3D/Characteranimation

Roman Schieferstein(Großes MM-Seminar)

WS 2003

• 3D Modellierungsgrundlagen• 3D Animation• Characteranimation• Motion Capture Verfahren

Übersicht

• Bildgestaltung wird durch moderne Computer revolutioniert

• Realistisches Animieren und Realisieren von virtuellen Szenen durch immer bessere Hardware

• Immer kostengünstigere Realisierung durch laufend verbesserte Soft- und Hardware

• Qualität ermöglicht fast kein Unterscheiden mehr zwischen echt und virtuell

• Neue Möglichkeiten für Visualisierung und Effekte z.B. fürs Kino

Einleitung

Welches Glas ist real ?

Einleitung

• Edges - Kanten

• Wie ein echtes Glas aus vielen kleinen Atomen besteht, besteht ein virtuelles Glas ebenfalls aus vielen Kleinteilen

• Vertex – Vertices

• Faces - Flächen• Polygone - Vielecke

Grundlagen

• 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

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

Vertices

• Eine Kante ist eine direkte Verbindung zweier Vertices

• Wichtig für Low Polygon Modeling

• Falsch gesetzte Kanten können die Oberfläche negativ beeinflussen

Edges

• Immer dreieckige Gebilde• Sie sind Teil eines Polygons• Desto mehr Faces, desto

glatter und besser das Modell

• Viele Faces brauchen viel Rechenzeit beim Rendern

Faces

• 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

Polygone

• 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

Edgesproblem

• Grundkörper sind fertig modellierte Objekte

• Viele reale Objekte bestehen aus Grundkörpern

• Kombination von Grundkörpern lässt neue Objekte entstehen

• Schnell modellierbar durch Parametereingabe in der Software wie z.B. der Radius

Grundkörper

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

Beispiel: Eine Tasse.Aus welchen einfachen Grundkörpern

besteht sie ?

Grundkörper

• 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

Zusammengesetzte Objekte

• Addition zweier Objekte heisst, der Volumeninhalt beider Objekte wird kombiniert

• Die Verticsstrukturen werden zu einem Netz/Objekt und der Schnittbereich der Vertics entfällt

Addition

• Das Boole'sche Objekt enthält den Volumeninhalt eines Ursprungsobjekts abzüglich des Schnittmengenvolumens.

• Die Verticsstrukturen werden um die Schnittmenge reduziert und um die Schnittfläche erweitert

Subtraktion

• 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

Schnittmenge

• Texturen sind Bilder oder Videos, die auf die Oberfläche gelegt werden

• Sie geben dem Modell ihr realistisches Aussehen

• Man nimmt also das Rohmodell…

…wählt eine Textur aus……und legt die Textur auf die Oberfläche

+

=

Texturen

• Abhilfe: Zuweisung von Teilbereichen der Textur an Polygone

• Einfache Texturzuweisung ermöglicht keine präzise Detailplatzierung

• Problem für präzise Detailzuordnung

• Polygone werden auf der Textur an der richtigen Stelle platziert

Komplexe Texturen

• Zum Schluss wird es mit Texturen versehen und kann nun animiert werden.

• Dann wird das Rohmodell optimiert und geglättet.

• 3D Modellierung zielt darauf ab, ein Polygongitter zu erstellen

Modellbeispiel

• Sichtbar durch kleine Änderungen von Bild zu Bild

• Animation bedeutet Bewegung

• Nach PAL Standard 25 Bilder/Sekunde

• Unser Auge nimmt etwas als flüssig/ animiert wahr ab ca. 15 Bildern pro Sekunde

• 3D technisch gesehen heißt Animation, Objekteigenschaften wie Position und Parameter zeitlich zu verändern

Was ist 3D Animation

1. Objektanimation

Was ist 3D Animation3D Animation lässt sich in 2 Gruppen teilen

2. Kameraanimation

• 3D Animation braucht eine zusätzliche Z- Achse

• XY System aus der Schule bekannt

• 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

Koordinaten-/Bezugssystem

• Standardmäßig links/rechts, oben/unten, vorne/hinten und eine perspektivische Ansicht

• 3D Software hat die 4 Fenstersicht

Weitere Orientierungshilfen

• Ghostbilder zeigen ein paar Bilder des Objektes vor oder nach der aktuellen Zeit

• Anzeigen von Bewegungsbahnen von Objekten

• Bei vielen Objekten geht jedoch die Übersicht verloren

• Hilft der Bewegungsanalyse

• Vorteil:das gesamte Objekt ist zu sehen

• Große Abstände deuten auf schnelle Bewegung, kleine auf langsame hin

Weitere Orientierungshilfen

• In der Animation werden die gespeicherten Werte zu diesem Zeitpunkt wiederhergestellt

• Ein Keyframe speichert Werte wie Größe, Position und sämtliche Objektparameter

• Für eine Animation sind mindestens 2 Keys notwendig

• Jede Animationssoftware bietet die Keyframeanimation an

Keyframes

• Keyframing spart Speicher zu Lasten eines höheren Rechenaufwands

• Bilder zwischen 2 Keyframes werden interpoliert

• Wie sich Werte zwischen 2 Keys verändern, wird durch die Keydynamik bzw. Animationskurven festgelegt

• Keyframes speichern Parameter, die eine hohe Aussagekraft über den Bewegungsverlauf aussagen

Keyframes

1. Automatisch weiche Übergänge

• Keydynamik legt fest ob Objektwerte von Key zu Key konstant oder gedämpft übergehen. Die 6 typischen Beispiele sind:

2. Konstante Übergänge

3. Harte Übergänge

• Ein Key kann 2 Charakteristiken haben für den Eingang und Ausgang

4. Sanft abbremsen/ beschleunigen

5. Schnell abbremsen/ beschleunigen

6. Benutzerdefinierte Kurvendynamik

Keydynamik

Praktische Übung

Animationskurven

Wie verhält sich der Ball bei dieser Animationskurve ?

Lösung: Konstante Bewegung

Animationskurven

Wie verhält sich der Ball bei dieser Animationskurve ?

Lösung: Gedämpfte Bewegung

Wie verhält sich der Ball bei dieser Animationskurve ?

Animationskurven

Lösung: Harte Bewegung

Wie verhält sich der Ball bei dieser Animationskurve ?

Lösung: Realistische Bewegung(kombinierte Dynamik)

Animationskurven

• 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

Partikelsysteme

Man unterscheidet 2 Arten von Partikelemittern

Die Festemitter z.B. kleiner Zylinder

Objektbezogene Emitter

Partikelemitter

• Die Partikel selber können verschiedene Formen haben

- Tropfenform (für z.B. Wasser)- Strichform (für z.B. Funken)- Quaderform (für z.B. Feuer)

Partikel

• Partikel können Texturen erhalten• Partikel können beeinflusst werden durch

Modifikatoren wie:

- Schwerkraft- Wind - Deflektoren

Partikel

• Ein fertiges Feuerbeispiel. Verwendet wurde:

- Wind- Objektemitter - Quaderpatikel- Partikeltextur

Partikel Beispiel

• 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

Anwendungsgebiete

• Maschinenbau

• Milimetergenaue Visualisierung von Maschinenteilen

• Funktionstests wie würden sich Teile verhalten

• Unfallrekonstruktion

• Auswertung von Black Box Daten

• Visualisierung des Unfallhergangs

Anwendungsgebiete

• 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

Characteranimation

• Benötigt wird sehr leistungsfähige Hardware

• Berechnungen von Animationen in NT Clustern

• Meistverwendete Animationssoftware: - SoftImage 3D - Maya - 3D Studio MAX

• Grafikperformance sehr wichtig

Hard- / Software

• Das Modell muß wie ein echter Mensch mit einem einfachen Skelett versehen werden

• Zum Animieren wird das Skelett animiert und das Modell folgt dem Skelett

• Das Skelett legt grundlegende Bewegungsparameter fest

• Die Skelettstruktur ähnelt der echten Anatomie

Skelett

• Kinematik – ein Teil dreht und mehrere folgen

• Bei der Inversen Kinematik bewegt man IK zum Ziel, und der Rest folgt automatisch

• Hilft beim manuellen Animieren ohne Motion Capture Daten

• Bei der Forward Kinematik muß Arm 1,2,3 gedreht werden um das Ziel zu erreichen

• Problem der IK: Das Ziel kann mehrere Ausgangsstellungen haben. Abhilfe durch Winkelbeschränkung

Kinematik

• Das schwierigste ist, eine Figur real zu animieren

• Motion Capture zeichnet reale Bewegungsabläufe auf von Personen, Tieren oder Maschinen

• Je realistischer die Figur, desto kritischer bewertet der Zuschauer seine Bewegungen

• Einfaches Laufen ist bereits bei Mann und Frau unterschiedlich

• Zur Erfassung haben sich 3 Verfahren bewährt: Optische, magnetische und mechanische Systeme

Motion Capture

• 3 Kameras verfolgen die Markierungen

• Infrarotlicht bestrahlt die Marker

• Der Akteur trägt einen Anzug mit Markierungen an allen wichtigen Stellen

• Die Kameras werden genau vermessen mit Abstand und Winkel

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

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

Optische 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

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

Magnetische Systeme

• Nachteil: das Magnetfeld lässt sich schnell durch Metallteile stören

• Capturerate geringer als optische Systeme

• Vorteile: Das System ist echtzeitfähig

• Keine Probleme durch Verdeckung von Sensoren, dadurch keine Nachbearbeitung nötig

• Mehrere Akteure möglich

Magnetische Systeme

• Brauchen kein Bezugssystem

• Arbeiten autonom oder per Kabel

• Bewegung wird direkt am Körper gemessen durch elektromechanische Sensoren

• Veränderung des Widerstands im Sensor bedeutet Bewegung

Mechanische Systeme

• Nachteil: Sperrig durch das Gerüst, keine Kampfszene etc.

• Da kein Bezugssystem vorhanden wird die reine Körperbewegung aufgezeichnet. Springt man muß der räumliche Aspekt später eingefügt werden.

• Vorteile: Keine räumliche Bindung oder Studio notwendig

• Echtzeitfähig und schnelle Captureraten möglich

Mechanische Systeme

Magnetisch Optisch Mechanisch

Hardwareanforderung 3 Transmitter 6-14 Receiver

3 Kameras Marker und

Strahler

Anzug mit Gestänge

Softwareanforderung Mittel Komplex Einfach

Samplingrate 120 Hz 250 Hz 60-240 HzReichweite 9m 40m 50-1000mVerzerrungsfrei Nein Ja JaKalibrierung Aufwendig Aufwendig LeichtMehrere Personen Ja, aber Interferenzen Nein, wegen

VerdeckungJa, aber Einschränkungen durch Gestänge

Beweglichkeit Einschränkung durch Kabel/Rucksack

Sehr gut Einschränkungen durch Gestänge

Kosten 5.000-150.000 EUR 100.000-250.000 EUR 5.000 EUR

Vergleich aller Systeme

Zuerst werden die Rohdaten gecaptured durch die Akteure

Motion Capture am Beispiel

Dann können die Rohdaten dem Skelett zugeordnet werden

Motion Capture am Beispiel

Zum Schluß werden Ton, Szenerie und Modelle zugeordnetMotion Capture am Beispiel

• Kinofilme / Werbung• Aliens oder Gegenstände laufen

und sprechen lassen• Animation von Bewegungen die für

Menschen nicht möglich ist (z.B. Matrix)

• Computerspiele• Realistisches Bewegen von

Spielcharakteren

• Zwischensequenzen

Einsatzgebiete

Welches Glas ist real ?…das rechte Glas.

Das Finale