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3D/Characteranimation
Roman Schieferstein(Großes MM-Seminar)
WS 2003
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• 3D Modellierungsgrundlagen• 3D Animation• Characteranimation• Motion Capture Verfahren
Übersicht
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• 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
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Welches Glas ist real ?
Einleitung
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• 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
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• 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
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• 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
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• Eine Kante ist eine direkte Verbindung zweier Vertices
• Wichtig für Low Polygon Modeling
• Falsch gesetzte Kanten können die Oberfläche negativ beeinflussen
Edges
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• 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
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• 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
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• 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
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• 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
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Eine Tasse besteht z.B. aus 2 Zylindern und einem Stück Rohr
Beispiel: Eine Tasse.Aus welchen einfachen Grundkörpern
besteht sie ?
Grundkörper
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• 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
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• Addition zweier Objekte heisst, der Volumeninhalt beider Objekte wird kombiniert
• Die Verticsstrukturen werden zu einem Netz/Objekt und der Schnittbereich der Vertics entfällt
Addition
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• 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
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• 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
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• 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
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• 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
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• 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
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• 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
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1. Objektanimation
Was ist 3D Animation3D Animation lässt sich in 2 Gruppen teilen
2. Kameraanimation
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• 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
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• Standardmäßig links/rechts, oben/unten, vorne/hinten und eine perspektivische Ansicht
• 3D Software hat die 4 Fenstersicht
Weitere Orientierungshilfen
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• 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
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• 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
![Page 27: 3D/Characteranimation Roman Schieferstein (Großes MM-Seminar) WS 2003](https://reader031.vdokument.com/reader031/viewer/2022020505/55204d6349795902118b8e0e/html5/thumbnails/27.jpg)
• 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
![Page 28: 3D/Characteranimation Roman Schieferstein (Großes MM-Seminar) WS 2003](https://reader031.vdokument.com/reader031/viewer/2022020505/55204d6349795902118b8e0e/html5/thumbnails/28.jpg)
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
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Praktische Übung
![Page 30: 3D/Characteranimation Roman Schieferstein (Großes MM-Seminar) WS 2003](https://reader031.vdokument.com/reader031/viewer/2022020505/55204d6349795902118b8e0e/html5/thumbnails/30.jpg)
Animationskurven
Wie verhält sich der Ball bei dieser Animationskurve ?
Lösung: Konstante Bewegung
![Page 31: 3D/Characteranimation Roman Schieferstein (Großes MM-Seminar) WS 2003](https://reader031.vdokument.com/reader031/viewer/2022020505/55204d6349795902118b8e0e/html5/thumbnails/31.jpg)
Animationskurven
Wie verhält sich der Ball bei dieser Animationskurve ?
Lösung: Gedämpfte Bewegung
![Page 32: 3D/Characteranimation Roman Schieferstein (Großes MM-Seminar) WS 2003](https://reader031.vdokument.com/reader031/viewer/2022020505/55204d6349795902118b8e0e/html5/thumbnails/32.jpg)
Wie verhält sich der Ball bei dieser Animationskurve ?
Animationskurven
Lösung: Harte Bewegung
![Page 33: 3D/Characteranimation Roman Schieferstein (Großes MM-Seminar) WS 2003](https://reader031.vdokument.com/reader031/viewer/2022020505/55204d6349795902118b8e0e/html5/thumbnails/33.jpg)
Wie verhält sich der Ball bei dieser Animationskurve ?
Lösung: Realistische Bewegung(kombinierte Dynamik)
Animationskurven
![Page 34: 3D/Characteranimation Roman Schieferstein (Großes MM-Seminar) WS 2003](https://reader031.vdokument.com/reader031/viewer/2022020505/55204d6349795902118b8e0e/html5/thumbnails/34.jpg)
• 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
![Page 35: 3D/Characteranimation Roman Schieferstein (Großes MM-Seminar) WS 2003](https://reader031.vdokument.com/reader031/viewer/2022020505/55204d6349795902118b8e0e/html5/thumbnails/35.jpg)
Man unterscheidet 2 Arten von Partikelemittern
Die Festemitter z.B. kleiner Zylinder
Objektbezogene Emitter
Partikelemitter
![Page 36: 3D/Characteranimation Roman Schieferstein (Großes MM-Seminar) WS 2003](https://reader031.vdokument.com/reader031/viewer/2022020505/55204d6349795902118b8e0e/html5/thumbnails/36.jpg)
• Die Partikel selber können verschiedene Formen haben
- Tropfenform (für z.B. Wasser)- Strichform (für z.B. Funken)- Quaderform (für z.B. Feuer)
Partikel
![Page 37: 3D/Characteranimation Roman Schieferstein (Großes MM-Seminar) WS 2003](https://reader031.vdokument.com/reader031/viewer/2022020505/55204d6349795902118b8e0e/html5/thumbnails/37.jpg)
• Partikel können Texturen erhalten• Partikel können beeinflusst werden durch
Modifikatoren wie:
- Schwerkraft- Wind - Deflektoren
Partikel
![Page 38: 3D/Characteranimation Roman Schieferstein (Großes MM-Seminar) WS 2003](https://reader031.vdokument.com/reader031/viewer/2022020505/55204d6349795902118b8e0e/html5/thumbnails/38.jpg)
• Ein fertiges Feuerbeispiel. Verwendet wurde:
- Wind- Objektemitter - Quaderpatikel- Partikeltextur
Partikel Beispiel
![Page 39: 3D/Characteranimation Roman Schieferstein (Großes MM-Seminar) WS 2003](https://reader031.vdokument.com/reader031/viewer/2022020505/55204d6349795902118b8e0e/html5/thumbnails/39.jpg)
• 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
![Page 40: 3D/Characteranimation Roman Schieferstein (Großes MM-Seminar) WS 2003](https://reader031.vdokument.com/reader031/viewer/2022020505/55204d6349795902118b8e0e/html5/thumbnails/40.jpg)
• Maschinenbau
• Milimetergenaue Visualisierung von Maschinenteilen
• Funktionstests wie würden sich Teile verhalten
• Unfallrekonstruktion
• Auswertung von Black Box Daten
• Visualisierung des Unfallhergangs
Anwendungsgebiete
![Page 41: 3D/Characteranimation Roman Schieferstein (Großes MM-Seminar) WS 2003](https://reader031.vdokument.com/reader031/viewer/2022020505/55204d6349795902118b8e0e/html5/thumbnails/41.jpg)
• 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
![Page 42: 3D/Characteranimation Roman Schieferstein (Großes MM-Seminar) WS 2003](https://reader031.vdokument.com/reader031/viewer/2022020505/55204d6349795902118b8e0e/html5/thumbnails/42.jpg)
• Benötigt wird sehr leistungsfähige Hardware
• Berechnungen von Animationen in NT Clustern
• Meistverwendete Animationssoftware: - SoftImage 3D - Maya - 3D Studio MAX
• Grafikperformance sehr wichtig
Hard- / Software
![Page 43: 3D/Characteranimation Roman Schieferstein (Großes MM-Seminar) WS 2003](https://reader031.vdokument.com/reader031/viewer/2022020505/55204d6349795902118b8e0e/html5/thumbnails/43.jpg)
• 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
![Page 44: 3D/Characteranimation Roman Schieferstein (Großes MM-Seminar) WS 2003](https://reader031.vdokument.com/reader031/viewer/2022020505/55204d6349795902118b8e0e/html5/thumbnails/44.jpg)
• 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
![Page 45: 3D/Characteranimation Roman Schieferstein (Großes MM-Seminar) WS 2003](https://reader031.vdokument.com/reader031/viewer/2022020505/55204d6349795902118b8e0e/html5/thumbnails/45.jpg)
• 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
![Page 46: 3D/Characteranimation Roman Schieferstein (Großes MM-Seminar) WS 2003](https://reader031.vdokument.com/reader031/viewer/2022020505/55204d6349795902118b8e0e/html5/thumbnails/46.jpg)
• 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
![Page 47: 3D/Characteranimation Roman Schieferstein (Großes MM-Seminar) WS 2003](https://reader031.vdokument.com/reader031/viewer/2022020505/55204d6349795902118b8e0e/html5/thumbnails/47.jpg)
• 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
![Page 48: 3D/Characteranimation Roman Schieferstein (Großes MM-Seminar) WS 2003](https://reader031.vdokument.com/reader031/viewer/2022020505/55204d6349795902118b8e0e/html5/thumbnails/48.jpg)
• 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
![Page 49: 3D/Characteranimation Roman Schieferstein (Großes MM-Seminar) WS 2003](https://reader031.vdokument.com/reader031/viewer/2022020505/55204d6349795902118b8e0e/html5/thumbnails/49.jpg)
• 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
![Page 50: 3D/Characteranimation Roman Schieferstein (Großes MM-Seminar) WS 2003](https://reader031.vdokument.com/reader031/viewer/2022020505/55204d6349795902118b8e0e/html5/thumbnails/50.jpg)
• 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
![Page 51: 3D/Characteranimation Roman Schieferstein (Großes MM-Seminar) WS 2003](https://reader031.vdokument.com/reader031/viewer/2022020505/55204d6349795902118b8e0e/html5/thumbnails/51.jpg)
• 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
![Page 52: 3D/Characteranimation Roman Schieferstein (Großes MM-Seminar) WS 2003](https://reader031.vdokument.com/reader031/viewer/2022020505/55204d6349795902118b8e0e/html5/thumbnails/52.jpg)
• 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
![Page 53: 3D/Characteranimation Roman Schieferstein (Großes MM-Seminar) WS 2003](https://reader031.vdokument.com/reader031/viewer/2022020505/55204d6349795902118b8e0e/html5/thumbnails/53.jpg)
• 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
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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
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Zuerst werden die Rohdaten gecaptured durch die Akteure
Motion Capture am Beispiel
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Dann können die Rohdaten dem Skelett zugeordnet werden
Motion Capture am Beispiel
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Zum Schluß werden Ton, Szenerie und Modelle zugeordnetMotion Capture am Beispiel
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• 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
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Welches Glas ist real ?…das rechte Glas.
Das Finale