auszublen-

den. In diesem Dialog kann der Benutzer bestimmen, welche Objekttypen (Spline, Bones,Geometrie, Kameras, Lichter etc.) angezeigt und welche ausgeblendet werden sollen. DieserAnzeigefilter erleichtert den Umgang in einer Max-Szene zwar, ist allerdings recht mühseligwenn ständig zwischen unterschiedlichen Filtereinstellungen gewechselt werden muss. Eine

5.2. Aufbau des Skelettes 39

Möglichkeit die Auswahl der verdeckten Steuerknochen zu erleichtert ist der Wireframe-View (Abbildung 5.8). Dabei handelt es sich um eine Drahtgitteranzeige der Szene. DasDrahtgittermodell ermöglicht den Blick hinter die Kuhgeometrie und somit erleichtert esauch die Auswahl der Knochen. Allerdings besteht die Geometrie der Kuh aus sehr vielenPolygonen, so dass diese beinahe wieder den Blick auf das Innere verdecken. Dies kann inAbbildung 5.8 beobachtet werden. Darüber hinaus können einzelne Objekte in 3D StudioMax in den so genannten X-Ray Modus (Abbildung 5.9), geschaltet werden. Dieser Modusin Verbindung mit einem Freeze Object bietet ebenfalls eine Möglichkeit der Selektion vonverdeckten Objekten. Freeze Object bedeutet dabei, dass ein Objekt zwar sichtbar, abernicht mehr klickbar ist.

Abbildung 5.8: Wireframeansicht der 3Ds Max Szene

Die beschriebenen Methoden erlauben zwar allesamt das Selektieren von verdecktenObjekten, allerdings verursachen sie alle zusätzliche Klicks. Aus diesem Grund werden Hilf-sobjekte erstellt, welche außerhalb der Kuhgeometrie platziert werden und als Linkziele fürKnochen zur Verfügung stehen. Diese Hilfsobjekte fungieren dabei nicht einfach nur als Aus-wahlhilfe, sondern sind zugleich auch Container für diverse Controller, Modifier, Skripte etc.Das vereinfacht den Workflow bei der Animationserstellung. Die Hilfsobjekte, im Folgendennur Helper oder Controller genannt, werden aus Splines erstellt. Der Vorteil dabei ist, dassSpline-Objekte nicht mitgerendert werden. Des weiteren können diese bequem per

”Hide

by Category“ Dialog von 3D Studio Max ein- und ausgeblendet werden. Ebenfalls könnenhier Bones und Geometrie-Objekte ein- und ausgeblendet werden. Dank der Trennung die-ser drei Ebenen, können nicht benötigte Komponenten versteckt werden. Dies ist nicht nurder Übersichtlichkeit zuträglich, sondern kann bei Highpolymodellen auch einen Zuwachsan Performance im Viewport bieten. In Abbildung 5.10 sind die verwenden Spline-Helperdargestellt. Abbildung 5.11 zeigt die Helper in Aktion.

Viele dieser Controller haben weiterführende, mitunter komplexe Funktionen. Im Folgen-den werden diese genauer erläutert und das Erstellen dieser Funktionen beschrieben.

40 Rigging und Skinning

Abbildung 5.9: X-Ray Ansicht der 3Ds Max Szene

Realisierung des Schwanzcontrollers mittels Spring-Controller

Da der Schwanz einer Kuh ständig in Bewegung ist, stellt er ein großen Animationsauf-wand dar. Anstatt den Schwanz von Hand per Keyframes zu animieren, ist es also klügerein System zu entwickeln, in welchem der Schwanz automatisch bewegt wird und den Ani-mationsaufwand dadurch minimiert. Um dieses Problem zu lösen, gibt es mehrere Ansätzeund Möglichkeiten. Zum einen könnte die Schwanzbewegung in den Walk-Cycle integriertwerden und wäre somit immer vorhanden. Allerdings geht dadurch Flexibilität verloren. DieMöglichkeit im Nachhinein auf die Bewegung des Schwanzes Einfluss nehmen zu könnenwäre dabei nicht mehr gegeben. Darüber hinaus gibt es zwei weitere Wege dieses Problemauf eine elegante Weise zu lösen. Diese werden im Folgenden beschrieben.

Die Bewegung des Schwanzes kann als sogenannte secondary Motion angesehen werden.Das bedeutet, dass der Schwanz selbst nicht animiert wird, sondern auf die Bewegungen derKuh reagiert. Es wäre denkbar den Schwanz mittels physikalischer Simulation realistischschwingen zu lassen. Allerdings ist diese Art von Simulation sehr ressourcenhungrig undnicht sehr praktikabel, da das Ergebnis der Simulation erst zur Renderzeit sichtbar ist.Eine Alternative dazu, wäre das physikalische Verhalten des Schwanzes zu imitieren. Dasgeschieht, indem Spring Controller mit IK Handles geschickt kombiniert werden, so dass esaussieht als würde der Schwanz tatsächlich nach den Regeln der Physik agieren. Der Aufbaueines solchen Fakes ist zwar relativ kompliziert und verschachtelt, überzeugt aber durchsofortiges visuelles Feedback und sehr guter Performance. Diese Technik wird häufig in derSpielebranche eingesetzt, um zum Beispiel die Bewegung einer auf einem Auto montiertenAntenne zu simulieren, oder ein am Gürtel hängendes Schwert mitschwingen zu lassen, wennder Held der es trägt, sich bewegt.

5.2. Aufbau des Skelettes 41

Abbildung 5.10: Übersicht über verwendetet Controller bzw. Helperobjekte

Vorgehensweise

Zunächst werden Punkt Objekte erstellt und diese an die Gelenke der Knochen alignt. Nunwerden die Punktobjekte an die Bones wie in Abbildung 5.12 zu sehen ist verlinkt. Durcheine Verlinkung nimmt ein Objekt stets die Bewegung und Rotation des Objektes an, anwelches es gelinkt ist. Dabei ist zu beachten, dass die Verlinkung nicht an das Bone direktunter dem Punktobjekt geschieht, sondern es wird jeweils ein Bone übersprungen. Die-se Vorgehensweise ermöglicht erst den Effekt der secondary Motion. Als nächstes werdenDummy-Objekte erstellt und wiederum an die Position und Ausrichtung der Punktobjek-te mittels des Alignment Tools gebracht. Nun werden die Dummies an die Punktobjektegelinkt. Die Dummies können nun mit Spring Controllern versehen werden. Diese sorgendafür, dass die Dummies nachschwingen, sofern sie eine Rotation oder Translation emp-fangen. Wird nun an dem Bone, welches in der Hierarchie ganz oben steht gedreht, sofolgen die Punktobjekte dieser Rotation und die Dummies schwingen diesen wiederum hin-terher. Da die Bones schon fest hierarchisch eingespannt sind, kann die Schwunginformation

42 Rigging und Skinning

Abbildung 5.11: Controller bzw. Helperobjekte am zuvor erstellten Rig

des Spring-Controllers nicht einfach per Link oder Constraint übergeben werden. Um dasProblem zu lösen, kommen nun IK-Handler zum Einsatz. Dieser wird von Bone zu Bone an-gewendet und die entstandenen IK-Endeffectors werden an das dazugehörige Dummy-Objektgelinkt. Dank dieses Konstruktes, ist es nun möglich durch eine Rotation oder Bewegung desRootknochens des Schwanzes, die Bewegung der weiteren Schwanzknochen schwungartig zubeeinflussen. Als letztes müssen die Eigenschaften des Spring-Controllers angepasst werden,damit das Verhalten des Konstrukts auch dem eines Kuhschwanzes gleicht. Dafür maßge-bend sind Variablen wie Mass, Drag, Tension und Dampening. Mass beeinflusst die wie starkder Spring Controler auschwingt. Wird dieser Wert erhöht, so verstärkt sich der Ausschlagdes Spring-Controllers. Drag simuliert den Luftwiderstand. Je kleiner dieser Wert ist, de-sto mehr schwingt der Spring-Controller nach. Tension bez