Eine Einführung in die virtuelle Welt des 3D

Transkript

1 Teil A Eine Einführung in die virtuelle Welt des 3D Kapitel 1 Der dreidimensionale Raum Kapitel 2 Einführung in die Programmoberfläche

2 Teil A D ie Computeranimation hat in den letzten Jahren beachtliche Entwicklungen durchgemacht. Wir werden mit immer atemberaubenderen Bildern überschüttet und die Programme ermöglichen mit immer raffinierteren Werkzeugen, alles am Computer zu simulieren, was man sich erträumen kann. Maya ist solch ein Programm, dass für viele bekannte Kinohits und Games eingesetzt wurde. Infolge der offenen Architektur von Maya können die Animationshäuser das Programm auf ihre Bedürfnisse abstimmen. Dies machen sich hoch spezialisierte Produktionen auch zunutze. Die Lösung nennt sich MEL. MEL ist eine integrierte Programmiersprache. Sie ermöglicht die Anpassung an den Arbeitsfluss einer Produktion. Maya verhält sich dabei wie ein Baukasten. Aber keine Angst jetzt geht es nicht mit Programmieren los. Die MEL- Skripte rationalisieren lediglich den Produktionsablauf. Die programmeigenen Werkzeuge genügen vollkommen; sowohl für den Einstieg als auch für den professionellen Gebrauch in der Computeranimation. In Maya 2008 wurde neben MEL die Skriptsprache Python komplett integriert. Python wird auch in anderen Programmen eingesetzt und es entsteht der Vorteil, eigene Schnittstellen leichter generieren zu können. Um Ihren Ehrgeiz zu wecken, gibt es eine CD-ROM mit Animationen, die Sie mit Hilfe eines AVI-Players abspielen können. Aber denken Sie daran, wenn Sie sich an Ihrer ersten Animation versuchen: An einer Kinoproduktion sind Hunderte von Leuten beteiligt! Die einen sind für das Modellieren der Tentakeln im Gesicht von Davy Jones zuständig, die anderen für die Haut darüber und schließlich die nächsten für die Bewegung... Und jeder ist ein Spezialist auf seinem Gebiet. Also ganz gleich, wie lang ein Weg ist, er beginnt immer mit dem ersten Schritt! 18

3 Kapitel 1 Der dreidimensionale Raum 1.1 Ausdrucksmittel in der Computeranimation Produktionsfluss eines typischen 3D-Projekts Maya und seine Module

4 Kapitel 1 DER DREI DIMENSIONALE RAUM Maya ist in erster Linie ein Programm zur Erzeugung dreidimensionaler Grafiken in Bewegung oder für fotorealistische Bildberechnungen, die in der Werbung eingesetzt werden. Dies ist ein wesentlicher Unterschied zu 2D-Bildbearbeitungsprogrammen wie Adobe Photoshop. Sie erschaffen eine Welt in einem dreidimensionalen Raum. Die Werkzeuge, die Sie nutzen, beziehen sich damit auf ein dreidimensionales Koordinatensystem, das im Weltursprung liegt und eine X-, Y- und Z-Achse besitzt. Tipp Übrigens in Europa geht die Y-Achse nach oben. In Amerika ist das Koordinatensystem gedreht und die Z-Achse zeigt nach oben. Das kann unter GENERAL PREFERENCES geändert werden. Die Kamera ist Ihr Auge in die dreidimensionale Welt von Maya. Wie beim Blick durch das Objektiv einer echten Kamera können Sie die Perspektive selbst bestimmen. Wenn Sie durch eine der Kameras in Maya den virtuellen Raum betrachten, erkennen Sie Raster ähnlich einem Karopapier. Diese Raster, Grid genannt, können für verschiedene Ebenen sichtbar gemacht werden und beziehen sich ebenfalls immer auf den Weltursprung. Indem man zwischen den verschiedenen Kameras wählt, sieht man zum Beispiel die Draufsicht oder die Seitenansicht. Das Grid in der perspektivischen Kamera zwischen der X- und Z-Achse stellt die Bodenebene dar. Genaueres zum Grid erfahren Sie im Kapitel Das Modell. Abbildung 1.1 Weltachse in Maya In Maya gibt es einen Farbcode, der die Raumachsen symbolisiert: ROT für die X-Achse, GRÜN für die Y-Achse, BLAU für die Z-Achse. Die Farben werden in vielen Editoren wiederverwendet und die Werte sind dort den entsprechen Achsen zugeordnet. 1.1 Ausdrucksmittel in der Computeranimation Da Sie Ihre 3D-Welt selbst gestalten können, sind Sie nicht mehr wie bei echten Filmaufnahmen an physikalische Gesetzmäßigkeiten gebunden. 20

5 1.2 Produktionsfluss eines typischen 3D-Projekts So kann man unter anderem auch Überhöhungen in einer für uns realistisch aussehenden Darstellung produzieren. Der Fotorealismus dient dabei zur Täuschung des Auges bei Filmeffekten. Hier wird die Computeranimation mit Realaufnahmen gemischt, um eine möglichst wirklichkeitsnahe Nachbildung zu suggerieren. Um unsere Welt mit den Werkzeugen eines 3D-Programms nachzubauen und Materialien nachzuahmen, müssen Sie Ihre tatsächliche Umgebung analysieren. Beobachten Sie die verschiedenen Oberflächen, das Licht, die Schatten, die Bewegungen und nehmen Sie bewusst Ihre Umwelt wahr! Sie müssen jedoch nicht immer nur den Realismus im Auge haben. Eine andere Möglichkeit sind die Ausdrucksformen der Filme wie»ratatouille«,»shrek«oder»ice Age«als komplett computergenerierte Filme. Besonders die integrierten Toon Shader seit Maya 7 geben Ihnen die Werkzeuge zu Hand, um alternative Stile zu finden. Und nicht zu vergessen ist die Welt der Computerspiele, die von noch fantastischeren Wesen in unglaublichen Umgebungen bevölkert ist! Wie man Maya einsetzt, bleibt jedem selbst überlassen. Sie können in der Bildästhetik zu einem reduzierten oder auch realistischen Stil finden. Es liegt an Ihnen, wie Sie die Werkzeuge nutzen wollen. 1.2 Produktionsfluss eines typischen 3D-Projekts Ablauf innerhalb von Maya Je nach Anzahl der Leute, die in einem Team sind, kann man auch parallel arbeiten. Wenn Sie jedoch ein Projekt von A bis Z allein produzieren wollen, kommen folgende Schritte nacheinander auf Sie zu: 1. Modellieren Skizzen Modelltypen Konzeption zur Modellierungstechnik Durchführung mit Modellierwerkzeugen von Maya 2. Materialentwurf Materialsichtung von geplanten Materialien Konzeption Material (welches Material zu welchem Objekt/Ausdruck) 21

6 Kapitel 1 DER DREI DIMENSIONALE RAUM Erstellung der Materialnetzwerke durch den Hypershade in Maya Gegebenenfalls Entwicklung von Bildtexturen mit Bildbearbeitungsprogramm (innerhalb von Maya mit Paint Effects oder extern über Adobe Photoshop) Renderingtest 3. Kamera und Lichtdefinition Kamera-Attribute definieren (Linse, Brennweite, Effekte) Lichtgestaltung durch Auswahl der Lichttypen Positionierung der Lichter im Raum (Lichtaufbau) Lichtzuweisung (welches Licht beleuchtet welche Objekte/ Light-linking) Schattenverhalten einstellen 4. Animation Konzept Bewegungsablauf (Recherche Bewegungsabläufe) Erwägung von Animationstechniken zur bestmöglichen Umsetzung Erstellen der Animation mit Animationswerkzeugen in Maya Abgleichen des Timings (Spuransicht, Trax etc.) 5. Rechenoptimierung und Rendering Renderingeffekte einstellen Rechenoptimierte Einstellungen für einzelne Objekte Tessellation (Objektunterteilungen) bestimmen Testrenderings Finale Bildsequenzen erstellen 6. Nachbearbeitung Import der Bildsequenzen in ein Composit-Programm nach Wahl Einfluss nehmen auf Kontraste und Einstellen von Farbmanipulationen Mischen der computergenerierten Bilder mit Realaufnahmen und Maskentechniken 22

7 1.2 Produktionsfluss eines typischen 3D-Projekts Ablauf des übergeordneten Prozesses Abbildung 1.2 Das Schaudiagramm zeigt den Arbeitsfluss in der Produktion. Die Bilddaten werden in mehreren Bereichen bearbeitet (Composit, Schnitt). Das 3D-Programm dient zur Erzeugung von computergeneriertem Bildmaterial. Mit dem Überblick über die Einbindung der Animationen in eine Filmproduktion können Sie Ihre Szenen in Maya gezielter anlegen, indem Sie zum Beispiel bestimmte Ebenen erzeugen. Damit können Sie bereits im Vorfeld Problematiken umgehen und viel Zeit sparen, denn bei den meisten Produktionen müssen computergenerierte Bilder glaubwürdig in Realaufnahmen eingefügt werden. Das aufgenommene Filmmaterial vom Set wird in digitale Bildsequenzen überführt. Diese werden dann in eine Motiontracking-Software geladen, um Bildmarkierungen zu setzen, von denen aus der Computer die Bewegungen der Realkamera auf eine virtuelle Kamera überträgt. Die virtuellen Kameradaten werden in Formaten für die gängigsten 3D- Programme auf dem Markt abgespeichert. Die Programmversion Maya Unlimited enthält bereits das Maya-Live-Modul, das in die Maya-Oberfläche integriert ist und einen Motiontracker darstellt. Wenn Sie Ihr 3D-Objekt modelliert und animiert haben, können Sie die virtuell errechnete Kamera in Ihre Szene einsetzen und eine Bildsequenz mit Masken errechnen lassen. Diese Bildsequenz wird anschließend in ein Compositsystem importiert. Die für die Effektbearbeitung digitalisierten Filmszenen werden auf eine Bildebene gelegt. Auf einer zweiten Ebene darüber importieren Sie Ihre computergenerierten Bilddaten von Maya. Die errechnete 23

8 Kapitel 1 DER DREI DIMENSIONALE RAUM Bildsequenz aus Maya stimmt nun dank der Übertragung der Kameradaten perspektivisch mit den Realaufnahmen überein. Die Compositsysteme zerlegen ein Bild in verschiedene Kanäle. So können Sie abschließend die Kontraste oder Farben etc. für die einzelnen Ebenen steuern und ausgleichen. Je nach Anforderung des Filmschnittsystems werden die im Compositsystem fertig gemischten Bilder in ein spezielles Format exportiert. Nun werden die digitalen Trickeffekte in das Gesamtfilmprojekt eingebunden. Filme, die komplett im Rechner entstehen, werden nach derselben Systematik produziert. Das Zerlegen des errechneten Bildmaterials in Ebenen und die Überführung in 2D-Compositprogramme gewährleistet einfach die größtmögliche Flexibilität. 1.3 Maya und seine Module Autodesk Maya 2008 gibt es weiterhin in zwei Versionen zu erwerben: Maya Complete und Maya Unlimited. Maya Complete Maya Complete ist die Basissoftware mit allen grundlegenden Werkzeugen zur Erstellung von professionellen Animationsprojekten und besteht aus den Modulen Modeling, Animation, Dynamics, Rendering und Paint Effects. Hierzu gebe ich Ihnen eine kurze Übersicht über deren Verwendungsmöglichkeiten. Jedes Modul wird in seinem Kapitel noch näher beschrieben. Im Basis-Modul ist die Oberfläche des Programms mit seinen Bearbeitungsfenstern sowie eine Schnittstelle zur Integration von Plug- Ins für weitere Module des Herstellers oder Drittanbieter enthalten. Ebenso finden Sie dort Translators für das Importieren oder Exportieren von üblichen 3D-Formaten. Im Internet werben auch Dritthersteller, die Austauschkonverter zwischen den populären Animations- und Konstruktionspaketen anbieten. Das Modeling-Modul enthält Werkzeuge, mit denen Sie Polygon-, NURBS- sowie Subdivision-Objekte modellieren können. Es steht Ihnen dabei eine Vielzahl von Kurven- und Flächenfunktionen zur Verfügung. Seit der Version 8 wurde der Modeling Bereich in der 24

9 1.3 Maya und seine Module Status Leiste in Polygons und Surfaces unterteilt, was die Übersichtlichkeit verbessert. Im Animationsmodul gibt es Funktionen für grundlegende Animationstechniken wie die Keyframe-Animation oder Motion-Path-Animation. Es bezieht ebenfalls Deformations- und Sonderwerkzeuge für die Charakteranimation sowie für die Entwicklung von Expressions ein. Die nonlineare Animation und damit in Maya der Trax-Editor sind der Kern des Arbeitsflusses im Animationssystem. In der Version 7 wurde erstmals der Full Body IK Solver von dem Programm Motion Builder integriert. Ein Skelett mit diesem Solver ist für die Bewegungsabläufe von zwei- sowie vierbeinigen Figuren optimiert. Weitere Workflowverbesserungen gibt es in Maya 2008 im Zusammenspiel mit dem Full Body IK Solver. Artisan ist eine Schnittstelle, die eine intuitive Arbeitsweise ermöglicht. Sie können mit dem Pinsel auf Oberflächen malen oder Körper verformen. Einige Funktionen in Maya benutzen dieses Modul für den Funktionseinsatz. Es gibt in Maya an vielen Stellen die Möglichkeit, das Pinselsystem aufzurufen, um Auswahlen zu treffen, Geometrie zu verformen oder Objekte mit Texturen zu bemalen. Wenn Sie physikalische Vorgänge wie zum Beispiel Schwerkraft oder Windkraft simulieren möchten, finden Sie im Dynamics-Modul Befehle zur Berechnung solch komplexer Bewegungsabläufe. Sie können sowohl auf starre als auch auf nachgiebige Körper eingehen. Ferner gibt es im Dynamics-Modul die Option, Partikelsysteme herzustellen. Unter Partikel versteht man kleinste Teilchen zur Erzeugung von Gas, Feuer oder Staubeffekten. Das Rendering-Modul gibt Ihnen die Möglichkeit, Ihre Arbeit in fotorealistische Bilder umzusetzen. Es stehen Ihnen Editoren zur Verfügung, mit denen Sie bis ins Detail auf den Rechenprozess Einfluss nehmen können. Sie können einen Vektor-Renderer für Flash oder comicähnliche Effekte einsetzen. Der bekannte externe Renderer Mental Ray von Mental Images ist mit dem Core 3.6 weiter eingebunden worden. Neben Features wie z.b. Fur, Hair können auch alle Partikel mit Mental Ray gerendert werden. Durch die weitere Integration und Entwicklung des Mental-Ray-Renderers ist dieser zum Standardrenderer in Maya geworden. Fotorealistische Ästhetiken unserer Zeit sind meist mit neuen Renderern dieser Art erzeugt worden. Sie finden im Anhang einen Abschnitt, der sich mit 25

10 Kapitel 1 DER DREI DIMENSIONALE RAUM Mental Ray und den neuen Rechentechniken beschäftigt. Um Mental Ray jedoch richtig auszunutzen, empfehle ich Ihnen, sich mit Fachbüchern zu diesem Thema auszustatten. Das Modul Paint Effects wurde seit der Version 2.5 eingeführt. Es ist bis heute noch einzigartig geblieben und nicht kopiert worden. Es findet sich in dieser Art nur in Maya wieder. Die Paint Effects sind ein großartiges Werkzeug für die visuelle Gestaltung von komplexen Formen wie Pflanzen oder Haare. Mit einer unbegrenzten Vielzahl von Pinseln können Sie zweidimensionale Bilder erschaffen, wie man es aus Zeichenprogrammen kennt. Das Neuartige ist aber die Fähigkeit des Moduls, diese zweidimensionalen Bilder wie dreidimensionale Objekte im Raum zu behandeln. Diese Pseudo-3D- Objekte können sowohl animiert als auch Schwerkräften unterworfen werden. Sie können die Paint-Effects-Formen in Polygonmodelle umwandeln und dadurch über Renderer von Drittherstellern wie z.b. Mental Ray berechnen lassen. Zu guter Letzt verfügt Maya Complete über eine interne Skriptsprache, MEL, mit deren Hilfe Sie eigene Makros oder Skripte erstellen können. Mel ist eine C++-orientierte Sprache. Seit den letzten beiden Programmversionen ist auch Python als Skriptsprache komplett integriert worden. Python ist eine unabhängig anerkannte Skriptsprache und kann in Zukunft besser für die Schnittstellenprogrammierung in Maya genutzt werden. Nach wie vor hat der User die Wahl MEL oder Python zu verwenden. Maya Unlimited Maya Unlimited bietet Ihnen nochmals individuellere Module für die Bewältigung spezifischer Aufgaben während eines Animationsprojekts. Jedes dieser Module bedeutet eine besondere Vertiefung in das jeweilige Gebiet der Animation. Da ich in diesem Buch nicht näher auf Maya Unlimited eingehe, werde ich die Module etwas ausführlicher beschreiben. Maya Cloth steht für die Kreation und Animation realistisch wirkender Kleidung. Mit diesem Modul können Sie an Hand von zweidimensionalen Kurven einen Schnitt, ähnlich dem Schnittbogen eines realen Kleidungsstückes, erstellen. Das Programm erzeugt daraus die Kleidung für Ihren Charakter. Da dieses Modul vollständig in Maya integriert ist, können Sie auf die entworfene Kleidung auch Kraftfelder wirken lassen. Auf 26

11 1.3 Maya und seine Module diese Weise bewegt sich das Kleidungsstück, während Ihre animierte Figur eine Handlung durchführt. Der Cloth Simulator erlaubt es auch, über Parameter zu definieren, aus welchem Stoff das jeweilige Kleidungsstück besteht. Mit ihm können Sie unterschiedliche Simulationen ausführen. So verhält sich zum Beispiel ein feiner Stoff wie Seide unter Windeinfluss anders als ein schwerer Leinenstoff. Sie können der Kleidung auch Knöpfe oder Zugpunkte zuweisen, die als Constraints (Bezugspunkte) bezeichnet werden, um damit auf das Verhalten der Simulation einzuwirken. Natürlich kann man auch ein Tischtuch erstellen oder vor einem Fenster Vorhänge flattern lassen. Ein weiteres Modul von Maya Unlimited ist Fur. Es dient zur Erzeugung kurzer Haare über mehrere Flächenverbände hinweg. Über schwarzweiße Verlaufsbilder können Sie steuern, wie dicht auf welchen Bereichen einer Fläche Haare erzeugt werden. Mit dem interaktiven Artisan- Pinselsystem können Sie diese Haare in ihrer Länge und Form beeinflussen oder auch kämmen. Mit Maya Fur haben Sie ebenfalls die Option, Gräser oder fellartige Stoffe entstehen zu lassen. Das Haarsystem reagiert auf die Animation, da das Modul ebenfalls in den Arbeitsfluss von Maya integriert ist. So würden zum Beispiel Haare bei einer Bewegung leicht hin- und herwippen. Maya Hair ist eine Erweiterung des Dynamic-Moduls von Maya Complete. Es beinhaltet eine spezielle physikalische Kurvensimulation mit Werkzeugen zur Erschaffung von langen Haaren. Die erzeugten Splines interagieren dabei auf eine natürliche Weise mit Kraftfeldern wie zum Beispiel Wind oder Schwerkraft und sie reagieren auf die Kollisionen untereinander. Dieses Modul wurde komplett in Maya integriert. Die Nurbskurven kann man somit auf vielfältige Art einsetzen, das heißt, nicht nur als Haare. Die Splines können umgewandelt und so für die secondary Animation genutzt werden. Zum Beispiel steuert ein Spline Solver eine Knochenkette eines Charakters. Dieser Spline kann über die Curve Dynamic aufgrund der Hauptbewegung der Figur auf einer unteren Ebene mitschwingen. Es werden damit sehr realistische Bewegungsabläufe geschaffen. Ferner beinhaltet das Modul spezielle Werkzeuge zum Ausrichten und Kämmen der Haare bzw. Kurven. Das Artisan-Modul, wie man es auch bei Fur vorfindet, ist ebenfalls in diesem System integriert. Tipp Seit Version 7 gibt es die Möglichkeit, Fur sowie Hair direkt in Mental Ray zu rendern. Das hat den Vorteil, dass man z.b. Spiegelungen und Brechungen sowie Global Illumination verwenden kann. Seit Version 7 können Sie Fur und Hair direkt verbinden. Hair steuert über seine Simulation nun auch die Ausrichtung der darunter liegenden kürzeren Fur-Haare. 27

12 Kapitel 1 DER DREI DIMENSIONALE RAUM Maya Live ist ein Motiontracking-Modul. Es wird benutzt, um computergenerierte Objekte in Realfilmszenen einzupassen. Dies kann ein besonders schwieriger Vorgang sein. Stellen Sie sich eine Kamerafahrt entlang einer Kurve vor. Es entsteht pro Bild der Filmsequenz eine veränderte Perspektive. Um in diese Sequenz ein künstlich generiertes Modell glaubhaft einzufügen, muss die Perspektive der virtuellen Kamera mit der Perspektive der realen Kamera exakt übereinstimmen. Motiontracking-Module errechnen aufgrund von Anhaltspunkten in einer gefilmten Bildsequenz einen Kameraflug für die Animationsszene. Jetzt können Sie das computergenerierte Objekt errechnen lassen und über Composit-Software in den Realfilm einbinden. Maya Fluids ist ein Modul, das physikalische Simulation von Gasen und flüssigen Stoffen in Maya integriert. Sie können eine große Variation an Effekten erzielen, die von 2D- und 3D-atmosphärischen, -pyrotechnischen oder -zähflüssigen Stoffen ausgehen. So sind zum Beispiel Flammen, Explosionen etc. schnell und fotorealistisch generierbar. Sie können diese Fluid Effects über das Dynamic-Modul für physikalische Simulationen oder für animierte Texturen auf der Oberfläche von Objekten verwenden. Des Weiteren bekommen Sie mit diesem Modul einen Ocean Shader, mit dem Sie die Oberfläche eines Ozeans realistisch animieren und darstellen können. Sie können dabei Objekte auf den Wellen wippen lassen und Schiffe können z.b. eine Bugwelle erzeugen. Mit der fortlaufenden Integration des Mental-Ray-Renderers ist es möglich, Fluids-Effekte in Mental Ray berechnen zu lassen. Mit Maya Complete verfügen Sie über alle notwendigen Module, um grundlegende Animationen zu schaffen. Wollen Sie jedoch an Charakteren arbeiten, die besondere Ansprüche an Kleidung und Behaarung haben oder sogar in Filmsequenzen eingebunden werden sollen, wird Ihnen Maya Unlimited mit seinen speziellen Modulen hilfreich sein. Maya 2008 ist auch in der 64-Bit-Version erhältlich. Sie können unter dieser Variante von Windows oder Linux jetzt mehr Speicher beanspruchen, als es bisher möglich war. Für die Mac-Gemeinde gibt es lediglich die 32-Bit-Variante von Maya. Das liegt vor allem an dem späteren Erscheinen von Leopard, das als erstes Mac-Betriebssystem, eine vollwertige 64-Bit-Unterstützung enthält. Viele Funktionen sind auch auf die neuen Mehrkernprozessoren optimiert worden also multithreaded programmiert. Dies war seit Längerem nur für die Bildberechnung üblich. Jetzt können ebenfalls Solver innerhalb des Programmes mehrere Prozessorkerne beanspruchen. 28