Character Animation in 3D Studio Max

Transkript

1 Character Animation in 3D Studio Max Ulrike Martus

2 Inhaltsverzeichnis: 1. Einleitung 3 2. Aufbau von Charakteren Bone Tools Biped 4 3. Animationsmethoden Forwärts gerichtete Kinematik Inverse Kinematik IK Solver Motion Capture 7 4. Skelettanimation 8 5. Oberflächenanimation Skin Modifier Angle Deformer Secondary Motion Zusammenfassung Quellenverzeichnis Bilderverzeichnis 11 2

3 1. Einleitung Bei der Character Animation geht es darum, einem Menschen oder einem fiktiven Charakter realistische Bewegungen zu verleihen. Bei kleineren Animationen werden dazu einfach nur die Eckbzw. Scheitelpunkte oder das ganze Objekt bewegt. Ein Charakter ist allerdings ein sehr komplexes Objekt, das aus sehr vielen Scheitelpunkten besteht. Eine realistische Animation nur durch deren Verschiebung zu erstellen wäre bei der großen Anzahl an Punkten nahezu unmöglich. Daher bietet 3ds Max verschiedene Tools um diesen Vorgang zu erleichtern. 2. Aufbau von Charakteren Um einen Charakter zu animieren, muss man diesen zunächst erstellen. Ein Charakter besteht im Allgemeinen aus einem Knochengerüst und der Hülle. Mit dem Knochengerüst werden die Bewegungen des Charakters gesteuert. Die Hülle kann in etwa mit der Haut eines Menschen verglichen werden. Sie besteht aus dem Mesh, was ein Netz aus Vertices, also vielen verschiedenen Scheitelpunkten, ist. Die Erstellung des Mesh ist sehr komplex und übersteigt den Rahmen dieser Arbeit erheblich. Zur Animation des Charakters wird die Hülle mit dem Knochengerüst verknüpft, das heißt, die Abb. 2.1 Mesh mit Knochengerüst Vertices werden verschiedenen Knochen zugeordnet und bewegen sich dementsprechend. Dies wird in einem späteren Abschnitt genauer erklärt. Bei weniger komplexen Charakteren kann es auch schon reichen, nur die Hülle, also das Mesh, zu animieren, allerdings verkompliziert sich dieser Vorgang mit steigender Anzahl an Vertices sehr schnell. Mit Character Rigging wird der Aufbau eines Charakters mit dem Knochengerüst und der Hülle bezeichnet. Hierfür bietet 3ds Max zwei Methoden an. Zunächst kann ein eigenes Knochengerüst mit den Bone Tools erstellt werden. Die zweite Methode ist, ein bereits fertiges Knochengerüst, das als Biped bezeichnet wird, als Skelett zu verwenden. 2.1 Bone Tools Mit den Bone Tools können ganz einfach Knochen, wie sie im menschlichen Skelett auch vorkommen, erstellt werden. Diese werden dann durch zwei Pyramiden, deren Grundflächen aufeinander liegen, dargestellt. Erstellt man nun einen solchen Knochen, indem man ihn in einer beliebigen Ansicht aufzieht, so kann man sofort am Ende einen weiteren Knochen anbringen oder die bisherige Knochenreihe durch einen automatisch erstellten Endknochen abschließen. Dabei werden alle nacheinander erstellten Knochen automatisch verknüpft. Der erste Knochen in dieser Reihe ist dabei das oberste Glied der Hierarchiekette. Er vererbt später sämtliche Eigenschaften an seine untergeordneten Objekte. Ist ein bereits bestehender Knochen ausgewählt so kann mit den Bone Tools ein neuer Knochen an dessen Ende angehängt werden. So kann das Skelett beliebig erweitert und eine realistische Knochenstruktur aufgebaut werden. Abb. 2.2 Knochenhierarchie 3

4 Abb. 2.3 Knochen mit und ohne Fins Um die Körperfülle darzustellen bieten die Bone Tools die so genannten Fins an. Diese sind Extrusionen die auf allen Seiten der Knochen angebracht werden können. Beim Oberkörper ist dies in etwa vergleichbar mit dem Rippengerüst welches der Brust ihr Volumen gibt. Die Fins dienen später dazu, die Bereiche der Hülle zu bewegen, die einen sehr großen Abstand zum nächsten Knochen haben. Im Bild sieht man auf der linken Seite einen Knochen mit Side und Front Fins. Back und Front Fins werden einzeln angegeben und bei den Side Fins werden die Extrusionen automatisch auf beiden Außenseiten erstellt. Die Größe der Extrusionen sowie die Breite und der prozentuale Verlauf der Knochen zum Ende können einfach verändert werden. 2.2 Biped Biped heißt übersetzt soviel wie Zweibeiner und ist ein fertiges Knochengerüst. Es kann wie beispielsweise ein Würfel einfach in einer Ansicht aufgezogen werden. Dabei können verschiedene Eigenschaften ausgewählt werden. Etwa die Anzahl der Zehen und Finger oder ob das Biped überhaupt Arme besitzen soll. Die Statur des Biped kann als Männlich, Weiblich oder einfach nur als Standard-Skelett gewählt werden. Der Schwerpunkt und somit auch der Zugriffspunkt des Biped befindet sich auf Beckenhöhe. Um die einzelnen Körperteile zu verändern muss der Figure Mode aktiviert sein. Für das Skinning, also die Verbindung des Skeletts mit der Hülle können zwei Methoden verwendet werden, Physics und der Skin-Modifier. Der Unterschied besteht bei diesen beiden Methoden darin, dass bei Physics die Hülle an den Schwerpunkt des Skeletts gebunden wird, wohingegen der Skin-Modifier auf alle Knochen und Hüllen-Objekte angewandt wird. Dies ist auch die Standard- Methode für selbst erstellte Knochenstrukturen, da sie keinen gemeinsamen Schwerpunkt besitzen. Abb. 2.4 Biped Für Bipeds gibt es auch zwei spezielle Animationsmethoden, die footstep und die freeform Animation. Bei der footstep Animation kann man dem Biped einzelne Schritte zuweisen. Die Anzahl der Schritte sowie die Gangart und die Abstände zwischen den Schritten können einfach variiert werden. Auf dem Boden erscheinen die Schritte als weiße Fußabdrücke mit Nummern die das Biped später nacheinander entlanglaufen wird. Man kann die Schritte auch einzeln in den verschiedenen Ansichten verschieben. Die footstep Animation ist eine freie Animationsart, bei der man mit Keys arbeitet. Für verschiedene Elemente können so genannte planted Keys gesetzt werden. Diese bleiben während der ganzen Animation auf derselben Stelle, außer das gesamte Biped würde so verschoben, dass der Körper nicht mehr verbunden wäre. Abb. 2.5 Biped mit footstep Animation (von oben) 4

5 3. Animationsmethoden Neben der völlig freien Animation einzelner Vertices oder Knochen mit einzelnen Keys, die viel Geduld und Zeit in Anspruch nimmt, gibt es zwei Hauptmethoden für die Animation von Charakteren, die vorwärts gerichtete und die inverse Kinematik. Beide Methoden können auch parallel verwendet werden, beispielsweise bei der Animation eines Menschen. 3.1 Vorwärts gerichtete Kinematik (FK) Die vorwärts gerichtete Kinematik bedient sich der Vererbung von Eigenschaften. Einzelne Elemente können in einer Szene miteinander verknüpft werden. Durch die Verknüpfung werden vom übergeordneten Element verschiedene Eigenschaften an sein Kind-Objekt weitergegeben. Werden mehrere Objekte miteinander verknüpft, so entsteht eine hierarchische Struktur mit einem übergeordneten und vielen untergeordneten Objekten. Durch diese Struktur werden Eigenschaften von übergeordneten Objekten auf alle untergeordneten Objekte vererbt. Verändert man also ein übergeordnetes Objekt, so verändern sich alle untergeordneten Objekte relativ zu diesem mit. Dabei müssen die verschiedenen Elemente allerdings nicht unbedingt direkt miteinander verbunden sein. Am Beispiel eines menschlichen Armes kann das Prinzip ganz einfach erklärt werden. Die Finger der Hand sind dabei das unterste Glied der Kette. Die Hand, der Unterarm und der Oberarm sind ihnen übergeordnet, der Oberarm ist dabei das oberste Element. Wird nur ein Finger bewegt, so ändert sich an den anderen Objekten nichts, da der Finger keine untergeordneten Objekte besitzt die von ihm eine Bewegung erben. Dreht man aber beispielsweise den Unterarm, so bewegt sich die Hand mit allen Fingern ebenfalls mit. Die Hand erbt die Drehung vom Unterarm und vererbt sie an alle Finger weiter. Diese drehen sich dann relativ zur Hand mit. In 3ds Max können im Hierarchy-Panel verschiedene Eigenschaften für die Verknüpfung von Objekten eingestellt werden. Die Locks beschreiben Eigenschaften die nicht verändert werden können und Inherit bezeichnet die Eigenschaften die von einem Eltern-Objekt geerbt werden. Die Locks werden dabei nicht weitervererbt. Ist bei einem untergeordneten Objekt der Lock für Move x gesetzt, wird das Objekt trotzdem in x-richtung bewegt, wenn das übergeordnete Objekt gedreht, bewegt oder skaliert wird. Abb. 3.1 Teile des Hierarchy-Panels 5

6 3.2 Inverse Kinematik (IK) Die Funktionsweise der inversen Kinematik ist genau entgegengesetzt zu der vorwärts gerichteten Kinematik. Die IK arbeitet von den untergeordneten Objekten einer hierarchischen Kette aus bis zum Eltern-Objekt. Der end effector bezeichnet das niedrigste Element dieser Kette. Dieses soll nun zum goal, also dem Punkt, den das Objekt am Ende der Animation erreichen soll, bewegt werden. Das oberste Objekt dieser IK-Kette bleibt mit seinem Schwerpunkt während der Bewegung am ursprünglichen Ort solange die Objekte in gestrecktem Zustand noch verbunden sind. Die Winkel zwischen den anderen Objekten der Kette werden dann automatisch neu berechnet. Wird der end effector dabei weiter bewegt als die maximale Strecke zum Eltern-Objekt, so wird dieses ebenfalls noch mit verschoben. Verknüpfte Objekte, die sich an einer Stelle berühren, können also nie auseinander gerissen werden. Abb. 3.2 IK-Kette In Abbildung 3.2 sieht man eine mit den Bone Tools erstellte Knochenstruktur. Sie stellt die 5 Knochen Oberschenkel, Unterschenkel, Fuß, Vorderfuß und Zehen dar. Bewegt man einen Knochen der Kette ohne inverse Kinematik, werden automatisch nur die ihm untergeordneten und der nächst höhere Knochen mitbewegt. Die weißen Linien im Bild stellen hier eine IK-Kette vom Fuß bis zum Oberschenkel dar. Das übergeordnete Objekt ist nun der Oberschenkelknochen und das goal das weiße Kreuz am Anfang des Fußknochens. Verschiebt man den Fußknochen also mit dem Kreuz nach oben so bleibt der Schwerpunkt des Oberschenkelknochens an seiner alten Stelle und der Winkel zwischen der weißen Linie, die rechts über den Unter- und den Oberschenkelknochen verläuft, verändert sich und so wird eine Kniebeugung ausgeführt. 3.3 IK Solver Um die inverse Kinematik in 3ds Max anzuwenden, bietet das Programm vier Solver an, den HI Solver, den HD Solver, den IK Limb Solver und den Spline IK Solver. Es handelt sich um Algorithmen, mit denen die neuen Winkel zwischen den Elementen berechnet und angewandt werden. Wie man im Bild oben sieht, werden zwei beliebige Knochen mit einem Solver zu einer IK-Kette verbunden. Der Solver erstellt automatisch das goal als ein Kreuz mit dem man das letzte Element der Kette, also den end effector, steuern kann. Wie die Winkel sich nachher bei der Animation verhalten ist bei den Solvern schon voreingestellt und kann manuell verändert werden. Am häufigsten verwendet wird der HI Solver. HI bedeutet history-independent, dieser Solver ist also nicht von der Länge der Animation abhängig. Er ist daher auch die Standardmethode für lange Sequenzen. Der HD Solver ist ein history-dependent Solver und wird mit längerer Animationsdauer immer rechenintensiver. Seine Funktionsweise ist dieselbe wie die des HI Solvers. Der IK Limb Solver ist ein spezieller Solver für Arme und Beine und operiert nur auf zwei Knochen einer Kette. 6

7 Abb. 3.3 Spline IK Solver Links: Eine Kurve mit 3 Würfeln als Hilfsobjekte Rechts: Eine Schlange, deren Skelett anhand eines Spline IK Solvers aufgebaut wurde Die Funktionsweise des Spline IK Solver hebt sich ein wenig von denen der anderen Solver ab. Er bedient sich, wie der Name schon sagt, einer Kurve als Verbindung. Die Scheitelpunkte der Kurve werden nodes genannt. Durch Hilfsobjekte an den nodes kann die Kurve einfach verschoben und verändert werden. Da die nodes überall im Raum bewegt werden können sind auch sehr ungewöhnliche Strukturverformungen möglich. Die Knochen die durch diesen Solver verbunden werden liegen also alle auf der Kurve. Somit kann eine große Menge an Knochen mit nur sehr wenigen nodes gesteuert werden. 3.4 Motion Capture Unter Motion Capture versteht man eine Bewegungserfassung anhand einer realen Bewegung und die Übertragung auf eine Figur. 3ds Max unterstützt allerdings nicht die direkte Erfassung sondern kann nur bereits bearbeitete Daten importieren. Diese können in drei Formen vorliegen. Ohne keyreduction, also mit Keys für jedes einzelne Frame und mit keyreduction als footstep Animation oder freeform Animation. Footstep Animation bedeutet, dass eine fertige Schrittfolge beispielsweise für ein Biped importiert wird. Keyreduction bei der freeform Animation heißt, dass es eine freie Animation ist, bei der eben schon die Anzahl an keys reduziert wurde, also nicht für jedes einzelne Frame Keys existieren. 7

8 4. Skelettanimation Um einen ganzen Charakter - also das Knochengerüst und seine Hülle - zu animieren, muss man zunächst einige Schritte vornehmen damit man das Skelett animieren kann und später dann die Hülle dazu. Hierfür geht man folgendermaßen vor: Als erstes muss der Hülle ein Skelett eingepasst werden. Dazu macht man die Hülle am besten halbtransparent. So können Knochen einfach an den richtigen Stellen platziert werden. Arbeitet man mit einem Biped so kann man die einzelnen Knochen im Figure Mode an die Hülle angleichen. Ist das Knochengerüst soweit fertig, werden die Fins angebracht. Besonders am Bauch und am Kopf braucht man die Fins auf allen Seiten. Bei den Beinen und Armen reichen meist die Back Fins aus. Dann werden die IK Solver auf die einzelnen Knochen angewandt. Beispielsweise vom ersten Knochen des Fußes zum Hüftknochen. Mit diesem Solver kann man das Beugen des Knies steuern. Abb. 4.2 Skelett mit Solvern und Steuerungsobjekten Abb. 4.1 Mesh mit eingepasstem Skelett und Fins Zusammenhängende Solver werden dann miteinander verknüpft. Als dritten Punkt fügt man noch Hilfsobjekte, so genannte Gizmos, in die Szene ein. Sie sind später nicht sichtbar und dienen der Steuerung des Skeletts. Um den gesamten Charakter zu verschieben wird ein großes Rechteck direkt auf der Grundfläche erstellt. Für die beiden Füße werden ebenfalls kleine Rechtecke auf der Grundfläche erstellt. Für die Beine, die Hüfte und den Kopf erstellt man Kreise die dann mit der Align Selection an den jeweiligen Knochen ausgerichtet werden. Schließlich verknüpft man die Hilfsobjekte mit den Knochen bzw. den IK Solvern. Die Gizmos an den Füßen werden mit den Solvern der Zehen verknüpft. Die Kreise mit dem Hüft-, Wirbelsäulen- und Kopfknochen. Dabei sind die Hilfsobjekte jeweils die übergeordneten Objekte mit denen man dann die jeweiligen Knochen steuern kann. Dreht man zum Beispiel das Hilfsobjekt des Hüftknochen entlang der x-y-achse, so dreht sich der Oberkörper des Skeletts nach vorne. Das große Rechteck auf dem Boden wird mit dem Hüft- und dem Fuß-Gizmo verknüpft. Nun kann man die Hilfsobjekte nach Belieben verschieben und drehen und somit das Skelett animieren. Die Hilfsobjekte wie auch das Skelett werden bei der fertigen Animation dann allerdings ausgeblendet so, dass nur das animierte Mesh erscheint. 8

9 5. Oberflächenanimation Die Bewegungen des fertig animierten Skeletts müssen nun auf die Hülle übertragen werden. Die beiden werden mit Hilfe des Skin Modifiers verknüpft. Als weitere Animationshilfen für die Hülle gibt es noch den Angle Deformer mit dem man beispielsweise Muskelbewegungen darstellen kann und den Flex Modifier der für die Secondary Motion verwendet wird. 5.1 Der Skin Modifier Abb. 5.1 Fertig animiertes Skelett mit Mesh Der Skin Modifier wird auf alle Elemente der Hülle angewandt. Im Parameter Rollout dieses Modifiers werden dann sämtliche Knochen, die zu dem Charakter gehören, ausgewählt und mit der Hülle verknüpft. Jeder Knochen erhält somit automatisch zwei so genannte Envelopes, die einen bestimmten Abschnitt des Mesh einhüllen. Die Vertices die zwischen dem äußeren und inneren Envelope liegen werden also mitbewegt wenn der jeweilige Knochen bewegt wird. Der Einfluss eines Knochens ist dabei je nach Abstand zum Knochen unterschiedlich. Er wird in Verlaufsfarben von Rot nach Blau dargestellt. Rot bedeutet dabei eine starke Beeinflussung, gelb, eine mittlere und blau eine minimale bzw. gar keine Beeinflussung. Die einzelnen Vertices können dabei auch in den Envelopes mehrerer Knochen liegen, sie können also von mehreren Knochen beeinflusst werden. Den Vertices werden dabei verschiedene Gewichte zugeordnet. Das Gesamtgewicht beträgt maximal 1,0. In der Gewichtstabelle können die einzelnen Abhängigkeiten von den Knochen auch noch ganz genau eingetragen werden. Abb. 5.2 und 5.3 Die beiden Envelopes umschließen die Vertices des Fingers 9

10 Ein Vertex das nicht einmal in der Nähe eines Knochens ist kann mit dieser Methode trotzdem durch den Knochen beeinflusst werden. Am Beispiel des Farbverlaufs kann noch eine weitere Methode der Gewichtsverteilung erwähnt werden, das Painting. Hier erscheint ein Hilfsobjekt als eine Art Pinsel mit dem man verschieden Vertices anmalen kann. Je stärker der Pinsel und je öfter man über ein Vertex malt, umso mehr ändert sich dessen Farbe nach rot und der Einfluss des Knochen steigt. Mit diesem Tool können auch Vertices, die weiter weg sind, angemalt werden. 5.2 Der Angle Deformer Mit dem Angle Deformer kann das Verhalten der Vertices bei verschiedenen Winkeln zwischen den Knochen gesteuert werden. Auswölbungen, Falten oder Runzeln können dabei erstellt werden. Um die Vertices, auf die der Angle Deformer angewandt wird, erscheint ein Hilfobjekt, das lattice, welches erlaubt, die Vertices is verschiedene Richtungen zu bewegen. Das beste Beispiel für die Verwendung der Angle Deformers ist die Beugung des Armes. Ist der Arm gebeugt, so ist der Bizeps angespannt und verursacht eine Wölbung der Haut am Oberarm. Wird der Arm wieder ausgestreckt, so ändert sich der Winkel zwischen den Knochen wieder und die Wölbung verschwindet, der Bizeps ist wieder entspannt. 5.3 Secondary Motion Die Secondary Motion bezeichnet eine Bewegung die nach der eigentlichen animierten Bewegung stattfindet, also eine Folgebewegung. Am einfachsten ist dies am Beispiel einer spiralförmigen Feder zu erklären. Drückt man diese zusammen, so wird sie beim Loslassen immer hin und her schwingen und zwar je nach Eigenschaft des Materials und der Umgebung. Stellt man in einer Szene eine entspannte Feder dar, die von einem Finger zusammengedrückt wird, so bliebe diese in der Animation beim Loslassen des Fingers trotzdem in gespannter Position. Die weiteren Schwingungen müssen einzeln von Hand animiert werden. Jedoch bietet 3ds Max hier ein sehr hilfreiches Tool, mit dem man diese Secondary Motion einfach steuern kann, den Flex Modifier. Wird der Flex Modifier auf ein Objekt angewandt, so entstehen zwischen den einzelnen Vertices virtuelle Federn. Die Härte dieser Federn, sowie deren Ausdehnung und die maximale Annäherung an die anderen Vertices können beliebig eingestellt werden. Die Schwingung dieser Federn geht von einem Zentrum aus, welches ebenfalls beliebig verschoben werden kann. Mit wachsendem Abstand zu diesem wird der Schwingungseffekt immer stärker. 10

11 6. Zusammenfassung Um einen Charakter mit 3ds Max zu animieren braucht es viele kleine Schritte. Zunächst das Erstellen des Skeletts, dann die Verknüpfung mit dem Mesh und später noch einzelne Verfeinerungen bei der Oberflächenbewegung. Es erscheint zunächst so, dass man für eine einfache Bewegung sehr viel Aufwand betreiben muss. Aber allein durch die Verschiebung der Vertices wäre eine Charakteranimation gar nicht möglich. Um sich ein wenig Arbeit zu sparen reicht es allerdings, nicht überall bis ins kleinste Detail zu gehen. Muss der Charakter beispielsweise nur einen Weg entlanglaufen, so ist es nicht so sehr wichtig wie genau sich seine Finger dabei bewegen. Im Gegensatz dazu müssen bei einem klavierspielenden Charakter die Beine fast gar nicht animiert werden aber dafür die Finger umso genauer. Im Allgemeinen gilt, je mehr Feinheiten ein Charakter besitzt, also je detailreicher die Knochenstruktur aufgebaut ist, umso realistischer wirkt am Ende die fertige Animation. 7. Quellenverzeichnis [1] 3d Studio Max Hilfe [2] 3d Studio Max Tutorials Verwendet wurde 3D Studio Max Version Bilderverzeichnis [Abb. 2.1] Freier Character von [Abb. 3.3] Screenshot aus dem Tutorial Using Spline IK Alle weiteren Bilder sind Screenshots von selbst erstellten Szenen in 3D Studio Max unter Verwendung des Characters Wilson aus den 3D Studio Max Tutorials. 11