Computeranimation und Motion Capturing

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1 Seminar Algorithmen für Computerspiele Computeranimation und Motion Capturing Jordanis Andreanidis 19. Juli 2010 Institut für Visualisierung und Interaktive Systeme Universität Stuttgart

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3 Inhaltsverzeichnis 1 Einführung Definition von Animation Geschichte der Computeranimation Keyframe Animation Prinzip Forward Kinematic Inverse Kinematic Prozedurale Animation Prinzip Problem der prozeduralen Animation Partikelsysteme und Schwarmanimationen Vorteile gegenüber Keyframe Animation Motion Capturing Prinzip Anwendungsgebiete Aufnahmetechniken Arten von Systemen Workflow Vorteile gegenüber Keyframe- und prozeduraler Animation Zusammenfassung 17 Literatur 17

4 1 Einführung 1.1 Definition von Animation Der Begriff Animation leitet sich von lateinischem Wort animare ab was zum Leben erwecken bedeutet. Eine Animation ist eine Technik, bei der durch eine Folge von Einzelbildern der Eindruck eines bewegten Bildes für den Betrachter entsteht. Anders ausgedrückt werden die Figuren oder Objekte im Bild zum Leben erweckt. Der Animator legt das Aussehen einer Figur fest und kontrolliert anschließend die Bewegung im Detail. Einzelbilder können per Hand gezeichnet, fotografisch aufgenommen oder durch den Computer berechnet sein. Abbildung 1.1: Diese 16 Einzelbilder sind eine Serienfotografie von Eadweard Muybridge [8]. Bei ca 24 Bildern pro Sekunde erscheint eine Animation für das menschliche Auge als flüssige Bewegung. Das bedeutet aber dass man für einen 90 minütigen Film Einzelbilder bräuchte, was zeigt, dass der Aufwand für die Erstellung einer solchen Animation sehr hoch ist wenn man jedes Bild einzeln zeichnen würde [13].

5 1.2 Geschichte der Computeranimation Geschichte der Computeranimation Als Vater der traditionellen Zeichentrickanimation kann Winsor McCay angesehen werden. Er produzierte 1914 den ersten Zeichentrickfilm Gertie the Trained Dinosaur. Die ca Einzelbilder wurden von McCay per Hand gezeichnet brachte Walt Disney mit seiner bekanntesten Cartoon-Figur Mickey Mouse den Kurzfilm Steamboat Willie heraus. Steamboat Willie war der erste vertonte Trickfilm. Abbildung 1.2: Gertie the Trained Dinosaur [11] war die Zeichentrickanimation so weit, dass diverse Zeichentrickfilme mit dem Oskar ausgezeichnet wurden. Beispiele dafür sind: Pinocchio (1940), Lady and the Tramp (1955) oder The Jungle Book (1967) begann die Entwicklung der Computeranimation. Whirlwind, ein noch mit Röhren ausgestatteter Computer aus dem Institute of Technology Massachusetts ermöglichte Charly Adams die Entwicklung eines Programms, das einen springenden Ball in Echtzeit berechnen und darstellen konnte. Die erste Computeranimation war entstanden wurden Animationsfilme erstmals im Militär eingesetzt. Edward E. Zajac stellte an einem IBM Großrechner einen Animationsfilm vor um damit die Bewegungen und unterschiedlichen Ausrichtungen eines Erdsatelliten im Weltraum zu illustrieren gewinnt die Computeranimation Hunger von Peter Foldes den Preis der Jury für Animationen in Cannes. Foldes verwendete dafür ein zweidimensionales Keyframing Verfahren für Bilder. (siehe Jackel: Methoden der Abbildung 1.3: Zajac s Satellitensimulation Computeranimation [6], Seite 1-6) wurde im Spielfilm Tron reichlich Computeranimation eingesetzt. Schauspieler und synthetisch erzeugte Objekte wurden kombiniert. Der Film war jedoch kein Erfolg an den Kinokasse entstand nach vierjähriger Produktion der erste vollständig computeranimierte Spielfilm Toy Story von den Walt Disney Studios. Für die Herstellung dieses Films mit einer

6 4 Einführung Länge von 70 Minuten waren Stunden Rechenzeit verteilt auf 177 Sun Sparc 20 Workstations erforderlich. Im Gegensatz zu Tron war Toy Story ein wirtschaftlicher Erfolg. Das war auch der Auslöser für dir Produktion weiterer Computeranimationsfilme wie Shrek (2001) oder Findet Nemo (2003) erschien mit Fifa 97 von EA Sports das erste Computerspiel, das Motion Capturing Animationen beinhaltete. Die MoCap-Technik zählt seitdem als fester Bestandteil für EA Sports und andere Spielehersteller. Im Film Final Fantasy (2001) sah man erstmals virtuelle Charaktere die sich nur schwer von realen Schauspielern unterscheiden ließen. Seitdem sind Computeranimationen in Science-Fiction-Filmen und vor allem in aktuellen Computerspielen nicht mehr wegzudenken.

7 2 Keyframe Animation 2.1 Prinzip Keyframing, ist eine Animationstechnik, die ursprünglich aus der Produktion von Zeichentrickfilmen stammt. Die Schlüsselbilder geben grob den Bewegungsablauf vor, der in der Folge durch Zwischenbilder (Interframes oder Inbetweens) verfeinert wird [14]. Beim Inbetweening, also dem Einfügen von Zwischenbildern berechnet der Rechner die nötigen Zwischenframes mittels Interpolation der Pixelpositionen. Für das bessere Verständnis des Inbetweenings wird die 2-Gelenk-Struktur vorgestellt [3]. Abbildung 2.1: 2-Gelenk-Struktur, 2 Gelenke sind durch Rotationsanschlüsse verbunden Die 2-Gelenk-Struktur kommt aus der kinematischen Animation. Hier wird zwischen der Forward Kinematik und der Inverse Kinematic unterschieden. 2.2 Forward Kinematic Bei der Forward Kinematic gibt der Animator die Anschlusswinkel U1 und U2 an. Der Computer findet Position des Greiforgans X anhand folgender Gleichung: X = (l 1 cos Θ 1 + l 2 cos(θ 1 + Θ 2 ),l 1 sin Θ 1 + l 2 sin(θ 1 + Θ 2 )) In der Praxis könnte man sich vorstellen dass die 2-Gelenk-Struktur ein menschlicher Arm ist, wobei der Oberarm l1 und der Unterarm l2 ist. Um das Forward Kinematic Prinzip zu beschreiben muss man sich vorstellen, dass sich im Falle eines Greifens des Greiforgans (die menschliche Hand) nach einem Gegenstand, sich der Oberarm und der Unterarm nach vorne bewegen.

8 6 Keyframe Animation Die Anschlussbewegungen können durch Spline-Kurven dargestellt werden. Ein Spline n-ten Grades ist eine Funktion, die stückweise aus Polynomen mit maximalem Grad n zusammengesetzt ist [15]. 2.3 Inverse Kinematic Falls der Animator die Position des Greiforgans schon kennt handelt es sich um die Inverse Kinematic. U 1 = (l 2 sin(θ 2 )x + (l 1 + l 2 cos(θ 2 ))y (l 2 sin(θ 2 )y + (l 1 + l 2 cos(θ 2 ))x U 2 = cos 1 ( x2 + x 2 l 2 1 l2 2 2l 1 l 2 ) In der Praxis würde bei der Inverse Kinematic die menschliche Hand nach einem Gegenstand greifen und die Knochenbewegungen würden sich anpassen. Die Bewegung wäre hier dem natürlichem Denken nachempfunden. Auch hier gilt, dass die Anschlussbewegungen durch Spline-Kurven dargestellt werden können.

9 3 Prozedurale Animation 3.1 Prinzip Eine prozedurale Animation ist eine Technik bei der Algorithmusverfahren definiert sind, die auf algorithmischen Beschreibungen basieren. Dadurch können komplexe physikalische Prozesse simuliert werden. Hier wird also eine Animation nicht spezifisch erstellt, sondern prozedural durch Funktionen erzeugt. Diese Funktionen kann man als Blackbox betrachten, deren Ausgabe über Parameter definiert wird. Dabei werden die Parameter vom Animator eingegeben und die Daten für die Animation durch das Programm generiert [?]. Abbildung 3.1: Bild das durch prozedurale Animation mit dem Programm truespace 7.6 (siehe Jackel: Methoden der Computeranimation [6], Seite ) erstellt wurde. 3.2 Problem der prozeduralen Animation Das Problem der prozeduralen Animation ist die Kontrolle, da man während der Berechnung nur wenige Möglichkeiten hat die Ergebnisse zu beeinflussen. Für den Fall dass der Animator unzufrieden mit dem Ergebniss ist gibt es zwei Lösungsstrategien: 1. Möglichkeit: Funktion so verändern, dass zusätzliche Zwangsbedingungen (constraints) berücksichtigt werden. Dazu muss der Programmcode verändert werden. Weiterhin ist ein Voraussetzung, dass man Zugriff zum Quellcode der Funktion und ausserdem Programmierkenntnisse hat. Ein weiteres Manko ist, dass der Quellcode eventuell unübersichtlich wird, was auch am

10 8 Prozedurale Animation Verständniss der Funktion wirkt. 2. Möglichkeit: Funktion wird mit verschiedenen Parametereinstellungen wiederholt bis das Ergebnis verbessert wird. Diese Methode ist jedoch nur dann sinnvoll einsetzbar, wenn die Animation mit jeweils geänderten Parametern sehr schnell erzeugt werden kann. 3.3 Partikelsysteme und Schwarmanimationen Ein Partikelsystem ist eine Funktion von Animationprogrammen, mit der sich auf einfache Weise eine große Anzahl von Objekten animieren lässt. Diese Systeme werden eingesetzt, wenn viele Objekte bewegt werden sollen, es aber nicht auf das Verhalten eines bestimmten Einzelobjektes, sondern der Gesamtheit, ankommt. Ein häufiges Verwendungsgebiet von Partikelsystemen sind Animationen von Naturerscheinungen wie Rauch, Feuer oder turbulent fließende Flüssigkeiten. Abbildung 3.2: Rauchanimation durch Partikelsysteme [16] Die Partikel sind zunächst nur logische Elemente (links im Bild), denen grafische Eigenschaften zugewiesen werden müssen, damit sie sichtbar werden. Zum Beispiel kann jedes Partikel durch ein geometrisches Objekt ersetzt werden (mittleres Bild). Mit entsprechenden Materialzuweisungen können Partikelsysteme auch eingesetzt werden, um Rauch, Nebel oder Feuer darzustellen (rechts im Bild). Will der Animator nun eine Animation in der sich z.b. tausende von Kriegern eine Schlacht liefern oder etwa ein Vogelschwarm in der Luft fliegt erstellen, greift er auf die Technik der Schwarmanimation zu. Auch hier werden einzelne Partikel durch 3D-Modelle ersetzt. Craig Reynolds gilt als Erfinder der Schwarmanimation. In seinem 1987 erschienenem Animationsfilm Stanley und Stella: Breaking the Ice kamen erstmals Vogel- und Fischschwärme vor, die automatisch erzeugt wurden.

11 3.4 Vorteile gegenüber Keyframe Animation 9 Reynolds setzte das Gesamtverhalten des Schwarms aus dem Verhaltensmuster weniger Vögel zusammen. Er erschuf ein Computermodell, das komplexe Bewegungen von Schwärmen aus einer Ansammlung einfacher Akteure aufbaute. Dabei führten die Akteure verschiedene Flügel- oder Flossenschläge aus. Das Bewegungsmodell der Akteure bestand aus einem Geschwindigkeitsvektor, der den Akteur mit jedem Zeitschritt verschob. Abbildung 3.3: Szene aus dem Film Stanley und Stella: Breaking the Ice [1] Zusätzlich gab es auch Verhaltensregeln für den Schwarm (siehe Jackel: Methoden der Computeranimation [6], Seite 151): Kollisionsvermeidung: Die Vögel versuchen Kollisionen mit ihren Nachbarn sowie Hindernissen zu vermeiden. Geschwindigkeitsanpassung: Jedes Mitglied eines Schwarms versucht sich der Bewegungsrichtung und der Geschwindigkeit seiner Nachbarn anzupassen. Schwarmzentrierung: Jedes Schwarmmitglied versucht in der Nähe seiner Nachbarn zu bleiben. 3.4 Vorteile gegenüber Keyframe Animation Prozedurale Techniken sind zwar schwer zu implementieren und haben einen hohen Entwicklungsaufwand aber man sieht, dass man hohe Zeit- und Geldeinsparungen machen kann wenn man damit massenweise ähnliche Objekte nicht einzeln, sondern prozedural implementieren kann. Die Hauptvorteile gegenüber der Keyframe Animation sind folgende: Wesentlich billiger Relativ wenig Zeitaufwand im Vergleich zur Keyframe-Animation Darstellung von komplexen physikalischen Prozessen in Animationen möglich

12 4 Motion Capturing 4.1 Prinzip Motion Capturing heisst soviel wie Bewegungserfassung. Unter Motion Capture versteht man eine Technik, die es ermöglicht, menschliche Bewegungen so aufzuzeichnen und in ein von Computern lesbares Format umzuwandeln, dass diese die Bewegungen zum einen analysieren und zum anderen auf im Computer generierte 3D-Modelle übertragen können [17]. Beim Motion Capturing trägt der sogenannte Performer einen mit Marken oder Sensoren versehenen Anzug, dessen Ortsänderungen von Spezialkameras erfasst werden. Aus der Analyse der Marker oder Sensoren, also die Informationen über die Positionen, Orientierungen und der Zeit werden dreidimensionale Bewegunsgaufzeichnungen generiert. Nach dem Post-Processing, das heißt der Verarbeitung der Bewegungsdaten verbunden mit der Korrektur von Fehlaufzeichnungen, können die Daten in 3D-Systeme importiert werden. Dort werden sie mit dem Skeleton eines 3D-Körpers verknüpft, der die Bewegungen aufnimmt und entsprechend wiedergibt. Das Resultat ist dass ein virtueller Charakter sehr real wirkende und komplexe Bewegungen darstellen kann. Abbildung 4.1: Motion Capturing beim Film Der Polarexpress [10]. 4.2 Anwendungsgebiete Motion Capturing findet heutzutage seinen Nutzen bei verschiedenen Anwendungen. Dabei hat sich der Bedarf über die letzten Jahrzehnte stets erhöht und es wird auch erwartet, dass er noch mehr steigt, da immer mehr neue Technologien entstehen die auf Motion Capturing basieren oder erheblich davon profitieren. Folgende Anwendungsgebiete sind typisch für Motion Capturing (siehe Noack: Ein Leitfaden zu Motion Capturing [9], Seite 6):

13 4.2 Anwendungsgebiete 11 Unterhaltungsindustrie Computerspiele Filme, Musikvideos und Werbespots Biomedizin Bewegungsanalysen in der Orthopädie Pädiatrie und Neurologie physikalische Therapien Ingenieurwesen Unfallforschung (Crashtests) Visualisierung von Simulationen virtuelles Prototyping Sport Optimierung der Performance von Sportlern Militär Technisches Training Einsätze im Übungsspiel America s Army Justiz Rekonstruktion und Animation von Handlungsabläufen Robotik Noch kein Nutzen in der Praxis. Sehr aktuelles Thema.

14 12 Motion Capturing 4.3 Aufnahmetechniken Es gibt drei verschiedene Aufnahmetechniken beim Motion Capturing (siehe Noack: Ein Leitfaden zu Motion Capturing [9], Seite 3): 1. Inside-In-Systeme Sensoren und Signalaufnahme befindet sich auf dem Körper des Performers. Ein Beispiel wäre ein elektromechanisches Außenskelett an einem Darsteller wo die Gelenkpostitionen über Potentiometer abgenommen werden. 2. Inside-Out Systeme Sensoren befinden sich am Körper des Performers. Die Signalaufnahme ist entfernt. Ein Beispiel wären hier Sensoren, die eine extern generierte magnetische Feldstärke messen und mittels Datenkabel übertragen. 3. Outside-In Systeme Sensoren sind auf den Performer gerichtet. Ein Beispiel sind optische Systeme, bei denen reflektierenden Marker am Darsteller verfolgt werden.

15 4.3 Aufnahmetechniken Arten von Systemen Elektromechanische Systeme Bei diesen Systemen werden Bewegungsabläufe über ein Exoskelett (siehe Bild) erfasst. Hier hat man keine Kameras, Sensoren oder Reflektoren. Hier wird die Bewegung von Körperteilen direkt vom Körper gemessen. Durch die Bewegung der Stangen wird der Widerstand und damit die Spannung in den Potentionmetern (regelbarer Widerstand) an den Gelenken verändert. Diese analogen Spannungsänderungen werden in ein digitales Signal für jedes Gelenk umgewandelt und dann von der Software interpretiert (siehe Noack: Ein Leitfaden zu Motion Capturing [9], Seite 9). Abbildung 4.2: Exoskelett der Marke animazoo [12] [4] Elektromagnetische Systeme Beim elektromagnetischen Verfahren sind Sensoren am Körper des Performers verteilt, die die Positionen und Orientierungen in einem durch den Sender erzeugten elektromagnetischen Feld erfassen. Die erfassten Werte werden über ein Kabel an einen Computer weitergegeben. Die Sensoren erfassen Veränderungen ihrer Position als auch ihrer Orientierung (siehe Noack: Ein Leitfaden zu Motion Capturing [9], Seite 4). Abbildung 4.3: Elektromechanisches System [2]

16 14 Motion Capturing Optische Systeme Optische Systeme gehören zu den populärsten Systemen, die beim Motion Capturing verwendet werden. Hier kommen Spezialkameras zum Einsatz. Optische Systeme unterteilen sich in zwei verschiedene Aufnahmearten (siehe Noack: Ein Leitfaden zu Motion Capturing [9], Seite 5): Tracking mit aktiven Markern: Pulsierende Leuchtdioden befinden sich auf dem Körper des Performers. Diese werden von den Kameras erfasst. Tracking mit passiven Markern: Reflektierende, nicht selbstleuchtende Marker befinden sich auf dem Körper des Performers. Diese werden von den Infrarotpulsen der Spezialkameras zum reflektieren gebracht. Abbildung 4.4: Anzug aus dem inertialen System MVN des Herstellers xsens [5] Inertiale Systeme Dieses System ist relativ neu auf dem Markt (seit 2007). Hier wird die Beschleunigung von Bewegungen von Gyroskopen gemessen. Ein Gyroskop ist ein Kreiselinstrument zur Orientierung und zur Navigation. Hier misst es die Geschwindigkeit mit der ein Körperteil bewegt wird. Die Bewegungsdaten der Beschleunigungssensoren werden kabellos auf den Computer, der die Bewegungen ausgibt oder aufzeichnet, übertragen. Abbildung 4.5: Optisches System bei der Bewegungsaufnahme im Spiel Ein Grundsatz ist hier: Je mehr Rotationen, desto natürlicher die Bewegungen. Ein Hauptvorteil ist, dass NBA 2K9 [7] hier keine externen Kameras und keine Marker für die Bewegungsaufzeichnung benötigt werden.

17 4.5 Workflow Workflow Der Ablauf von Anfang bis zum Ende einer fertig erstellten Motion Capturing-Animation lässt sich grob in folgende Schritte gliedern (siehe Noack: Ein Leitfaden zu Motion Capturing [9], Seite 16): 1. Planung 2. Bewegungsaufzeichnung 3. Datenbereinigung 4. Nachbearbeitung 5. Abbildung der Bewegung auf eine zu animierende Figur Die nachfolgende Übersicht ist um einige Details verfeinert und zeigt einen deutlich übersichtlicheren Überblick über die ganzen Prozesse: Abbildung 4.6: Workflow einer Motion Capturing Animation (siehe Noack: Ein Leitfaden zu Motion Capturing [9], Seite 16)

18 16 Motion Capturing 4.6 Vorteile gegenüber Keyframe- und prozeduraler Animation Auch beim Motion Capturing kann man große Zeit- und Geldeinsparungen machen. Hier sind keine Algorithmen zur Erstellung von physikalisch korrekten Bewegunsabläufen nötig. Die gewünschte Bewegung des Objekts wird direkt durch den Performer vorgetragen, also direkt vom Original abgenommen. Hauptvorteile gegenüber der Keyframe- und prozeduraler Animation: Relativ geringer Zeitaufwand Geringerer Arbeitsaufwand Geringere Kosten Exaktere Bewegungsnachbildungen Mehr Möglichkeiten bei der Nachbearbeitung

19 5 Zusammenfassung Es wurden drei Animationationtechniken vorgestellt. Die ersten Animationen überhaupt wurden durch die Technick der Keyframe Animation möglich. Durch die Erfindung des Computers konnte man später prozedurale Animationen herstellen, bei denen die Bewegungsabläufe physikalisch genauer darstellbar waren. Auch die Motion Capturing-Technik konnte dank des Computers erfunden werden, wodurch vor allem menschliche Bewegungen in Spielen oder Filmen bis auf das kleinste Detail animiert werden können. Man kann im heutigen modernen Computerspielemarkt kaum noch ein Spiel sehen, das nicht mit Hilfe der Motion Capturing Technik hergestellt wurde. Ein Grund dafür ist, dass die Messlatte nach immer realeren Charakteren in Spielen ständig steigt. Spiele, die den Spieler durch das echtheitsgetreue Wirken des Charakters in den Glauben versetzen er sei live dabei oder ihm sogar das Gefühl geben in die Rolle des Charakters geschlüpft zu sein, sorgen für Faszination und bewegen somit zum Kauf. All das wird durch Keyframe Animation, prozeduraler Animation und natürlich Motion Capturing ermöglicht. Ideen nach immer besseren Animationstechniken enstehen ständig. Als Beispiel kann man das inertiale System der Motion Capturing-Technik nennen, das es erst seit 2007 gibt und nun zu einer der erfolgreichsten Aufnahmetechnik zählt. In diesem Hinblick darf man hoffnungsvoll warten was die Zukunft alles bringen wird und darf ebenfalls gespannt sein ob es in Zukunft Animationen geben wird, die der menschliche Betrachter nicht mehr von einem realen Film unterscheiden kann.

20 Literaturverzeichnis [1] Reynolds Engineering & Design. /downflockquad.gif. (online, ). [2] Your Dictionary. MOTION.GIF. (online, ). [3] Adam Finkelstein (for Funkhouser). Keyframe animation. keyframe.pdf. (online, ). [4] Animazoo Homepage. (online, ). [5] Xsens Homepage. (online, ). [6] Dietmar Jackel. Methoden der Computeranimation. Springer Verlag, [7] Bounce Magazine. 2k cp ai.jpg. (online, ). [8] Eadweard Muybridge. The horse in motion. /images/muybridge.jpg, (online, ). [9] Kai Kajus Noack. Bachelorarbeit Ein Leitfaden zu Motion Capturing. Guide. (online, ). [10] Digital Performance. (online, ). [11] The Berkley Daily Planet. 06/dinosaur.jpg. (online, ). [12] VR Solutions. /gypsy4 crouching.jpg. (online, ). [13] Wikipedia. (online, ). [14] Wikipedia. (online, ). [15] Wikipedia. (online, ). [16] Wikipedia. (online, ). [17] Wikipedia. Capture. (online, ).

21 Erklärung Ich versichere, dass ich die Arbeit ohne fremde Hilfe und ohne Benutzung anderer als der angegebenen Quellen angefertigt habe, und dass die Arbeit in gleicher oder ähnlicher Form noch keiner anderen Prüfungsbehörde vorgelegen hat und von dieser als Teil einer Prüfungsleistung angenommen wurde. Alle Ausführungen, die wörtlich oder sinngemäß übernommen wurden, sind als solche gekennzeichnet. Stuttgart, den 19. Juli 2010 (Jordanis Andreanidis)

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