Entwicklung einer Programmbibliothek zur Simulation von Hautdeformation durch Knochen und Muskeln

Transkript

1 Entwicklung einer Programmbibliothek zur Simulation von Hautdeformation durch Knochen und Muskeln Universität Koblenz Institut für Computervisualistik Arbeitsgruppe Computergraphik Betreuer und Prüfer Prof. Dr.-Ing. Stefan Müller

2 Animationsverfahren Hirarchical Articulated Objects Jedes Körperteil ist ein eigenes Objekt. Die einzelnen Objekte sind hierarchisch angeordnet.

3 Animationsverfahren Hirarchical Articulated Objects Transformationen propagieren sich durch die Hierarchie nach unten weiter.

4 Animationsverfahren Hirarchical Articulated Objects Pro Einfach zu realisieren. Sehr Performant. Contra Keine geschlossene Hautoberfläche. Durchdringungen / Stoßkanten an den Gelenken.

5 Animationsverfahren Mesh morphing / blending Von einem Netz werden verschiedene Versionen gespeichert. Es darf lediglichglich die Position der Vertices verschieden sein. Die Vertices können zwischen den keyframes linear Interpoliert werden. Keyframe_1 Keyframe_2 0.5 * Keyframe_ * Keyframe_2

6 Animationsverfahren Mesh morphing / blending Pro Relativ einfach zu Implementieren. Wichtige Posen können exakt definiert werden.

7 Animationsverfahren Mesh morphing / blending Contra Für realistische Bewegungsabläufe sind viele Keyframes nötig. Nur vorbereitete Bewegungen möglich. Nur lineare Interpolation -> Verkürzungseffekt.

8 Skin and Bones Idee: Animiere ein Skelett, das Skelett bewegt die Haut.

9 Das Skelett Das Skelett besteht aus einer Hierarchie von Knochen. Transformationen die auf einen Knochen wirken werden an die Kinder weitergegeben (s.h. hierachical articulated objects ). RootBone Bone1 Bone2 Bone3 Bone4 Bone5 Bone6

10 Der Knochen Ein Knochen wird definiert durch seine lokale Transformationsmatrix. Diese Matrix wird aus einer Rotation und einer Translation zusammen gesetzt. R,, B i =R,, T x i,y i,z i T xi,y i,z i Diese Matrix verschiebt einen Punkt aus dem Ursprung an die Spitze des Knochens.

11 Der Knochen Eine Transformation zur Spitze eines Knochens ergibt sich, in der Hierarchie, durch kumulatives aufmultiplizieren der einzelnen Knochen-Matrizen. j W j = i=0 B i B 0 B 1 B 2 B 3 B 4 W 2 =B 0 B 2 W 3 =B 0 B 1 B 3 W 3 =B 0 B 1 B 4

12 Kinematik Forwarde- Kinematik Die Rotation jedes einzelnen Knochens wird gesetzt. R 0 R 1 R 2

13 Kinematik Inverse-Kinematik Der Endpunkt einer Knochen-Kette wird bestimmt. Ein Algorithmus versucht die Gelenk- Rotationen so zu bestimmen, dass der Endpunkt mit der Spitze des letzten Knochens berührt wird. Target xt, y t,z t

14 Skinning Frage: Wie bewegt man die Haut mit dem Skelett mit. Antwort: Die Vertices der Haut werden nicht relativ zum Objektkoordinatensystem definiert sondern relativ zu dem beeinflussenden Knochen. Die Position des Vertex im Objektkoordinantensystem kann durch Multiplikation des Offset-Vektors mit der kumulativ berechneten Transformationmatrix des entsprechenden Knochens, berechnet werden.

15 Rigid-Skinning Jeder Vertex wird nur von einem Knochen beeinflusst. Gute Ergebnisse bei low-poly- Objekten ( Half Life ). Bei hi-ploy-objekten starke Artefakte an den Kanten.

16 Soft-Skinning Jeder Vertex kann von mehreren Knochen beeinflußt werden. Weiche Übergänge an den Gelenken. n i v i = B bij o weight ij ij j=0 Die Summe der Gewichte muss 1 ergeben.

17 Soft-Skinning for(i über alle Vertices) for(j über alle beeinflussenden Knochen) vertex[i] += Beinflussende_Transformation * OffsetVektor[j] * gewicht;

18 Soft-Skinning Problem: Haut wird nur lokal, in Gelenk nähe deformiert.

19 Muskeln Das vier Layer Modell Haut Fett Knochen Muskel

20 Muskeln Der Spindelmuskel Annäherung durch Ellipsoid. Volumen des Muskels bleibt bei Kontraktion gleich

21 Muskeln Der Spindelmuskel x=radius x cos cos y=radius y cos sin z=radius z sin radius x = L 2 radius y =radius z p radius z = 3V 4 radius x p p= radius y radius z

22 Muskeln Andere Muskeln multi-belly-muscles Belibige andere Formen z.b. durch Bezier-Patches.

23 Fett Simulation der Fettschicht durch ein System von Federn. Ziel: Minimierung eines Energiefunktionals. Berechnung durch Lösung eines Gleichungssystems mit n Gleichungen. (n = anzahl der Federn) Für Echtzeit zu aufwendig.

24 Skinning mit Muskeln Berechne auf den Muskeln Stützpunkte. Definiere die Vertices der Haut relativ zu mehreren naheligenden Stützpunkten. Berechnung analog Skinning ohne Muskeln.

25 Berechnung der Ellipsoid- Muskeln Florian Schulze Gegeben: Anfangs- und Endpunkt und Volumen des Muskels. Berechnen der Radien. Berechnen der Transformation um den Muskel zwischen Anfangs- und Endpunkt zu platzieren. Berechnen der Stützpunkte auf dem Muskel.

26 Die Stützpunkte Bestehen aus einer Transformations- Matrix. offsetvektor y offsetvektor offsetvektor z x

27 Berechnungszyklus Animation setzen Skelett-Tree traversieren Muskeln berechnen Skinning Netz rendern

28 Implementierung Gesamte Funktionalität wird in der Klasse SBMObject Gekapselt.

29 Implementierung Initialisierung Manuell: SBMObject sbmobject; sbmobject.set...();... sbmobject.init(); Automatisch aus Datei: SBMObject * sbmobj = createsbmobject( datei );

30 Implementierung Animation setzen: sbmobject.setrotation(int id, Matrix & rot); Berechnung starten: sbmobject.compute(); Netz rendern: sbmobject.render();