Proseminar Computer Graphics Modeling Game Characters

computer graphics & visualization

Proseminar Computer GraphicsModeling Game Characters

Dominic Degel18.12.2007

Modeling Game CharactersDominic Degel

Überblick• Motivation

– Erfolgreiche Spiele-Charaktere• Der Modeling-Prozess

– Vom Papier bis zum fertigen Model• Modeling-Techniken

– Polygonal Modeling• Subdivision/Box Modeling• Inflation/Extrusion Modeling

– Curve/Surface Modeling• Texturierung

– Texturkoordinaten und Erstellung von Texturemaps• Verbesserungsmöglichkeiten

– Normalmapping– Subdivision Surfaces

Motivation• Einige erfolgreiche Charaktere

Motivation• Ziele guter Charaktere?

– Identifikation des Spielers mit dem Charakter– Einzigartigkeit

• Was mache einem (guten) Charakter aus?– Name – Hintergrundinformationen– Aussehen– Sprache– Auftreten – …

Der Modeling-Prozess• Entwickler

– Grobe Vorstellungen und Entwurfszeichnungen– Textuelle Beschreibung

• Designer– Detaillierte perspektivische Zeichnungen– Vorder- / Rück- / Seitenansicht– Vorlage für die Modellierer

Der Modeling-Prozess• Modellierer

– Skizzen des Designers als Vorlage– Erstellt Polygonmodell

• Verschiedene Modellierungsarten• Richtlinien (Polygonanzahl etc. )

• Weitere Aufgaben– Optimierung

• Polygonanzahl reduzieren• Bumpmapping und Normalmapping

– Texturieren• Zeichnen von Texturen• Texture Mapping

– Animation der Modelle• Knochenmodell• Bewegungen des Körpers• Animation des Gesichts

Modeling-Techniken• Polygonal Modeling

– Darstellung von Objekten mittels Polygonen– „ Standard “ in der Echtzeit-Computergrafik

– Nachteile• Schlecht für gekrümmte Oberflächen geeignet• Hoher Rechenaufwand bei vielen Polygonen

Modeling-Techniken• Polygonal Modeling – Subdivision/Box Modeling

– Ausgangspunkt sind primitive Formen– Gezieltes Einsetzen von Techniken um die

groben Formen immer detailreicher zu gestalten

– Verwendete Techniken zB:• Skalieren von Faces• Hinzufügen neuer Vertices

-> Unterteilung in kleinere Strukturen• Verschieben von Vertices/Edges/Faces• Extrudieren bestehender Faces

– 1. Erstellung eines Quaders

– 2. Unterteilung des Faces durch Einfügen neuer Vertices

– 3. Extrudieren von Faces (Annäherung der Grobstruktur)

– 4. Ziehen und Verschieben von Vertices (Annäherung der Grobstruktur)

– 5. Weitere Unterteilung der Faces (für feineres Modelling)

– 6. Stauchen / Strecken von Gruppen von Faces

– 7. Ziehen von Vertexgruppen / Strecken von einzelnen Faces

– 8. Erstellen von neuen Faces durch Verknüpfung von Vertices

– Vorteile• Gute Annäherung feiner Strukturen möglich• Verwendung von Standard-Tools möglich• Auch für Anfänger gut geeignet

– Nachteile• Polygonanzahl schlecht vorhersehbar• Annäherung an Vorlagen (Skizzen) umständlicher

Modeling-Techniken• Polygonal Modeling – Inflation/Extrusion Modeling

– Entwürfe des Designers dienen als Vorlage– Erfassen der Konturen

• Seitenansicht des Entwurfs in den Hintergrund legen• Verwendung des „Line Tools“• Unterteilung des Körpers in Kopf, Torso, Arme und Beine• Beabsichtigte Polygonanzahl

– 3D-Körper erstellen• Frontansicht verwenden• Kopf und Körper auf die halbe Größe erweitern• Arm und Bein auf die volle Größe erweitern

– Anpassen der Bein- und Armform• Verwendung aller Ansichten• Entwürfe des Designers wieder im Hintergrund• Vertices an die richtigen Positionen ziehen

– Glätten des Körpers und Gliedmaßen verbinden• Körperform in Frontansicht anpassen• Übergang vom Körper zum Bein modellieren• Mit neuen Faces den Arm mit dem Körper verbinden

– Modell vervollständigen• Gespiegelte Kopie der Körperhälfte mit der bestehenden Hälfte verbinden

– Vorteile• Sehr genaue Einhaltung der Designvorlagen (Skizzen)• Nur eine Körperhälfte muss modelliert werden• Gute Annäherung feiner Strukturen möglich• Verwendung von Standard-Tools möglich

– Nachteile• Wesentlich mehr Erfahrung des Modellierers nötig• Langwieriger als Subdivision/Box Modeling

Curve/Surface Modeling• Interne Darstellung: mathematische Funktionen• Verbreitete Arten

– Beziér Curves– NURBS (2D)– NURBS (Surface)

Texturierung• Ziele

– 2D-Bilder (Texturen) auf 3D-Meshes mappen (UV-Mapping)– Nahtlose Übergänge– Vermeidung von Verzerrungen

Texturierung• Aufbau von Texturen

– Zweidimensionales „uv“-Koordinatensystem von (0,0) bis (1,1)– Oftmals eine Textur-Datei für das ganze Modell– Jedem Vertex wird eine

uv-Koordinate zugewiesen (uv-Vertices)– Die uv-Vertices bestimmen den zu

verwendenden Texturausschnitt

(1,1)(0,1)

Texturierung• Grundlegende Projektionsverfahren

– Flat Mapping• Projektion aus einer

Richtung• Randpixel werden

wiederholt• Gut bei ebenen Flächen• Schlecht bei komplexen

Objekten

– Cube Mapping• Projektion aus 6 Richtungen• Schnelle Technik für

unwichtige Teile einesObjekts

• Schlecht für organischeObjekte (ungenau)

• Kein spezifisches Mappingmöglich (Gesicht)

– Tube Mapping• Textur wird um Objekt

herum gelegt• Gut geeignet für zylin-

drische Objekte(Arme, Beine, Kopf)

– Sphere Mapping• Kugelförmige Projektion• Gut geeignet für alle

kugelförmigen Objekte

Texturierung• UV-Mapping: Unwrapping (Beispiel Blender)

– Aufklappen eines Meshes entlang von Schnittkanten (Seams)– Weg zum Erstellen einer 2D-Vorlage

Texturierung• UV-Mapping: Unwrapping

– Wir haben eine Vorlage für das Bildbearbeitungsprogramm– Wir erstellt man nun eine Textur die zur Vorlage passt?

• Vorlage des Modellierers (Fotos) sehr hilfreich• Sehr zeitaufwändig da sehr viel Handarbeit nötig

– Beispiele komplexer Texturen

Normalmapping• Ohne Normalmapping

– eine Normale pro Face/Vertex als Grundlage für Shading– Durch Phong/Gouraud Shading weiche Übergänge aber keine Struktur– Feine Strukturen nur durch hohe Polygonanzahl zu erreichen

• Mit Normalmapping– Beliebig viele unabhängige Normalen

pro Face– Simulation von Oberflächenstruktur

ohne Erhöhung der Polygonanzahl

Normalmapping• Benutzung

– Übertragung der Ausrichtung der Normalen-Vektoren von einem hochauf ein niedrig aufgelöstes 3D-Modell

– Vergrößerung des Detailreichtums ohne Erhöhung der Polygonanzahl• Aufbau einer Normalmap

– RGB-Bilddatei– Die RGB-Werte eines Pixels bilden die

zyx-Koordinaten der entsprechenden Normalen

Normalmapping• Was genau macht Normalmapping?

– Mapping auf Objekt erfolgt wie bei normaler Textur– Beim Lighting werden die eigentlichen Normalen durch die der

Normalmap ersetzt– Normalen stehen nicht mehr senkrecht auf Polygon sondern zeigen in

beliebige Richtung– Eindruck von Struktur entsteht

Normalmapping• Mögliche Verwendung

– Detailreichtum von Highpoly Modellen auf Lowpoly Modelle übertragen-> Normalmap aus Highpoly Modell berechnen

• Berechnung einer Normalmap– Leere Texturemap auf Lowpoly Modell mappen– Highpoly Modell wird als Referenz über Lowpoly Modell gelegt– Für jeden Pixel der Texturemap wird ein Strahl entlang der Normalen des

Lowpoly Modells geschossen– Normale im Schnittpunkt berechnen

und als RGB-Wert in Texturemapspeichern

Normalmapping• Beispiele

Normalmapping• Vorteile

– Feine Strukturen mit geringer Polygonanzahl möglich– Berechnung kann automatisch erfolgen

• Nachteile– Zur Berechnung ist eine Referenz (zB Highpoly Modell) erforderlich– Kanten an den äußeren Polygonen (Silhouette) sichtbar

Subdivision Surfaces• Erzeugung glatter Oberflächen aus groben Kontroll-Meshes• Bekanntester Algorithmus: Catmull-Clark

– Edwin Catmull (Pixar)– Jim Clark (Gründer von u.a. Silicon Graphics und Netscape Comm. Corp)– Academy Award for Technical Achievement 2006– Aufteilung bestehender Polygone in mehrere neue Polygone und Anpassung an Umgebung

AusgangsobjektCatmull-Clark (Level 2)

Subdivision Surfaces• Catmull-Clark Subsurfs

– Bester Verfeinerungsalgorithmus für Vierecks-Meshes– Ergebnis ist wieder ein Vierecks-Mesh– Mehrfache Anwendung führt zu deutlich weicheren Übergängen– Wird in vielen 3D-Anwendungen verwendet

Subdivision Surfaces• Catmull-Clark Subsurfs: Beispiele

Vielen Dank für die Aufmerksamkeit

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