Proseminar 3D-Modellierungsprogramme ANIMATIONEN MIT MAYA. Ramzi Karoui Uni-Ulm SS 06

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1 Proseminar 3D-Modellierungsprogramme ANIMATIONEN MIT MAYA Ramzi Karoui Uni-Ulm SS 06

2 INHALTSVERZEICHNIS 1. Einführung 3 2. Die Animationsarten Keyframe -Animation Path -Animation Nicht-lineare-Animation Tools und Einstellungen Der Range Time Slider Die Frame Rate einstellen Den Range festlegen Der Graph-Editor Weitere Animationsmöglichkeiten Zusammenfassung Referenzen. 12 2

3 1. Einführung 1.1. Animationen In der 3D-Computergrafik versteht man unter Animationen die Produktion einer Bildsequenz, indem die einzelnen Bilder sich verändern, um ein bestimmtes Ereignis zu beschreiben. Dies kann ein fahrendes Auto sein, ein fliegendes Flugzeug,..., oder alles andere, was man sich vorstellen kann. Dabei steht jedes Bild für ein Frame. Der Begriff Frame stammt aus der Filmbranche, wo die Echtzeit-Bilder, die man auf dem Fernsehbildschirm sieht, einzelne Schnappschüsse der Zeit sind, die nacheinander abgespielt werden. In der Welt des Films wird jede Sekunde Echtzeit mit 24 Frames dargestellt. Daher läuft ein Film mit 24 Frames pro Sekunde ab (24 fps). Beim Fernsehen gibt es jedoch mehrere länderspezifische Normen. In Europa wird als Fernsehnorm PAL verwendet, in Japan, den Vereinigten Staaten und Kanada NTSC. In anderen Teilen der Welt ist es SECAM. Diese Videonormen haben andere Frame-Raten: PAL und SECAM 25 Frames pro Sekunde, NTSC 30 fps Maya Maya ist eine 3D-Modellierungssoftware, die von Alias Wavefront entwickelt wurde, mit dem Anspruch die beste aller 3D-Anwendungen zu sein zumindest was die Animation von Figuren und Effekten angeht. Dieses Programm hat sich durch seine Leistungsfähigkeit und Flexibilität zu einer festen Größe in der 3D-Grafikbranche entwickelt. Von Spezialeffekten für Filme bis hin zu Produktvisualisierung, Kunst und Spiele ist Maya inzwischen zu einem Standard geworden. Zudem enthält Maya leistungsfähige Features, unter anderem ein eingebautes Dynamic-System, Pelz- und Stoffsimulation und ein großes Set an Modellierungswerkzeugen. 3

4 2. Die Animationsarten Animieren ist der Prozess, der uns erlaubt, die Eigenschaften eines Objekts, die sich durch die Zeit verändern, festzulegen und zu bearbeiten. Dazu kann man unterschiedliche Methoden verwenden, nämlich: - Keyframe -Animation - Path -Animation - Nicht-lineare-Animation Jede Methode hat ihre eigenen Fähigkeiten, deswegen muss man entscheiden, welche Methode für ein bestimmtes Ereignis die geeignet ist. Um diesen Zweck würden wir zunächst jede Methode näher anschauen Keyframe -Animation: Die Keyframe -Animation oder auch Keyframing genannt ist die Standardmethode zum Animieren. Dabei werden die Frames automatisch erstellt, mit anderen Worten braucht man nur Keyframes für die Ein- und Ausgangspositionen eines Objektes zu setzen, dann füllt Maya die Zwischen-Frames auf. Eine weitere Eigenschaft dieser Methode ist die Tatsache, dass sie zeitabhängig ist. D.h. wenn die Animation einen bestimmten Zeitpunkt erreicht, wo ein Key gesetzt ist, werden die Attribute eines Objektes die angegebenen Werte übernehmen. Bei einer einfachen Animation, beispielsweise einem Würfel, der sich von einem Punkt A zu einem Punkt B bewegt, erstellt man zunächst einen Keyframe mit der Ausgangsposition des Würfels in Frame 1. dann macht man den letzten Frame der Animation, sagen wir Frame 24. Man bewegt den Würfel 10 Einheiten auf der x-achse weiter und erstellt einen zweiten Keyframe. Die Software interpoliert zwischen den beiden Keys und generiert Werte für die Position des Würfels auf jedem Frame zwischen 1 und 24. Das Ergebnis: der Würfel bewegt sich über den Bildschirm, wenn man die Animation abspielt. Abb. 1: Keyframing 4

5 Daraus ergibt sich eine lineare Animation, d.h. ohne Beschleunigung. Unser Würfel würde sofort zu bewegen anfangen, mit gleicher Geschwindigkeit weiterfahren und dann abrupt stehen bleiben. Diese Bewegung wirkt aber nicht natürlich, der Betrachter geht eben davon aus, dass der Würfel zunächst beschleunigt wird, eine bestimmte Geschwindigkeit erreicht und dann langsamer wird bevor er schließlich stehen bleibt, was den physikalischen Gesetzen entspricht. Um dieses Ergebnis zu erreichen, müssen die Keyframes anders interpoliert werden. Diese gleichmäßige beschleunigte Animation nennt man Ease-in, Ease-out. Bei mancher Software lassen sich die Interpolationstypen aus einer Liste mit Voreinstellungen auswählen. Bei Maya wird die Interpolation über Funktionskurven beliebig festgelegt, was dem Anwender mehr Freiheit lässt (mehr dazu erfahren wir im Abschnitt 3.4. Der Graph-Editor ). Wie wir gesehen haben, eine Keyframe -Animation basiert auf Keyframes. Diese sind nichts anderes als willkürliche Markierungen, die die Werte der Objekteigenschaften an einem bestimmten Zeitpunkt bezeichnen. Die Keyframes oder kurz Keys sind mit einem roten Strich auf dem Time-Slider (wird später behandelt) zu erkennen. Diese können umorganisiert, dupliziert oder gelöscht werden. Keyframes Abb. 2: Keyframes Wenn man ein Objekt animieren will, setzt man auf den Time-Slider Keys die hinweisen, wo die Attribute dieses Objekts während der Animation geändert werden sollen. Um diese Attribute zu verändern, kann man entweder numerische Werte angeben oder einfach die Eigenschaften des Objektes manuell verändern (durch Skalieren, Rotieren, verschieben,...) Path -Animation: Die Path -Animation erlaubt es, ein Objekt entlang einem Pfad zu animieren. Der Pfad wird durch eine Kurve beschrieben, die die Bewegung des Objekts kontrolliert. Im Gegensatz zu Keyframing, wird bei dieser Methode die Bewegung durch die Stelle des Objekts entlang der Kurve berechnet. Dabei wird das zu animierende Objekt an eine NURBS -Kurve angehängt, dann folgt es der gebogenen Strecke um eine Bewegung darzustellen. Die NURBS -Kurve kann erst als Pfad bezeichnet werden wenn das Objekt an sie angehängt wird. Die Stelle an der es positioniert wird ist jedoch sein Rotationspunkt. 5

6 Man kann beliebig auswählen, in welchem Zeitpunkt bzw. an welcher Stelle der Kurve das Objekt positioniert werden soll. Ob es gerade oder schief, horizontal oder vertikal fahren soll, kann man auch freiwillig entscheiden, indem man die Orientierung des Objekts während seiner Bewegung mittels der lokalen Rotationsachsen kontrollieren kann. Wenn man eine Path -Animation erstellt bemerkt man, dass an den äußersten Enden der Kurve jeweils ein nummerierter Punkt auftaucht. Das sind die Path Markers, die die Keys der Animation bezeichnen, und die entsprechenden Nummern sind nichts anderes als die Start- und End- Frames. Diese Markierungen kann man noch synchronisieren, wenn das Objekt schneller oder langsamer das Ende des Pfades erreichen soll. Die Path -Animation ist besonderes hilfreich wenn man solche Objekte animieren will, deren Bewegungen eine bestimmte Flugbahn beschreiben wie etwa Autos, Flugzeuge, Züge, Kameras. Start-Frame Objekt NURBS-Kurve End-Frame Abb. 3: Path-Animation 2.3. Nicht-lineare Animation: Eigenschaften Die nicht-lineare-animation wird besonderes bei der Charakter-Animation verwendet. Nachdem eine Figur beispielsweise mit der Keyframing -Methode animiert wurde, kann man die entsprechenden Animationsdaten in eine einzige Sequenz, Animationsclip genannt, erfassen. Maya unterscheidet zwei Typen von Clips und zwar die ursprünglichen- und die regulären Clips. Genauer werden die originalen Animationsdaten einer Figur in die ursprünglichen Clips eingelagert, dann erstellt Maya Instanzen dieser Clips, die sog. regulären Clips, die man verwenden kann, um die Bewegung einer Figur zu definieren. Diese letzten können dann in den Trax Editor hineingefügt und dort verwaltet werden. Das Manipulieren, Verschieben und Synchronisieren von regulären Clips, um eine Folge von Figurenbewegungen zu erzeugen, ist die Basis einer nicht-linearen-animation. 6

7 Als Beispiel dazu wollen wir einen laufenden Mann gestalten. Dafür müssen wir nicht jeden Schritt erstellen, sondern es genügt, nur einen zu erstellen und ihn als Clip zusammenzufassen, den wir beliebig oft verwenden können durch Instanzen, die nacheinander angelegt werden, um die ganze Schrittfolge zu realisieren. Diese Instanzen können noch editiert werden, um z.b. einen Sprung zu erzeugen, ohne den ursprünglichen Clip zu betreffen Der Trax Editor Der Trax Editor ist ein Animationstool, das uns erlaubt, Figuren und deren Animationsclips auszuwählen und zu steuern, Animationssequenzen zu stapeln und zusammenzuschließen sowie Audioclips zu synchronisieren. Man kann auch die Clips ausstrecken oder enger machen, dass die Keyframes des Clips langsamer oder schneller sich ablaufen. Im Outliner werden sowohl die ursprünglichen Clips, die man in der Szene gestaltet hat, als auch die regulären Clips aufgelistet. Zunächst wählt man den gewünschten Clip und kann diese durch drag and drop in die Track view area ablegen. Dadurch fügt Maya eine Kopie dieses Clips dem entsprechenden Charakter zu. In dem Fall wo man einen Clip für ein zu animierendes Objekt erstellt, der noch nicht Teil eines Charakter-Satzes ist, stellt der Trax Editor automatisch für dieses Objekts einen Charakter bereit. Es ist noch zu erwähnen, dass man im Trax Editor mit allen Animationstypen, ausgenommen die Path -Animation, arbeiten kann. Character Track view area Clips Outliner Timeline Abb. 4: Der Trax-Editor 7

8 3. Tools und Einstellungen In diesem Abschnitt werden wir die Tools, die wir beim Animieren häufig brauchen, kennen lernen und die wichtigsten Animationseinstellungen vornehmen Der Range-Time-Slider Das ist ein spezifisches Tool zum Animationsprozess in Maya und sehr bedeutend in der Benutzeroberfläche. Es besteht, wie sein Name besagt, aus einem Time - bzw. Range-Slider. Der Time-Slider wird beispielsweise gebraucht, um die Animation abzuspielen, um sie auf ein bestimmtes Frame zu legen oder auch anzuschauen, wo Keys gesetzt sind. Was den Range-Slider angeht, wird er verwendet, um die Länge einer Animation in Frames einzustellen. Mit diesem Tool kann man den Playback-Start - und Endframe festlegen, folglich wird die Animation auf diesen Abschnitt eingeschränkt. Man kann auch die Range-Bar auf einen anderen Abschnitt verschieben bzw. ausstrecken, um die ganze Animation anzuzeigen. Abb. 5: Der Rang-Time-Slider 3.2. Die Frame Rate einstellen Man kann weitere Einstellungen wie etwa die Animationslänge und die Frame-Rate in der Preferences-Dialog-Box vornehmen. Die Frame-Rate legt die Animationslänge und die Animationsflüssigkeit fest. Standardmäßig setzt Maya die Animation auf Filmeinstellungen (sprich 24 fps), d.h. in jeder Sekunde der Animation werden 24 Frames abgespielt. 8

9 Abb. 6: Die Preferences-Dialog-Box 3.3. Den Range festlegen Der Range einer Animation bezeichnet seine Länge in Frames. Um ihn zu bestimmen, muss man im Voraus wissen, wie lang die Animation in Sekunden dauern wird, dann wird die Animationslänge (in Sekunden) mit der Frame-Rate multipliziert. Range (frames) = Frame-Rate (fps) * Animation length (sec) 3.4. Der Graph-Editor: Der Graph-Editor ist ein sehr nützliches Tool, um die gesetzten Keys zu schätzen und zu bearbeiten. Er stellt die abgeänderten Attribute in Form einer Kurve, die angibt wie oft und wie schnell Attribute geändert worden sind, dar. Man kann die Form der Kurve ändern und genau steuern, ohne weitere Keys hinzufügen zu müssen, indem man auf die einzelnen Keys eingreift und die Tangenten- Handles manipuliert, genau wie bei einer Bézier -Kurve in einem Zeichenprogramm. Man kann auch die Kurven mit der TCB-Steuerung ( Tension, Continuity, Bias ) bearbeiten. TCB steht für die drei Werte eines Keyframes, über die sich die Form der eingehenden und ausgehenden Kurve verändern lässt. 9

10 Maya stellt auch spezielle Keys zur Bearbeitung der Funktionskurven zur Verfügung, die einen bestimmten Abstand zu den benachbarten Keys halten, die sog. Breakdowns. Wenn nur der letzte Keyframe um einige Frames nach hinten verschoben wird, verschiebt sich auch der Breakdown, da er zwischen den beiden Keys liegt. Dadurch ist es möglich ein Segment der Animation zu skalieren, ohne ein spezielles Werkzeug dafür zu benötigen oder jeden Keyframe manuell verschieben zu müssen. Im Graph-Editor taucht jedes keyed Attribut als eine Linie auf, die entweder nach oben oder nach unten verläuft, um ihren Wert über die Zeit anzuzeigen. Die Animationszeit geht von links nach rechts, während die Animationsdaten auf der vertikalen Skala abgebildet sind. keyed Attribute Attributenwerte Funktionskurve Die folgende Abbildung zeigt uns, wie eine lineare Interpolation im Graph-Editor durch eine gerade Linie zwischen den Keyframes dargestellt wird. Dies bedeutet, dass die Veränderungen der Attributenwerte im Laufe der Zeit konstant erfolgen. Auf der nächsten Abbildung sieht man, wie eine beschleunigte Interpolation, auch Ease-in, Ease-out genannt, durch eine gebogene Linie dargestellt wird. Frames Abb. 7: lineare Interpolation keyed Attribute Attributenwerte Key Tangente Funktionskurve Frames Abb. 8: Ease-in, Ease-out Interpolation 10

11 4. Weitere Animationsmöglichkeiten Hauptsächlich haben wir die Grundanimationsarten behandelt, jedoch gibt es noch andere fortschrittliche Methoden zur Erstellung von, die zu erwähnen sind, nämlich: - Die Driven key -Animation Diese Methode erlaubt es, interaktive Animationen zu gestalten. Dabei werden die Attribute zwei verschiedener Objekte miteinander verknüpft, so dass die Änderungen der Attribute des Ersten des Zweiten beeinflussen. - Die Motion Capture -Animation Diese Art von Animation macht es möglich, komplizierte Bewegungsdaten zu generieren, die wir verwenden können, um Figuren zu animieren. - Die Dynamic -Animation Die Dynamic -Animation bringt die Gesetze der Physik in Spiel, um Naturkräfte zu simulieren. Sie wird zur Erstellung realistischer Bewegungen verwendet, die mit den Standardmethoden schwer zu realisieren sind, wie etwa um ein Erdbeben oder physikalische Partikel zu simulieren. 5. Zusammenfassung Tatsächlich hat uns diese Einführung in den Animationsprozess mit Maya die Grundbegriffe vorgestellt und einen Überblick über die elementaren Methoden zum Erstellen und Bearbeiten von Animationen, nämlich die Keyframe -Animation, die Path -Animation und die Nicht-lineare- Animation geliefert. Wir haben auch die meist verwendeten Tools zum Animieren sowie die wichtigsten Animationseinstellungen kennengelernt. Schließlich haben wir erfahren, dass Maya noch mehr Animationsmöglichkeiten für die Erstellung komplexer Animationen anbietet, und zwar die Driven Key -Animation, die Motion Capture - Animation und die Dynamic -Animation. 11

12 6. Referenzen - Maya 4.5 Fundamentals: Jim Lammers with Lee Gooding, New Riders Verlag, Digitales 3D-Design: Simon Danaher, Stiebner Verlag,