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1 Computeranimation Thomas Jung Heute Geschichte der Computeranimation Animation von Figuren Vorwärtskinematik Inverse Kinematik Partikelsysteme Behavioural Animation

2 Motivation 3D-Computeranimation ist elementarer Bestandteil der Multimedia-Welt Z. B. in Kinofilmen und Werbespots Animation von Figuren ist Königsdisziplin der Computergrafik Animationssequenzen auch Bestandteil interaktiver 3D-Welten Geschichte der Computeranimation Erste animierte grafische Ausgabe, Tron, Erster Spielfilm mit wesentlichem Computeranimationsanteil, USA, Luxo, Jr., Erster vollständig computergenerierter 3D-Kurzfilm, USA, 986 Begriff Computeranimation, Zajac Hunger, Erste 2D- Keyframeanimation, 974 Terminator 2, Spektakuläre 3D-Morphingund Beleuchtungseffekte, USA, Final Fantasy, 2, Erster fotorealistischer Com- 2 puteranima- tionsfilm Jurassic Park, Erster Spielfilm mit fotorealistischen Tieren, USA, 993 Toy Story, Erster vollständig computergenerierter Spielfilm, USA, 995

3 Animation Animation bedeutet die Erstellung von Bildserien, die bei hinreichend schneller Wiedergabe den Eindruck von Bewegung hervorrufen. Computeranimation ist Animation mit Rechnern. (Leister, Müller, Stößer, Fotorealistische Computeranimation, Springer 99) Computertrick Computer Assisted Animation Unterstützung des traditionellen Produktionsprozesses von Zeichentrickfilmen Computeranimation 2D-Modelle 3D-Modelle

4 Produktion von Zeichentrickfilmen Autor entwirft Geschichte Animateur entwirft Storyboard Aufnahme des Soundtracks Detailliertes Layout Bearbeiten des Soundtracks Unterstützung durch Computer möglich Animateur zeichnet für die Bewegung wesentliche Schlüsselbilder Assistenten zeichnen einige Zwischenbilder Andere Zeichner zeichnen die restlichen Zwischenbilder Filmen der Zwischenbilder zur Überprüfung des Bewegungseindrucks Kopieren der Bilder auf Azetat Kolorateure färben die Zwischenbilder auf dem Azetat Überprüfen der kolorierten Bilder Filmen der Kolorierten Bilder Schnitt, endgültige Erzeugung des Zeichentrickfilms Keyframing Burtnik/Wein seit 969 2D-Linienzeichnungen werden interpoliert Animation über Skelettale Kontrolle Keine Sichtbarkeitswechsel (z. B. Rotierende Köpfe ) Image Morphing wird heute noch häufig verwendet Film Hunger gewinnt 974 den Preis der Jury in Cannes

5 3D-Animationstechniken 3D-Morphing Prozedurale Animation Inverse Kinematik Articulated Figures Rigid Body Dynamics Walking models VL Oberflächenrepräsentationen 3D-Computeranimation Partikelsysteme (Feuer, Wolken,...) Analytische Modelle Wellen Behavioural Animation (Schwärme, Herden,... ) Schlangen VL Physikalischbasierte Animation (A)FFD Deformationen Modellunabhängige Verformung Deformable Models (z. B. FEM) Splines Modellabhängige Verformung Kleidung Animation von Figuren Modellierung Modellierung der Körperform (Haut) Modellierung von Gesicht und Haaren Modellierung von Kleidung Animation Modellierung des Skeletts Animation des Skeletts Verbindung von Skelett und Haut Animation des Gesichts Simulation von Haaren und Kleidern Rendering Magnenat-Thalmann 99

6 Modellierung der Körperform Aus Einzelteilen Zusammensetzen aus Elementarkörpern 3D-Scannen Für gesamten Körper sehr aufwendig, für Gesicht möglich Rekonstruktion aus Bildern Gegenstand der Forschung (z. Z. nur einfache Formen) Aus Skizzen Skizzen werden digitalisiert und im Modelliersystem nachmodelliert Modellierung mit Alias Power Animator ) Erstellen einer Skizze 2) Zeichnen einzelner Konturlinien 3) Digitalisieren und Plazieren in Alias 3) Verbinden durch Spline-Flächen 4) Vereinfachen der Geometrie 5) Modellieren der Arme 5) Zusammensetzen und Verblenden

7 Modellierung des Skeletts Einzelne Körperglieder ( Knochen ) werden in Körperform eingesetzt Körperglieder werden hierarchisch miteinander verbunden Gelenke werden modelliert Verbindung zwischen Körperglied und Haut wird definiert Beispiel eines Skeletts Becken(3) Linker Oberarm(2) Linker Untersarm Oberkörper(2) Kopf Rechter Oberarm(2) Rechter Unterarm Linker Oberschenkel Linker Unterschenkel Linker Fuß Rechter Oberschenkel Rechter Unterschenkel Rechter Fuß Linke Hand Rechte Hand Rechter Daumen Zeigefinger Mittelfinger Ringfinger Kleiner Finger

8 Articulated Figures Bezeichnung für Figuren mit Skeletten Menschliche Modelle, Dinosaurier, Insekten, Roboter,... Articulated bedeutet hier gelenkig-verbunden nicht artikuliert Gelenkig-verbundene Systeme gibt es auch in der Robotik ( Articulated Systems ) Articulated Figures besitzen hierarchische Struktur von starren Körpern die durch Gelenke verbunden d Körperglied besitzt... eigenes Koordinatensystem Gelenk zum Elternglied Verweise auf Kinderglieder geometrische Beschreibung

9 Gelenke Kombinationsgelenk hat bis zu 6 Freiheitsgraden (3 Translationen, 3 Rotationen) Gleitgelenke Variable für Verschiebungsstrecke Drehgelenke Variable für Drehwinkel Einschränkungen des Wertebereichs der Variablen Variablenwerte bestimmen Stellung des Skeletts Animation von Skeletten Kinematik Behandlung von Gesetzmäßigkeiten, die die Bewegung von Körpern rein geometrisch beschreiben ohne Rücksicht auf die Ursache der Bewegung Keyframing Dynamik Behandlung von Kräften als die Ursache von Bewegung Physikalisch-Basierte Modellierung/Animation

10 Keyframing in 2D Ursprung: Zeichentrickfilm (Walt Disney) Festlegen (Zeichnen) von Keyframes Interpolation der Stellung der Figur in den Zwischenbildern (Inbetweening) 3D-Keyframing Festlegen aller Gelenkwerte für wichtige Zeitpunkte (Keyframes) Gelenkwerte werden für alle Zwischenzeitpunkte interpoliert (Inbetweening) Z. B. durch Kubische Splines Positionen der er werden bestimmt: Vorwärtskinematik Angabe von Gelenkwerten ist nicht intuitiv Inverse Kinematik

11 Vorwärtskinematik Gegeben: Gelenkwerte Bestimmung der position Verkettung aller Gelenktransformationen zwischen und Wurzel (Welt) Transformation in das Weltkoordinatensystem Transformation der geometrie mit der position Vorwärtskinematik Für alle Oberflächenpunkte P des objekts P = T * P Welt Welt x y z Welt Welt Welt R = R R 2 3 R R R R R R Tx x T y y T z z Bestimmung der Transformation in das Welt-KS T Welt = TVater Welt * T Vater Rot = T = T * T x ( ) Vater Gelenk Vater Gelenk Beispiel: Gelenktransformation

12 Inverse Kinematik (IK) Inverse Kinematik (IK) Erleichtert das Positionieren einer Figur. Schritt: Fixieren eines Elternglieds 2. Schritt: Verschieben eines Effektorglieds (Nachkomme) Erfordert automatische Bestimmung der Gelenkwerte x z z z y x Welt P t P t t t t t P * ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( * * * = = L L IK-Problem-Formulierung IK-Problem-Formulierung z y x z y x z y x PZiel z y x Gesucht: so daß,, Welt P Ziel P = t t2 t3 t Gelenk Vater Gelenk Vater Vater Welt Vater Welt T T T T T T * * = = Welt Welt P T P * =

13 Lösung von IK-Problemen Analytisch nicht möglich Iteratives Verfahren erforderlich Je nach Ausgangssituation kann es mehrere oder auch gar keine Lösung geben Fixiertes Effektor Ziel Fixiertes Ziel Effektor Iterative Verfahren Bestimmen der Jakobi-Matrix durch Differenzieren der Transformationskette bildet die Gelenkgeschwindigkeiten auf die Effektorgeschwindigkeit ab Inverse ermöglicht die Veränderung der Gelenkwerte anhand der Abweichung des Effektors zum Ziel Weighted-Tree-Algorithmus (Badler) Ausgehend von der Wurzel einer Figur Stellung aller Gelenke nacheinander so verändern, dass die Abweichung des Effektors zum Ziel minimiert wird

14 Zusammenfassung: Keyframing Menschliche Modelle bestehen aus Skelett und Haut Skelett beschreibt Hierachie von ern er besitzen Koordinatensystem und Gelenk Inbetweening der Schlüsselbilder z. B. mit kubischen Splines Vorwärtskinematik durch Ausmultiplizieren der Transformationsmatrizen IK-Techniken erleichtern Modellierung von Keyframes Lösung von IK-Problemen durch iterative Verfahren Luxo Jr. Pixar 987 John Lasseter: direction, animation, models. Bill Reeves: technical direction, models, rendering. Eben Ostby: models, procedural animation, rendering. Übertragen von Prinzipien der traditionellen Animation auf das Medium Computer Preise bei diversen Filmfestivals

15 Prinzipien der traditionellen Animation (Walt Disney) Squash and Stretch (Volumenerhaltende Verformungen) Timing (Genug Zeit zum Erkennen ohne zu Langweilen) Anticipation (Vorbereiten, z. B. angespannte Muskeln, um abrupte Bewegungen zu vermeiden) Overlapping Action (Keine abrupten Enden) Slow In and Out (Geringere Geschwindigkeiten an Keyframes) Arcs (Keine lineare Interpolation) Exaggeration (Übertreibungen, Charateristika herausarbeiten) Secondary Action (Folgeaktion mit geringerer Aufmerksamkeit) Appeal (Einfachheit, Charm) Animation von Figuren: Alternativen Keyframing Z. B. mit Maya oder 3DStudioMAX Annehmbare visuelle Qualität nur durch professionelle Animatoren zu erreichen, arbeittensiv Motion Capturing Vermessen menschlicher Bewegungen Übertragen auf 3D-Modelle erfordert teure Ausstattung (>= TDM) Optisches Motion Capturing Berücksichtigung physikalischer Gesetzmäßigkeiten Dynamische Simulation (-> nächste VL) Space-Time Constraints Magnetisches Motion Capturing

16 Space-Time Constraints (Witkin, Kass 88) Berücksichtigung physikalischer Beziehungen Minimierung von Energie Optimierungsverfahren mit mehreren Durchgängen, sehr aufwendig Iterationen Weichere Landung Größere Masse der Plattfom 3D-Animationstechniken 3D-Morphing Prozedurale Animation Inverse Kinematik Articulated Figures Rigid Body Dynamics Walking models VL Oberflächenrepräsentationen 3D-Computeranimation Partikelsysteme (Feuer, Wolken,...) Analytische Modelle Wellen Behavioural Animation (Schwärme, Herden,... ) Schlangen VL Physikalischbasierte Animation (A)FFD Deformationen Modellunabhängige Verformung Deformable Models (z. B. FEM) Splines Modellabhängige Verformung Kleidung

17 Prozedurale Animation: Walking Models Explizite Definition von Bewegungsskripten (z. B. Folge von Rotationswinkeln für Knie) Hierarchische Verknüpfung zu komplexeren Scripten Parametrisierbar, um unterschiedlichen Laufstilen gerecht zu werden Prozedurale Animation Behavioural Animation Partikelsysteme Animierbare Modelle Schlangen Stoff Animierte L-Systeme Gesichter...

18 Partikelsysteme Für Feuer, Wasserfälle, Wolken, Feuerwerk, Algorithmus pro Bild: Generierung neuer Partikel Neue Partikel erhalten initiale (zufällige) Eigenschaften Partikel, deren Lebenszeit zu Ende ist, werden gelöscht Aktuelle Partikel werden gemäß ihres Scripts verändert Aktuelle Partikel werden gerendert Eigenschaften pro Partikel Position, Geschwindigkeit und Richtung, Größe, Transparenz, Form, Lebenszeit Generatorpartikel können neue Partikel generieren Berücksichtigung von Gravitation möglich Behavioural Animation Modellierung von Schwärmen und Herden Menge von Akteuren mit begrenzter Wahrnehmung (z. B. Position der Nachbarn und von Hindernissen) Ein animierter Leitakteur Alle anderen Akteure folgen ihren Verhaltensregeln Halte Abstand zu Nachbarn Folge Vordermann Weiche Hindernis aus Breaking the Ice 987

19 Soft Object Animation Repräsentationsabhängig Polygonlisten??? Animation der Kontrollpunkte von Splines Finite-Elemente-Simulationen Repräsentationsunabhängig Nicht lineare Globale Deformation zuspitzen, verwinden, verbiegen Freiformdeformation Transformation des Koordinatenraums Klassifikation von Animationssystemen (nach Zeltzer) Guiding Interaktives Manipulieren von Objekten z. B. mit Mouse Für Künstler geeignet Programming Programmierung von Bewegungabläufen Animationsprogrammiersprachen Offline Für Informatiker geeignet Guiding Task-Ebene Agenten funktional prozedural strukturell Abstraktion Maschinenebene Programming

20 Klassifikation: Beispiele Guiding Strukturelle Ebene Interaktives Zusammensetzen eines Objekts, Verschieben mit der Mouse Prozedurale Ebene Steuerung von Abläufen durch Gesten mit dem Datenhandschuh Funktionale Ebene Manipultion zusammenhängender Strukturen (z. B. mit Inverse Kinematics) Ebene der Akteure Interaktives Zusammensetzen von Motoren, so daß komplexe Aufgaben(Bewegungen) aus einfachen entstehen Programming Strukturelle Ebene Becken Brust Kopf rechter Oberarm Unterarm Hand linker Oberarm... Prozedurale Ebene greife() { handhoch(); handnachvorn(); handauf(); handzu(); } Funktionale Ebene if (detectcollision()) { greife(objekt); } Ebene der Akteure natürliche Sprache wie z. B. gehe in Raum 52 Zusammenfassung Animation von Figuren meist mit 3D- Keyframing Prinzipien der traditionellen Animation berücksichtigen Alternativen: Motion Capturing und Space-Time Constraints Prozedurale Animation: Walking Models, Behavioural Animation, Partikelsysteme Soft Object Animation Klassifikation von Animationstechniken

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