Computeranimation

Computeranimation Vortrag im Seminar Computergraphik Alan Akbik

Zielsetzung • Was ist Animation? Ein kurzer Einblick in ihre Entdeckung • Überblick über die verschiedenen Arten der Computeranimation und Begriffsklärung • Ein Beispiel zur Partikelanimation • Methoden zur Umsetzung von Hierarchischer Bewegung

Struktur des Vortrags • Zielsetzung/Motivation • Entdeckung der Animation • Starrkörperanimation • Physikalische Simulation • Partikelanimation • Zusammengesetzte Strukturen / Hierarchische Bewegung • Verhaltensgesteuerte Animation

Entdeckung der Animation (1) • 1820: Peter Mark Roget veröffentlicht seinen Bericht ‚The Persistance of Vision with Regard to Moving Objects‘ • Er stellt fest, dass das menschliche Auge ein Bild etwa 1/16 einer Sekunde lang in der Retina behält, auch wenn dieses Bild schon verschwunden ist • Gezeigt durch das Thaumatrope, 1824 erfunden von John A. Paris

Thaumatrope

Entdeckung der Animation (2) • Mit sehr schnell aufeinanderfolgenden, sich leicht verändernden Bildern kann der Eindruck von Bewegung gewonnen werden • 1832: Phenakistoscope (Joseph Plateau) • 1834: Zeotrope (William George Horner)

Entdeckung der Animation (3) • 1919 Max Fleischer - ‚Feline Follies‘

Pixar - Luxo Jr. Erster gerenderter Film - 1986

Starrkörperanimation • Im Englischen: Rigid Body Animation • Begriffsklärung Interpolation/Keyframing • Explizites Skripten Grundlegendste Art der Animation Umfasst Translation und Rotation

Interpolation/Keyframing • Einige Schlüsselframes werden angegeben, der Computer soll die dazwischenliegenden Frames interpolieren • Lineare Interpolation oft nicht ausreichend

Alternativen zur linearen Interpolation • B-Splines http://www.public.asu.edu/~ambar/cagd/bspline/ http://www.cs.technion.ac.il/~cs234325/Homepage/Applets/applets/bspline/GermanApplet.html • Explizites Skripten

Physikalische Simulation • Idee: Nutze Gesetze der Physik um realistische Bewegungen zu erzeugen • Auf Objekte wirken zB Schwerkraft, Beschleunigung, Luftwiderstand • Der Animator gibt für Objekte Masse, Startgeschwindigkeit, -beschleunigung, -richtung an • Der Computer simuliert und animiert die daraus folgende Bewegung

Probleme • Kontrolle nur über die Startwerte der Objekte • Komplexe Systeme sehr schwer zu modellieren • Problem der Inversen Dynamik

Partikelanimation • Wird benutzt zum Erstellen von Effekten wie • Explosionen • Feuer • Nebel • Wasser(dampf) • Sternenfenster

Was ist ein Partikel? • Eine sehr kleine Primitive (e.g. ein Wassertropfen, ein Sandkorn, ein Funken...) • Teil einer großen Menge von Partikeln • Entlang eines vorgegebenen Skriptes randomisierte Bewegung (Ausrichtung, Lebensdauer u.s.w...)

Attribute eines Partikels • Startposition • Startrichtung und Startgeschwindigkeit • Transparenz • Form • Lebensdauer

Durchzuführende Schritte pro Frame • Partikel deren Lebensdauer abgelaufen ist werden entfernt • Neue Partikel werden generiert • Den neuen Partikeln werden individuelle (randomisierte) Werte gegeben • Partikel werden bewegt (andere Werte wie Farbe oder Transparenz gegebenenfalls geändert) • Partikel werden gerendert

Beispielprogramm In der Präsenation wurde an dieser Stelle das Programm „Fireworks“ gezeigt. Im Netz zu finden unter www.sulaco.co.za/opengl2.htm Auf den folgenden Seiten ein Blick auf den Quelltext des Programms

Typdefinition const EXPLOSION_SIZE = 0.8; type TParticle = Record X, Y, Z : glFloat; dX, dY, dZ : glFloat; R, G, B : glFloat; end; TFirework = Record Particle : Array[0..127] of TParticle; Trail : Array[0..15] of TParticle; StartTime : Integer; Duration : Integer; Style : Integer; X, Y : glFloat; dX, dY : glFloat; end;

Procedure SetupFirework // exploding particles for I :=0 to 127 do with Firework[N].Particle[I] do begin if Firework[N].Style < 2 then R := (random/6 +0.4)/10*EXPLOSION_SIZE else R := (random/10 -0.05)*EXPLOSION_SIZE; dX :=R*cos(I/10); dY :=R*sin(I/10); dZ :=R*cos(I/4); X :=dX; Y :=dY; Z :=dZ; if Clr = 0 then R :=random/3 + 0.7 else R :=random/3 + 0.4 if Clr = 1 then G :=random/3 + 0.7 else G :=random/3 + 0.4; if Clr = 2 then B :=random/3 + 0.7 else B :=random/3 + 0.4; end;

Zusammengesetzte Strukturen / Hierarchische Bewegung • Begriffsklärung: • Articulated Structures • Foward Kinematics • Inverse Kinematics • Motion Capturing

Articulated Structures (1) Objekte mit Gelenken Für die Animation eines solchen Objektes muss zunächst eine skelettartige Struktur modelliert werden

Articulated Structures (2) Eine Gelenkhierarchie muss festgelegt werden

Articulated Structures (3) • Für jedes Gelenk müssen Freiheitsgrade festgelegt werden • Es gibt 6 Freiheitsgrade: • Bewegung entlang der X-Achse, Y-Achse, Z-Achse • Roll: Rotation um X-Achse • Pitch: Rotation um Y-Achse • Yaw: Rotation um Z-Achse

Forward Kinematics (1)

Hierarchische Bewegung Forward Kinematics ist mit viel Aufwand verbunden Idee: Keyframing für Articulated Structures

Inverse Kinematics (1) • Man gibt Keyframes des Objektes an • Computer interpoliert dazwischenliegende Frames • Interpolation bleibt dem Skelettbau und den Freiheitsgraden der Gelenke treu

Inverse Kinematics (2)

Inverse Kinematics (3) • Selbst bei Strukturen mit wenigen Gelenken gibt es oft verschiedene Wege einen Zielpunkt zu erreichen

Inverse Kinematics (4) Kürzester Weg soll animiert werden Oftmals viele gleichwertige Lösungen Anzahl der Lösungen steigt exponential mit höherer Anzahl an Gelenken

Inverse Kinematics (5) • Vorteile: • Schlüsselframes genügen zum erzeugen einer animierten articulated Structure -> stark reduzierter Aufwand • Nachteile: • Bei komplexen Strukturen (viele Gelenke) Berechnung sehr aufwendig • Entzieht künstlerische Freiheit

Motion Capturing (1) • Einem Menschen (oder anderem Objekt mit Skelettstruktur) werden an für die benötigte Bewegung wichtigen Stellen Sensoren angebracht • Der Mensch läuft diese Bewegung durch, während die Positionswerte der Sensoren aufgezeichnet werden • Auf dieser Basis lassen sich natürliche Bewegungen im Computer rekonsturieren

Motion Capturing (2) Beispiel eines real-time Motion Capturings Man bemerke: Finger und Füße bleiben immer starr ausgerichtet

Motion Capturing (3) • Vorteile: • Menschliche Bewegungen mit vergleichsweise niedrigem Aufwand in hoher Qualtät • Nachteile: • Nur vorgefertigte Sequenzen

Verhaltensgesteuerte Animation • Animierte Figuren bewegen sich entsprechend ihres festgelegten Verhaltenskodex‘ • Sind nur über diesen zu steuern, ähneln also Agenten • Nützlich für Computerspiele • Nützlich zB für die Animation von Tierherden (König der Löwen)

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