prozedurale generierung digitaler medien am beispiel abstrakter formen
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4M. Steinberg 12.01.2011 M. Steinberg Gestaltung und Produktion prozedural erzeugter Digitaler Medien am Beispiel abstrakter Formen 4
Gestaltung und Produktionprozedural erzeugter Digitaler Medien
am Beispiel abstrakter Formen
Quelle:http://www.flickr.com/photos/kozmoczki-attila/4887640479/
5M. Steinberg 12.01.2011 M. Steinberg Gestaltung und Produktion prozedural erzeugter Digitaler Medien am Beispiel abstrakter Formen 5
Ablauf Einleitung: Definition von „prozedural“
Abstrakte Formen
Prozedurale Inhalte bei Digitalen Medien
Werkzeuge und Algorithmen
Vor- und Nachteile prozeduraler Erzeugung
Zusammenfassung / Subsumption
Quellen / Links
6M. Steinberg 12.01.2011 M. Steinberg Gestaltung und Produktion prozedural erzeugter Digitaler Medien am Beispiel abstrakter Formen 6
Procedural techniques are code segments or algorithms that specify some characteristic of a computer-generated model or effect. (Ebert et al.)
Quelle: http://www.flickr.com/photos/mngyver/
7M. Steinberg 12.01.2011 M. Steinberg Gestaltung und Produktion prozedural erzeugter Digitaler Medien am Beispiel abstrakter Formen 7
Praktisches Beispiel
Kein Foto (Pixel) zur Darstellung einer Pflanze, Pflanze wird erst über Regeln
definiert, virtuelle Pflanze wird erzeugt und dargestellt,
Prozeduren (Methoden, Abläufe) generieren Objekte,
Abfolge von Anweisungen bzw. Algorithmen,
Objekte werden vom Computer über Algorithmen dynamisch in Echtzeit (auf Anfrage) erzeugt.
8M. Steinberg 12.01.2011 M. Steinberg Gestaltung und Produktion prozedural erzeugter Digitaler Medien am Beispiel abstrakter Formen 8
SYNTH: 100% pure math art!
.kkrieger: 96K gross
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Prozedurale Techniken Algorithmen (Programmiercode) für Beschreibung und
Erzeugung von Eigenschaften und Aussehen von z.B. Oberflächen, Objekten, Landschaften, Gebäuden, Welten, Spielinhalten, ….
Abstrakt: Welt mit mathematischer Beschreibung Über Geometrie und wiederkehrende Formen möglich, “The simplest mathematical objects are numbers, and the
simplest of nature’s patterns are numerical.“ (I. Stewart) Blumen haben z.B: meist 3,5,8,13,… Blätter (Fibonacci).
Je abstrakter, desto einfacher umsetzbar. Erstellung geometrischer, komplexer Formen und
Modelle. Techniken auch für andere Themen der Informatik
adaptierbar.
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Abstrakte Formen
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Selbstähnlichkeit Eins der mächtigsten Konzepte der Programmierung ist
Rekursion: Ablauf (Prozedur) ist unterteilt in Sequenzen der Wiederholung
von sich selbst. Einfaches Beispiel (nach Stewart) ist eine Mauersteinwand Prozedur Wanderstellung ist über Replikation von sich selbst
definiert. Stopp, wenn Wand hoch genug (Abbruchbedingung).
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Inhaltsgenerierung MultimediaProcedurale Content Generation (PCG)
Z.B. Texturen, 3D-Körper und Welten, Partikel, Geräusche, Charaktere (Avatare), Animationsabläufe, Zufallsereignisse/anzahlen, Level, Spielinventar, Gegenstände, Texte, Sounds, …..
Modellierung und Animation, Video und digitaler Film, Virtuelle Welten, Simulationsinhalte, Sound Generation. Spiele.
Sonstige Inhaltsgenerierung (Text, Audio, Video,…) .
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Spiel: Spore-Editor
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Animation/Film: Ratatouille
Prozedurale Erzeugung von Nahrung:
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Weitere Anwendungsfälle
System zur Simulation von Personenströmen Mit Hilfe von Simulation Wege nach Effizienz und
Sicherheit beurteilen und verbessern. Mit Hilfe genetischer Algorithmen Optimierungen im
Entwurf der Gebäude optimale Aufteilung Grundriss in Korridore und
unterschiedliche Wohnungen. Generierung eines Gebäudes, basierend auf
Regeln Selbstähnliche Strukturen in Städten Z.B.: Straßennetze einer Großstadt prozedural verlegen
und die einzelnen Bauwerke an die erzeugten Netze anpassen.
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Verbreitung prozeduraler Techniken
Nimmt beständig weiter zu in letzten Jahren.
Hoher Anspruch an realitätsgetreue Darstellung und abwechslungsreiche Digitale Medien.
„Von Hand“ oft nicht zu bewältigen zu teuer und zu aufwendig, oder zu große
Dateigrößen/Ladezeiten.
Zufallsgenerierte Inhalte sorgen für sonst nicht mögliche Vielfalt an Lösungen, aber auch für gestalterischen Kontrollverlust.
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Vorteile
Umfangreiche Daten in unendlichen Variationen automatisiert erzeugbar,
geringer initialer Speicherbedarf (durch Abstraktion als Algorithmus),
keine Inkompatibilitätsprobleme durch verschiedene grafische Ausgabeformate,
Änderungen und Anpassungen an Inhalten einfacher (z.B. Ratatouille Nahrung),
Anpassung von Inhalten zur Laufzeit (in Echtzeit) Reagieren auf Kontext und Interaktion.
Nutzer-generierte Inhalte mit Funktionen möglich („Owning“).
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Beispiel: Auflösung einer Textur Grafiker entscheidet zu Beginn, in welcher Auflösung eine Textur
verwendet wird, Prozedural nicht notwendig:
Textur kann variieren und wird für gegebene Situation passend erzeugt. Parametrische Kontrolle steuert und variiert zu erzeugende
Inhalte: Größe eines Baums, Anzahl Beine und sonstige Eigenschaften über
Parameter kontrolliert, Programm nutzt Zufallsgenerator, generiert für jede Ausführung neuen
Inhalt.
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Nachteile
Erhöhte Rechenleistung nötig für komplexe Rechenvorgänge zur Erstellung der Inhalte in Echtzeit bei Rechenleistung moderner CPUs heute meist eher zu
vernachlässigen. Teils Algorithmen mit hoher Komplexität Einarbeitungsaufwand, spezifisches Fachwissen, auch teuer.
Nur ein Werkzeug für Problemlösung, keine Lösung an sich.
Design, Ästhetik, Dynamik, Fantasie, Flow, Anreizmaßnahmen: nicht allein prozedural lösbar, insbesondere nicht „Look and Feel“ und emotionale
Komponente bei Spielen (besonders wichtig) für „Addiction“(Suchtfaktor) und „Engagement“ (Bindung).
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Design-Genauigkeit und Detailgrad Vielfalt gewonnen, aber Genauigkeit der Ergebnisse verloren.
Wechselspiel zwischen Flexibilität/Vielfalt und gezielten Ergebnissen.
Exakte Vorstellung von Ergebnis (künstlerischer bzw. gestalterischer Anspruch) oft nicht 100%tig erreichbar: Viele Ergebnisse, die alle exakter Vorstellung ähneln.
Prozedurale Verfahren oft schwer nachvollziehbar, vor allem für Newbies,
meist schwer zu programmieren und fehleranfällig.
Je nach System, zu erzeugendem Inhalt bzw. Komplexität lange Berechnungszeiten Verzweigungen expandieren Komplexität und Berechnungszeit sehr schnell.
Desto detaillierter, umso aufwendiger (bis rein prozedural unmöglich.)
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The details are not the details, the details are the design.
Quelle: Zitat Charles Eames, Foto http://www.flickr.com/photos/30005284@N08/
22M. Steinberg 12.01.2011 M. Steinberg Gestaltung und Produktion prozedural erzeugter Digitaler Medien am Beispiel abstrakter Formen 22
Algorithmen und Werkzeuge
Quelle: http://www.flickr.com/photos/jason-samfield/5080904261//
23M. Steinberg 12.01.2011 M. Steinberg Gestaltung und Produktion prozedural erzeugter Digitaler Medien am Beispiel abstrakter Formen 23
Algorithmen und Verfahren Rauschen Erzeugung von Zufallszahlen mittels eines PRNGs
(Pseudo- Random-Number-Generator). Fraktale (Apfelmännchen, 1968) geometrische Figuren/Formen, künstlich oder natürlich.
Lindemayer-Systeme L-System besteht aus einer Grammatik über Alphabet
aus Symbolen (z.B. Von-Koch-Schneeflocke). Isofläche und Metaball für Flüssigkeiten, kugelartige Gebilde mit Dichtefeld.
Partikelsysteme vielseitig einsetzbar z. B. Erstellen von Rauch, Wolken, Gras,
Haaren oder Wasser.
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Werkzeuge und Middleware Software (Middleware) für Erstellung von Landschaften, Texturen,
Städten, organischen Strukturen, … mittels prozeduralerVerfahren: Terragen 2, Speedtree, CityScape, PaintFX als Maya Erweiterung, Houdini, ProFX, Procedural Inc, Cinema 4D, RederMan, …
Anwender muss nicht selber Algorithmen erstellen/einbinden kann mittels Editor bzw. Oberfläche (GUI) verschiedene Effekte und
Objekte kombinieren, realitätsnahe Ergebnisse möglich,
Umfangreich und in Zukunft sicher noch viele Weitere.
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Subsumption The wide range of applications with procedural practice in Digital Media
is constantly increasing, small file sizes of huge object collections are favorable for network
applications, lower production costs, more effective and faster production, adjustment is possible "on the fly“ (production in real time), often complex tools and algorithms for procedural generation of 2D and
3D media needed, mix of algorithms and hand-made design usually advisable, random effects of procedural generation must be handled by design
aspects or should be wanted intentionally (e.g. artistic manner), advantages and disadvantages depend on use case and application, abstract shapes with high self-similarity producible very efficiently.
Many issues open for further courses!
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Zusammenfassung Das weite Einsatzgebiet prozeduraler Verfahren bei Digitalen Medien
nimmt stetig zu, geringe Dateigrössen von großen Objektsammlungen sind günstig für
Netzwerkanwendungen, weniger Produktionskosten, effektivere und schnellere Produktion, Anpassung „on the fly“ möglich (während der Erzeugung in Echtzeit), oft komplexe Werkzeuge und Algorithmen für prozedurale Erzeugung
von 2D und 3D Medien, Mischung aus Algorithmen und Hand-gemachtem Design meist ratsam, Zufallsfaktor rein prozeduraler Generierung muss für Designaspekte
,verkraftbar oder absichtlich (z.B. künstlerisch) gewollt sein, Vor- und Nachteile je nach Anwendungsfall abwägen, bei abstrakten Formen mit hoher Selbstähnlichkeit sehr effizient.
Viele Themen offen für spannende Lehrveranstaltungen!
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Quellen
Procedural Content Generation, B. Guðlaugsson, 2006.
Modellierung, weitergehende Schwerpunkte, W. Holoch.
Texturing & Modeling. A Procedural Approach, D. S. Ebert, F. K. Musgrave, D. Peachy, K. Perlin, S. Worley, Morgen Kaufmann Publishers 2003. ISBN 1-55860-848-6.
Procedural Generation Natural Environments out of the Box, T. Wallbaum, 2010.
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Links
PCG Wiki, http://pcg.wikidot.com/, besucht: 05.01.2011, aktualisiert: 2011.
The Death Of The Level Designer, http://pcg.wikidot.com/the-death-of-the-level-designer, besucht: 05.01.2011, aktualisiert: 2008.
The Procedural World, Part 1 and Part 2, http://www.shamusyoung.com/twentysidedtale/?p=537, besucht: 05.01.2011, aktualisiert: 2006.
Pixar RenderMan: http://de.wikipedia.org/wiki/RenderMan, https://renderman.pixar.com/products/whats_renderman/2.html, besucht: 25.12.10, aktualisiert: 2010.
Wikipedia. http://en.wikipedia.org/wiki/Procedural_generation, besucht: 05.01.2011, aktualisiert: 2010.
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Vielen Dank für ihre Aufmerksamkeit!
Fragen?
Anregungen?
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