3D/Characteranimation

1. 3D/Characteranimation Roman Schieferstein (Großes MM-Seminar) WS 2003

2. 3D Modellierungsgrundlagen Übersicht • 3D Animation • Characteranimation • Motion Capture Verfahren

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

4. Einleitung Welches Glas ist real ?

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

6. Vertices • Was bei einem echten Apfel die Atome sind, sind beim virtuellen die Vertices • Ein Vertex ist eine 3D Raumkoordinate • Nicht sichtbar im Endbild, nur zur Modellierung • Vertices sind markante Endpunkte der Oberfläche

7. Vertices • Ein Modell kann aus sehr vielen Vertices bestehen bis zur endgültigen Form • Für die komplexen Anordnungen gibt es spezielle Modellierverfahren, man setzt nicht jeden Vertex manuell

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

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

10. Polygone • Sichtbare Flächen des Modellgitters • Ein Polygon hat mindestens 3 Vertices oder mehr • Alle Polygone ergeben das fertige Modell/Mesh • Polygone fassen angrenzende Faces einer Ebene aus Performancegründen zusammen

11. Edgesproblem • Kein Problem, wenn alle Vertices eines Polygons in einer Ebene liegen • Problem dann, wenn Vertices auf unterschiedlichen Ebenen im Raum liegen • Folgen: Die Oberfläche folgt nicht mehr dem geometrischen Fluss • Fällt auf bei Low Poly Modellen, bei High Poly Modellen weniger

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

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

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

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

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

17. Schnittmenge • Das fertige Objekt enthält nur den gemeinsamen Inhalt der beiden Einzelobjekte, also der Bereich, in dem sie sich überschneiden • Die Verticsstrukturen werden auf die Schnittmenge reduziert

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

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

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

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

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

23. Koordinaten-/Bezugssystem • XY System aus der Schule bekannt • 3D Animation braucht eine zusätzliche Z- Achse • Dient der Orientierung im Raum und zur Bestimmung von Strecken • Basiskoordinatensystem ist unveränderbar • Jedes Objekt hat ein lokales K.System • Das lokale folgt einer Bewegung und Drehung

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

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

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

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

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

29. Praktische Übung

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

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

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

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

34. Partikelsysteme • Sie ermöglichen die Animation von nicht Greifbarem wie - Wasser - Feuer - Funken - Rauch • Typische Parameter sind: - Partikelanzahl pro Sekunde - Geschwindigkeit und Richtung der Partikel - Größe der Partikel

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

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

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

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

39. Anwendungsgebiete • Simulation von Fabriksystemen • Planung von Erweiterungen • Systemfehler frühzeitig erkennen • Planen und Realisieren von Gebäuden • Kosten und Material- berechnung durch 3D Bausoftware • Virtueller Lauf durch das Haus vor dem Bau

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

41. Characteranimation • Ist die königliche Spitze der 3D Animation • Beschäftigt sich mit der Animation von Lebewesen aller Art wie: - Menschen - Roboter / Maschinen - Tiere - animierte Gegenstände • Erfordert Kenntnisse über die Anatomie der Figur • Setzt perfekte Kenntnisse der 3D Grundlagen voraus für realistisches Animieren

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

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

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

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

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

47. Optische Systeme • Jede Kamera schaut auf einer Achse • Der überlappende kubische Bereich ist der mögliche Aktionsraum • Zu jedem verfolgten Marker errechnet der Computer anhand der Positionsdaten der Kameras die Markerposition

48. Optische Systeme • Größtes Problem: Verdeckung von Markern verhindert das Verfolgen • Dadurch keine Interaktion mit zweiter Person • Verdeckung erfordert Nachbearbeitung der Daten • Durch Verdeckungen nicht echtzeitfähig • Durch die Optik sehr genau und hohe Captureraten möglich

49. Magnetische Systeme • Der Akteur trägt einen Anzug mit Hall Sensoren an allen wichtigen Stellen • Der Akteur bewegt sich in 3 tiefrequenten Magnetfeldern • Die Sensoren messen die Laufzeit vom Einschalten des Feldes bis zum Empfangen und senden die Zeit an den Zentralrechner • Anhand aller Laufzeiten kann der Sensor im 3D Raum bestimmt werden

50. Magnetische Systeme • Der Zentralrechner schaltet alle 3 Felder kurz nacheinander ein und aus • Im Rucksack werden alle Laufzeiten aufgezeichnet und übermittelt (Funk) • Übermittlung per Funk oder Kabel • Anhand aller Laufzeiten, Positionsdaten und Winkel der Sendeeinheiten wird die Raumkoordinate berechnet