Motivation. ! Deutlich schwieriger als Autos, Panzer und Raumschiffe!! Technisch. Spieleprogrammierung Winter 2011

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1 Motivation! Menschen und anderes lebendes Getier sind recht schwierig zu animieren! Viele Freiheitsgrade! Starke Einschränkungen in Einzelbewegungen! Äußerlich sichtbare Deformationen! Hohe Erwartungen an den Realismus! Deutlich schwieriger als Autos, Panzer und Raumschiffe!! Technisch! Animierte Meshes mit geometrischen und physikalischen Randbedingungen (c) Peter Sturm, Universität Trier 1

2 Haut und Knochen! Starre Struktur des Charakters wird durch das Skelett (Knochenaufbau) vorgegeben! Haut umschließt das Skelett elastisch! Grundlage für Implementierung Skeletthierarchie! Baumartige Anordnung der Knochen! Wurzelknochen! Meist Becken- oder Schulterknochen! Synthetischer Knoten! Alle andere Knochen hängen an einem übergeordneten Knochen (Parent)! Jeder Knochen besitzt Transformationsmatrix! Bewegungsunterschied zum übergeordneten Knochen! Relativ zu diesem Knochen Rig! Multiroot-Systeme (c) Peter Sturm, Universität Trier 2

3 Kinematik! Bewegungslehre! Vorwärts (Forward Kinematics)! Vom Wurzelknochen zu den Kindern! Rückwärts (Inverse Kinematics)! Ein Blatt-Knochen bleibt fixiert! Restliche Knochen Richtung Wurzel! Angewandt auf ein oder mehrere Rigs! Anpassung an spezielle Animationsanforderungen! Mal keine Finger,...! Performanz- und Speicherplatzunterschiede Pose, Animation und Deformation! Pose! Kollektive Transformationen des zugehörigen Rigs! Liste von Transformationen! Animation! Änderungen der Pose über die Zeit! Liste von Posen! Modell! Beziehung zwischen Skelett und Mesh! Modelle können im Spiel mehrfach instanziiert werden! Deformation! Pose wird auf ein geeignetes Mesh abgebildet (Skin)! Modifiziertes Mesh wird gerendert! Trennung von Animation und Rendering (c) Peter Sturm, Universität Trier 3

4 Transformationsinformation pro Knochen! Klassische 4x4-Matrix, die Translation, Skalierung und Rotation in 3 Achsen vereinigt! Zusätzliche Einschränkungen aufgrund der Skeletteigenschaften! Knochen skalieren üblicherweise nicht! Drehung meist nur in der Gelenkachse! Speichereffizienz! Redundanzen meiden (z.b. (0,0,0,1) Zeile in Matrix)! Kompakte Darstellung Varianten! Konzentration auf Translation und Drehung! 3x3 Rotationsmatrix! Alter Bekannter aber meist zu groß! Erlaubt alles (auch Skalieren und Scheren)! Dekomposition in Grundoperationen schwierig nach mehreren Matrixmultiplikationen! Eulerwinkel! 3-Tupel (! x,! y,! z ) beschreibt Rotationen in den Achsen! Reihenfolge festlegen (fehlende Kommutativität)! Quaternions! 4-Tupel (x,y,z,n) enthält Vektor und Drehwinkel (indirekt) (c) Peter Sturm, Universität Trier 4

5 Eulerwinkel (90,90,-90) = (0,90,0)!! Problem: Gimbal Lock! Tupel beschreiben keine eindeutige Orientierung Interpolation zwischen zwei Orientierungen schwierig! (0,88,0) und (2,90,0) einfach, aber! (0,88,0) und (88,90,-90) schwierig, obwohl sehr ähnlich! Quaternion (x,y,z,n) besteht aus! v = (x,y,z) Rotationsachse v = sin(! ) n = cos(! ) 2 2! Drehwinkel!! n erlaubt die Bestimmung der Drehrichtung! sin(10) = sin(170), aber cos(10)!= cos(170)! Meist wird Einheitslänge gefordert x y + z + n = 1 Quaternions! Gute Interpolation zwischen 2 Quaternions! Kleines Problem (x,y,z,n) = (-x,-y,-z,-n) (c) Peter Sturm, Universität Trier 5

6 Lerps! Interpolation zwischen zwei Posen (Blending)! Forderung der Animation! Lineare Interpolation (Lerp) f approx = ( 1" t)! fkey + t! fkey+ 1! Normalisierung von Vektoren bzw. Matrizen häufig notwendig! Aufwendige Float-Operationen (Wurzel, Division, )! Je nach verwendeter Datenstruktur Optimierungen Quaternion Blending! Normalizing Lerp (nlerp)! Linearkombination der 4 Komponenten eines Quaternions! Anschließende Normalisierung! Spherical Lerp (slerp)! Gleichförmige Rotation um einen Kreis, der sich aus den beiden Quaternions ergibt! Log-Quaternion Lerp (llerp)! Auch Exponential Map Interpolation! Vergleichsweise komplex! Auflösen des Quaternions im Raum und anschließende Interpolation (c) Peter Sturm, Universität Trier 6

7 1.! Kürzester Weg (Least Torque) Forderungen 2.! Interpolation in konstanter Geschwindigkeit 3.! Blending mehrerer Quaternions unabhängig von der Reihenfolge (! Assoziativität) nlerp Ja Nein Ja slerp Ja Ja Nein llerp Nein Ja Ja Animation! Erstellungsprozeß! Geeignete 3D-Editoren! Keyframes! Motion Capturing! Detaillierungsgrad! Ganzer Körper " Primär Skelettbewegung! Gesicht " Muskelmodellierung! Speicherung der Animation! Hoher Platzbedarf (c) Peter Sturm, Universität Trier 7

8 Speicherbedarf! Idealisiertes Rechenbeispiel mit typischen Werten (Tendenz steigend)! Qualitätsanforderung! Mindest 30 Frames pro Sekunde! 5 Hauptcharaktere mit jeweils 100 Animationssequenzen! 15 Nebencharaktere mit jeweils 20 Animationssequenzen! 4 sec Dauer pro Sequenz! 50 Knochen pro Charakter (5! ! 20)! 4! 30! 50!n! n = 4 mal sizeof(float) = 16 Byte " ca. 70 Mbyte Daten! Speicherlimits (insbesondere Spielekonsolen)! Komprimierung! Bei Offline-Erzeugung der Daten möglich Weitere Optimierungen! Keyframes! Speicherung ausgezeichneter Schlüsselposen! Linearinterpolation der Zwischenposen! Erfordert gute Interpolationseigenschaften der verwendeten Datenstruktur! Deutliche Platzreduktion! Vergleichbar Videokomprimierung (c) Peter Sturm, Universität Trier 8

9 Probleme bei Key Frames! Keyframe Frequenz beeinflußt Qualität! Komplexe Bewegungsabläufe! Hohe Frequenz " Geringe Einsparungen! Niedrige Frequenz " Sichtbarer Qualitätsverlust! Ungünstige Frequenz! Drehfrequenz eines Objekts = Keyframe-Frequenz! Identische Posen " Scheinbarer Stillstand! Abtasttheorem! Linearapproximation bei nicht-linearen Abläufen! Ball fliegt in einer Parabel! Selektive Auswahl geeigneter Posen (hoher Aufwand) Verbesserungen! Linearapproximation ist zu schwach! Interpolation höherer Ordnung! Bezierkurven! Catmull-Rome-Kurven! B-Splines! Sharing von Tangentenpunkten in benachbarten Posen! Mögliche Diskontinuitäten durch Sharing! C0: Position wechselt abrupt ( Beam me up, Scotty )! C1: Geschwindigkeit wechselt plötzlich (Bouncing Ball)! C2: Beschleunigung wechselt!! Gewollte Diskontinuität " 0-Zeit-Intervall (c) Peter Sturm, Universität Trier 9

10 Koordination der Animation Animationssequenz 1 Auslösendes Event im Spiel Animationssequenz k Transform (Skelett) Animationssequenz n Deform (Mesh)! Auswahl der geeigneten Teilanimationen! Geeignete Übergänge! Schleifen (Looping)! Variable Abspielgeschwindigkeit t += #t Render! Ansteuern beliebiger Posen (Scrubbing)! Kritisch bei Zwischenposen mit weit entfernten Keyframes Motion! Animation entwickelt ein gewisses Eigenleben! Zu Beginn der Sequenz Übereinstimmung bzgl. Position und Orientierung! Entkopplung bei der Fortführung der Sequenz! Berücksichtigung der räumlichen Gegebenheiten! Nicht über Hindernisse und durch Mauern gehen!! Motion Extraction! Graphiksystem ermittelt den in einer Animation enthaltenen Bewegungsfortschritt (c) Peter Sturm, Universität Trier 10

11 Motion Extraction! Linear Motion Extraction! Bestimme Position von Anfang- und Endpose! Linearinterpolation der Zwischenposen! Speichere Werte aller Keyframes relativ zu obigem Wert! Berücksichtigt keine Drehbewegungen! Composite Motion Extraction! LME-Prinzip angewandt auf Rotation! Variable Delta Extraction! Transformationen der Wurzelknochen werden relativ zum vorherigen Frame gespeichert! Passenden Wurzelknochen finden? About root bones and cowboys Aus IDG, Rabin, pp. 522!! What actually is the root bone, and what does its position and orientation mean? The simple but naïve answer is that it is whatever the animator uses as the root bone, which for a human character is usually the pelvis (although there are other conventions). However, this can cause complications when blending between animations, and when performing transitions. For example, imagine a cowboy of the Wild West walking down the road, saddle-sore from a long ride. Because of his aching hip joints and his wide gait, each step, his pelvis rotates to move his legs forward, so that its orientation swings by maybe 30 degrees either side of straight ahead. Since the pelvis is the root bone, this motion will be reflected in the game instance orientation, and it too will turn from side to side as he moves. This is counterintuitive, since he is (conceptually) walking in a straight line, but it is not actually a problem. Well, not yet at least. Suddenly, a bandit jumps out in front of him, and being the fastest gun in the West, in an instant he transitions to his gun-fighting pose, draws his six-shotter, and fires. Sadly for him, he was just stepping out with is right leg, which means his game instance orientation was facing 30 degrees to the left. Transitioning instantly to his gun-fightling pose did not change that orientation (since it is a pose, not a motion, and therefore does not affect the root bone). He is now facing directly at the saloon, and the only thing he hits is a bottle of his favorite whiskey. The slim-hipped but wide-mustachioed bandit, who was careful to walk with pelvis always fixed directly ahead, fires back and mortally wounds our hero. The moral of the story is: choose your root bone carefully. (c) Peter Sturm, Universität Trier 11

12 Lösungsansatz! Einfügen eines synthetischen Wurzelknochens! Ground Shadow! Positioniert auf Bodenhöhe! Orientiert in Bewegungsrichtung! Kann aber beliebig definiert sein! Übereinkunft zwischen Animation und Graphik Inverse Kinematik! Endknochen behält Position oder führt eine bestimmte Bewegung aus! Greifen eines bestimmten Objektes! Balance halten! Wichtiges Forschungsgebiet in der Robotik! Umgebung definiert zusätzliche Randbedingungen! Kombinatorische Komplexität! Gewinnt in Spielen an Bedeutung! Charaktere entwickeln mehr Eigenleben! Komplexe und freie Verhaltensmuster (c) Peter Sturm, Universität Trier 12

13 Motion Capturing! Vergleichsweise einfacher Weg, die notwendigen Animationssequenzen zu ermitteln! Hoher Realitätsgrad! Hoher Verbreitungsgrad! Filmindustrie! Vorgehensweise! Exponierte Skelett- und Gelenkstrukturen sichtbar markieren! Computergestützte Auswertung der Videoaufzeichnung! Diverse Realisierungsvarianten Animation und Rendering! Komplexe Interaktion! Animation bewirkt komplexe Mesh-Deformationen! Übereinstimmung bzgl. der räumlichen Position! Vermeidung von Kollisionen im Ablauf der Animationssequenz! Erkennen von Kollisionen! Trotzdem weitgehend entkoppeln! Unabhängigkeit von Animation und Framerate (c) Peter Sturm, Universität Trier 13

14 ! Steve Rabin (Herausgeber) Introduction to Game Development Charles River Media, 2005 Kapitel 5.2! Alan Watt, Fabio Policarpo 3D Games Animation and Advanced Realtime Rendering, Volume 2 Addison-Wesley, 2003 Literatur (c) Peter Sturm, Universität Trier 14