Seminar SS 2006 Intelligent Virtual Characters

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1 Seminar SS 2006 Intelligent Virtual Characters Leiter: Dr. Michael Kipp Johannes Tran Character Animation Materials by Jeff Lander, John Lasseter and Rick Parent

2 Überblick Einführung: Bewegung, Computer Animation, Keyframing Part I: Prinzipien der Animation Part II: Inverse Kinematik Part III: Animation mit Quaternionen Part IV: Interpolation von Rotationen Part V: Charakter Animation Zusammenfassung Intelligent Virtual Characters SS2006 1

3 Einführung Bewegung Bewegung Kinematik Lehre von der Bewegung von Punkten im Raum, ohne die Ursachen (Kräfte) zu betrachten Kinetik Beschreibt die Änderung der Bewegungsgrößen unter Einfluss von Kräften Intelligent Virtual Characters SS2006 2

4 Einführung Computer Animation - Was ist das eigentlich? Die Kunst mit Hilfe von Computern bewegte Bilder zu erstellen Animation umfasst die zeitliche Veränderung aller Parameter in einer Szene Es gibt zwei Hauptkategorien : 1. Computergestützte Animation: Bezieht sich auf 2D Systeme, z.b Interpolation zwischen Key Shapes 2. Computergenerierte Animation: - Low-Level Techniken direkte Spezifikakion aller Bewegungsparameter - High-Level Techniken Allgemeine abstrakte Bewegungsspezifikation, automatische Generierung der low-level Parameter Intelligent Virtual Characters SS2006 3

5 Einführung Keyframing Zeichnen der Schlüsselbilder einer Sequenz Markieren wichtige visuelle Übergänge Erzeugen der Zwischenbilder: - In-Between - Interpolation Intelligent Virtual Characters SS2006 4

6 Überblick Einführung: Bewegung, Computer Animation, Keyframing Part I: Prinzipien der Animation Part II: Inverse Kinematik Part III: Animation mit Quaternionen Part IV: Interpolation von Rotationen Part V: Charakter Animation Zusammenfassung Intelligent Virtual Characters SS2006 5

7 Part I Prinzipien der Animation Squash and Stretch Andeutung von Festigkeit und Masse eines Objektes Hinweis auf Material Realisierung durch Skalierung der Objekte Intelligent Virtual Characters SS2006 6

8 Part I Prinzipien der Animation Timing Geschwindigkeit gibt Hinweise auf. - Masse eines Objektes - Emotionale Zustände von Charakteren Dauer von Bewegungen sollte: - lange genug sein, um Bewegungen zu erkennen - kurz genug sein, um nicht zu langweilen Intelligent Virtual Characters SS2006 7

9 Part I Prinzipien der Animation Antizipation Ankündigen einer Bewegung Lenkt die Aufmerksamkeit des Betrachters auf die eigentliche Handlung Eventuell zusätzliche Skalierung Intelligent Virtual Characters SS2006 8

10 Part I Prinzipien der Animation Staging Objektkonturen sind wichtig Bewegungen am besten quer zur optischen Achse Auschnitt und Bildaufbau Intelligent Virtual Characters SS2006 9

11 Part I Prinzipien der Animation Staging Objektkonturen sind wichtig Bewegungen am besten quer zur optischen Achse Auschnitt und Bildaufbau Ausleuchtung Idee klar präsentieren, Aufmerksamkeit des Betrachters lenken Intelligent Virtual Characters SS2006 9

12 Part I Prinzipien der Animation Follow-Through und Überlappende Aktionen Follow-Through: - Abschlussphase der Handlung - z.b. Nachschwingen des Beins nach Kicken des Balls Überlappende Handlungen: - Neue Handlung beginnt noch während der alten Handlung - Erhält Aufmerksamkeit, da keine Pause zwischen den Handlungen Intelligent Virtual Characters SS

13 Straight Ahead: Part I Prinzipien der Animation Straight Ahead Action & Pose-to-Pose Action - Szene entstammt exakt in der Reihenfolge auf dem Kopf des Zeichners - wird bei spontan wirkenden Szenen benutzt Pose-to-Pose: - Animator plant die Aktion, und bestimmt welche Zeichnungen für die Animation zusätzlich benötigt werden - wird bei Szenen, bei denen das Timing wichtig ist, benutzt Intelligent Virtual Characters SS

14 Part I Prinzipien der Animation Bremsen/Beschleunigen Angelehnt an Physik Gibt Hinweis auf Gewicht Realisierung durch Interpolation Intelligent Virtual Characters SS

15 Part I Prinzipien der Animation Übertreibung Ausgangspunkt: naturgetreue Bewegung bzw. Proportionen lieber kräftig übertreiben kann angewendet werden auf: Proportionen Translation, Rotation Skalierungen Farbveränderungen Intelligent Virtual Characters SS

16 Part I Prinzipien der Animation Sekundäre Bewegungen/Bögen Bewegungen, die durch die Hauptbewegung ausgelöst st werden gut, wenn eigentliche Bewegung schwer zu zeigen ist (zu groß etc.) Realisierung durch andere Kameraposition Bögen: Objekte bewegen sich meistens kreisförmig rmig Intelligent Virtual Characters SS

17 Part I Prinzipien der Animation Appeal Design des Charakters Was will der Betrachter sehen? - Charm - ansprechendes Design - nicht zu Überladen Intelligent Virtual Characters SS

18 Überblick Einführung: Bewegung, Computer Animation, Keyframing Part I: Prinzipien der Animation Part II: Inverse Kinematik Part III: Animation mit Quaternionen Part IV: Interpolation von Rotationen Part V: Charakter Animation Zusammenfassung Intelligent Virtual Characters SS

19 Part II Inverse Kinematik Bewegung eines Arms Aus der Lage des Endeffektors werden die Gelenkwinkel der Armelemente bestimmt Intelligent Virtual Characters SS

20 Part II Inverse Kinematik 1. Die Position des Ursprungs des zweiten Knochen: 2. Mit dem zweiten Knochen erhält man die Position des Endeffektors P: 3. Folgende Rechenregel: 4. Führt zu: 5. Und somit zu den Winkeln der Knochen: Intelligent Virtual Characters SS

21 Beispiel Intelligent Virtual Characters SS

23 Part III Animation mit Quaternionen Wozu Quaternione? Alternative: Orientierung von Objekten werden durch Eulerwinkel repräsentiert: Eulerwinkel beschreiben die Winkellage eines Objektes im Raum als Tripel (Ψ,Θ,Φ)( ), die drei Winkel um die das Objekt auf den drei Achsen rotiert wird Dabei kann ein Gimbal Lock auftreten: Verlust eines der drei Achsen bei der Rotation des Objektes Intelligent Virtual Characters SS

24 Part II Gimbal Lock Intelligent Virtual Characters SS

25 Part II Eulerwinkel-Interpolation Ein weiteres Problem entsteht durch die Abhängigkeit der Euler Winkel Orientierung von Objekten kann als Rotation um x,y und z Achse z.b. (0,180,0) dargestellt werden Equivalent dazu: (180,0,180) Was passiert zwischen (0,0,0) und (0,180,0)? Intelligent Virtual Characters SS

26 Part II Eulerwinkel-Interpolation (0,90,0) Start Ende (0,0,0) (0,180,0) (0,90,0) (90,0,90) Intelligent Virtual Characters SS

27 Part II Quaternione Ein Quaternion ist ein 4-Tupel, 4 bestehend aus einem Skalar q w und einem Vektor q v q =( = q w, q v )=(q w, q x,q y, q z )= iq x + jq y + kq z + q w mit: q w, q x,q y, q z reell und ij = k, ji = -k k, jk = i, kj = -i, ki = j, ik = -j Intelligent Virtual Characters SS

28 Part II Eulerwinkel Quarternione Definition von Rotation durch Quaternione: : [(x,y,z),w)] Aus Eulerwinkel(x=Ψ, y=θ,, z=φ) ) berechne die Komponenten der Quarternione: Q x =[(sin(ψ/2),0,0),cos( /2),0,0),cos(Ψ/2)]/2)] Q y =[(0,sin(Θ/2),0),cos( /2),0),cos(Θ/2)]/2)] Q z =[(0,0,sin(Φ/2)),cos( /2)),cos(Φ/2)]/2)] Trick: Multiplikation der einzelnen Komponenten führt f zu einem Quaternion,, der alle Informationen enthält Intelligent Virtual Characters SS

30 Part IV Interpolation von Rotationen Alle Rotationen sind auf einer Einheitskugel definiert Jede Position auf der Einheitskugel entspricht genau einer Rotation Interpolation zwischen zwei Rotationen bedeutet Suche nach einem Großkreis, auf dem beide Rotationen liegen Intelligent Virtual Characters SS

31 Part IV Interpolation von Rotation Dient der Berechnung der Keyframes SLERP Spherical Linear Interpolation LERP Linear Interpolation Schneller bei kleinen Interpolationen Intelligent Virtual Characters SS

32 Part IV Interpolation von Rotation Warum nicht immer LERP benutzen? LERP läuft nicht mit konstanter Geschwindigkeit ab Intelligent Virtual Characters SS

33 Part IV Interpolation von Rotation Beispiel Intelligent Virtual Characters SS

35 Part V Charakter Animation Knochen-Hierarchie :: Ermöglicht das Anwenden von Motion Capture Daten und Interpolation zwischen Keyframes Problem: Die Verbindungsstelle zwischen den verschiedenen Objekten, die den Arm darstellen, sieht rough aus Intelligent Virtual Characters SS

36 Part V Charakter Animation Predeforming : : Charakter ist ein Gittermodell und wird mit Hilfe des Skelett- Deformationssystem animiert Nachteile des Predeforming: keine Flexibilität Intelligent Virtual Characters SS

37 Part V Charakter Animation Lösung: Bedecken des Skeletts mit einer Hautschicht Jede Vertex der Haut ist einem bestimmten Knochen zugeordnet Durch erhöhen hen der Vertex-Anzahl und Gewichtung, vermeidet man Verzerrungen der Haut Intelligent Virtual Characters SS

38 Part V Charakter Animation Intelligent Virtual Characters SS

39 Part V Charakter Animation Beispiel Intelligent Virtual Characters SS

40 Überblick Einführung: Bewegung, Computer Animation Part I: Prinzipien der Animation Part II: Inverse Kinematik Part III: Animation mit Quaternionen Part IV: Interpolation von Rotationen Part V: Charakter Animation Zusammenfassung Intelligent Virtual Characters SS

41 Zusammenfassung Quaternione ermöglichen bessere Interpolation zwischen Keyframes als Eulerwinkel, jedoch zu mathematisch LERP und SLERP sollten zusammen benutzt werden Fusion aus Gitter- und Skelettmodell ermöglicht realistischere Animation von Charakteren Zukunft: Kinetik? Intelligent Virtual Characters SS

42 Ende Questions?