5. Animation quo vadis? 6. Literaturempfehlungen + weitere Quellen

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1 $QLPDWLRQXQG0XOWLPHGLD Prolog und Einführung Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker *RHWKH8QLYHUVLWlWÃ)UDQNIXUW *UDSKLVFKHÃ'DWHQYHUDUEHLWXQJ hehuvlfkw 1. Einordnung in GDV Veranstaltungen 2. Organisatorisches 3. Definition Animation und erste Beispiele 4. Themen dieser Vorlesung: Animation, VR, Video auf Rechnern, Multimedia 5. Animation quo vadis? 6. Literaturempfehlungen + weitere Quellen 2 1

2 hehuvlfkw)ruwvhw]xqj 7. Zusammenfassung 8. Ausblick Nächste Schritte 3 6WUXNWXUGHU*'9 /HKU XQG$XVELOGXQJVDQJHERWH HIWI oder Praktikum im Diplomarbeiten :6 Anim+MM 2V+1Ü VIS RD 2V+1Ü 2 Praktika P4 CG VIS RD/DK S PS AG 66 VR+AR RD 2V+1Ü GDV 4V+2Ü GL HJ 2V+2Ü S PS CG Koll. 4 2

3 Varrentrappstraße :RILQGHWPDQXQV" Robert-Mayer-Straße +PIBOOÁ8PMGHBOHÁ(PFUIF6OJWFSTJU U 'BDICFSFJDIÁ#JPMPHJFÁVOEÁ*OGPSNBUJL (SBQIJTDIFÁ%BUFOWFSBSCFJUVOH 3URI'U,QJ'HWOHI.U PNHU Varrentrappstraße 40-42, 2. OG Frankfurt Tel..: 49 (0) kroemker@cs.uni-frankfurt.de www: 6SUHFKVWXQGH Dienstag Uhr nach Vereinbarung Sekretariat Frau Goinar, Raum 208 'SBVOIPGFS"OXFOEVOHT[FOUSVN $PNQVUFSHSBQIJLÁJOÁ$IFNJFÁVOEÁ1IBSNB[JFÁÉ"($ 5 9LVXDOLVLHUXQJ LP:6'U5DOI' UQHU 9 + h Di12-14 Mi Magnus HS ab (Christian Seiler) =LHOHKennenlernen der Methoden und Verfahren der Scientific Visualization und der Informationsvisualisierung Auswahl von Verfahren und Systemen Kritische Beurteilung Problemorientierte Anpassung und Ergänzung Weiterentwicklung 6 3

4 3UDNWLNXP&RPSXWHUJUDSKLNPLW 950/XQG-$9$' Ziel: Sammeln praktischer Erfahrungen mit modernen graphischen Systemen Vorbesprechung Di Varrentrappstraße, SR 202 Thema: Ein VR-Spiel? Teilaufgaben Grundlagen von Java 3D: Szenengraph,..., Interaktion (GDV ++) spezielle Aufgaben: (Gruppen a 2) Graphisches Ausmodellieren der Teilszene Integration Einführungskurse: VRML und JAVA 3D, Graphisches Modellieren mit DINO (2 + 1 Vollzeittage), ggf. 3D StudioMax Teamarbeit, Projektarbeit, Schnittstellenfestlegung,... Abschlussworkshop 7 9LVXDOLVLHUXQJVSUDNWLNXP Ziel: Sammeln praktischer Erfahrungen mit modernen Visualisierungssystemen Vorbesprechung Di Varrentrappstraße, SR Teilaufgaben Einführungsaufgabe (Strömungsfeld) alle Verschiedene Aufgaben (Benutzung, Erweiterung, Usability-Test, verschiedene Datensätze Spezialkurse, z.b. zu Usabilty-Tests Teamarbeit, wahrscheinlich 3 Abschlussworkshop 8 4

5 $QLPDWLRQXQG0XOWLPHGLD 9 + h Mi Mi Uhr SR 11 (14-tägig) ab (Tobias Breiner, Silvan Reinhold, Wolfgang Baier) 5ROOH%HGHXWXQJ(U]HXJXQJYRQ %HZHJWELOGHUQ ± 0RYLHV" =LHOHKennenlernen von Methoden und Verfahren 0RGHOOLQJ $QLPDWLRQ 9LUWXDO5HDOLW\ 5HDOWLPH 5HQGHULQJ,PPHUVLRQXQG 5HDOWLPH0HGLHQLQ0XOWLPHGLD9LGHR$XGLR Auswahl + kritische Beurteilung von Verfahren und Systemen Problemorientierte Anpassung und Ergänzung Weiterentwicklung 9 Vorlesungsfolien auf WWW-Server 2UJDQLVDWLRQ Leistungsschein durch Fachgespräch Belegschein: Übungsanmeldung (1. Übung oder GDV-Sekretariat) erfoderlich Rechner-Account bei GDV/AGC (mit Übungsanmeldung, im Sekretariat melden) 10 5

6 $QLPDWLRQXQG0XOWLPHGLD 7KHPHQ 1. Einordnung und Animationspipeline 2. Preproduction 3. Spezielle Modellierungstechniken (3) Parametrische Kurven und Flächen spezielle interaktive Techniken: Direct Point Manipulation, Deformation with Lattices spezielle Ergänzungen: Beveling, Rounding, Fillets Gruppen und hierarchische Strukturen Prozedurale Techniken, Gramatiken, Fraktale Techniken Übernahme von CAD-Daten 3D-Scanning 11 0RGHOOLHUXQJ 3DUDPHWULVFKH )OlFKHQ185%6 12 6

7 )UDNWDOH 0RGHOOLHUXQJ 13 )UDNWDOH 0RGHOOLHUXQJ 14 7

8 )UDNWDOH 0RGHOOLHUXQJ 15 $QLPDWLRQXQG0XOWLPHGLD 7KHPHQ 1. Die Rolle des Bewegtbildes und Bewegtbildwahrnehmung 2. Die Animationspipeline 3. Spezielle Modellierungsverfahren (3) 4. Animationsverfahren (3) %HZHJWELOGUHQGHUQXQG &HO$QLPDWLRQ 'SDUDPHWULVFKHV.H\IUDPLQJ,PDJH%DVHG5HQGHULQJ.LQHPDWLN LQYHUVH.LQHPDWLN 9LUWXDO5HDOLW\ '\QDPLN&RQVWUDLQWV Systeme 6LPXODWLRQ und Anwendungen, Erweiterungen: 6NULSWLQJ Augmented Reality 16 8

9 $QLPDWLRQXQG0XOWLPHGLD 7KHPHQ 1. Die Rolle des Bewegtbildes und Bewegtbildwahrnehmung 2. Die Animationspipeline 3. Spezielle Modellierungsverfahren (3) 4. Animationsverfahren (3) %HZHJWELOGUHQGHUQ3URGXNWLRQVUHQGHULQJ (u.a. RenderMan) und,pdjh%dvhg5hqghulqj 9LUWXDO5HDOLW\ Systeme und Anwendungen, Präsentationen Erweiterungen: Augmented Reality 17,PDJH%DVHG5HQGHULQJ 18 9

10 ,PDJH%DVHG5HQGHULQJ 19 $QLPDWLRQXQG0XOWLPHGLD 7KHPHQ 7. Realtime-Medien auf Rechnern (2) 9LGHRXQG$XGLR Grundlagen der Kompression und Kodierung Aktuelle Kompressionsschemata: AVI, Quicktime, MJPEG, MPEG (1,2,4,7), Videobearbeitung: Schnitt, Morphing 20 10

11 Grundaufgaben: 9LGHRDXI5HFKQHUQ Erzeugen, Speichern, Bearbeiten, Übertragen, Anzeigen Analog-Video Primärparameter und Signale Modulation Farbsignalarten: Komponenten Composites: NTSC, SECAM, PAL 21 %LOGUHSUlVHQWDWLRQHQLP5HFKQHU Modelle statische Graphik Digitales Bild dynamische Modelle Animation Digitalvideo Analogvideo Symbolisch Geometrie & Merkmal Diskret, Quantisiert vertikal diskret (Zeilen) horizontal analog Reiz Erzeugen, Bearbeiten Speichern, Übertragen Optisch (unmittelbar wahrnehmbar) 11

12 .ODVVLVFKH%HZHJWELOGPHGLHQ =HLWOLFKH$EWDVWXQJ Heute übliche Bildfrequenzen (Abtastraten) (= Update-Raten): Film: 24 Bilder / sec Fernsehen (gleich der jeweiligen Netzfrequenz) (XURSD 25 Bilder (frames) /sec im Zwischenzeilen-Verfahren interlaced : Halbbild- (field) Frequenz: 50 Hz 86$-DSDQ 30 Bilder (frames) /sec im Zwischenzeilen-Verfahren interlaced : Halbbild- (field) Frequenz: 60 Hz Computergraphik / Computervideo: variabel Sichtsimulation bis zu 50 Bildern / sec 23 )HUQVHKHQ guwolfkh$ewdvwxqj Ist der Ortsauflösung des visuellen Systems angepaßt: Gewählt: Bildschirmgeometrie (aspect ratio): H : B = 3 : 4 Betrachtungsabstand: > 5-fach der Bilddiagonale bei Auflösungsgrenze von ca. 1 errechnet sich: Anzahl der Zeilen (vertikal): >= 413 Kell Faktor: Auflösungsreduktion durch Interlace- Verfahren Rechnen Sie selbst! 12

13 )HUQVHKHQ *HZlKOWH=HLOHQ]DKOHQ USA (NTSC 1, 1941): 485 (486) sichtbare Zeilen Europa (zunächst uneinheitlich, dann) 575(576) sichtbare Zeilen Fernsehen: weltweit 2 Hauptsysteme: 525/60 USA, Japan, /50 Europa,... viele weitere Varianten, PAL M (Brasilien) $QLPDWLRQ² 7HUPLQRORJLH (1) Animation bezeichnet die Gesamtheit der Methoden zur Erzeugung synthetischer Bewegtbilder (2) Animation bezeichnet die CG-Methoden, die zur Belebung (Bewegung, Veränderung) dienen (3) Animation nennt man ein vermittels (1,2) erzeugtes Produkt (auf Bewegtbildmedien) Ursprünge: anima: Lufthauch, Atem animos: beleben ανεµοσ (anemos): Wind, Atem 26 13

14 5ROOHXQG%HGHXWXQJGHV %HZHJWELOGHV ³'HU0HQVFKLVWHLQ$XJHQWLHU Die plenoptische Funktion beschreibt die für einen (menschlichen) Beobachter visuell erfaßbaren Informationen an jedem Ort und zu jeder Zeit. Idealisierung des potentiell Sichtbaren. 27 'LHSOHQRSWLVFKH )XQNWLRQ P = f (θ, φ, I(O), t, P b ) θ, φ Raumwinkel I (O) Lichtintensität t Zeit P b Position und Blickrichtung des Beobachters 28 14

15 'LHSOHQRSWLVFKH )XQNWLRQ Der Mensch wertet viele Parameter dieser Funktion simultan aus: T I durch die flächige Retina: FORMSEHEN I (O) 3 Abtastungen durch unterschiedliche Rezeptoren: FARBSEHEN t BEWEGTBILDSEHEN P b 2 Abtastungen STEREOSEHEN zusätzlich sukzessiv durch Augen-, Kopf- und Körperbewegung 29 =HLWOLFKH$EWDVWXQJ)ROJHUXQJHQ Bewegungswahrnehmung ist höhere (zentralere) Eigenschaft: basiert auf Erfahrung und Konsistenz der Einzelereignisse: best fit. Minimal notwendige Bildfrequenz (Updatefrequenz) zur Wahrnehmung kontinuierlicher Veränderungen (ohne Artifakte: ruckeln, zappeln) ist situations- und bildabhängig. Bewegung ist eine eigenständige Wahrnehmungsqualität 30 15

16 %HZHJXQJ Neben Form und Farbe dritte Grundgröße der visuellen Wahrnehmung Kommunikationsqualität: Grad des Erreichens des kommunikativen Ziels Verhältnis von wahrgenommener Information zu präsentierter Information 31 Wir müssen den engen Kanal zur bewußten und unbewußten Wahrnehmung optimal nutzen. Animation nutzen Video nutzen Multimedia nutzen Human Centered Computing Kansai Computing )ROJHUXQJHQ 32 16

17 (QWZLFNOXQJXQG6WDQGGHU '&RPSXWHU$QLPDWLRQ angewiesen auf leistungsfähige Graphik-Hardware Kopplung zu den klassischen Bewegtbildmedien: Film und Fernsehen eng verbunden mit der Entwicklung graphischer Darstellungsalgorithmen 1965 Fetter, Bernhart (Boeing, 1962): Abfilmen geplotteter 3D-Zeichnungen Harrison (CIC, 1962): 0U&RPSXWHU,PDJH$%& Basisarbeit für CAA Sutherland (MIT, 1963): Sketchpad INTERAKTION (QWZLFNOXQJGHU '&RPSXWHU$QLPDWLRQ Hidden Surface Removal General Electric: erstes CGI-System Flugsimulation, 40 Körper, Farbe und schattiert MAGI: Erste Anwendungen in Werbefilmen Grundlegende Algorithmen zum Rendering Gouraud und Phong Shading Image und Bump Texture Mapping Facial Animation (Sutherland, Evans et.al., Utah) 17

18 (QWZLFNOXQJGHU '&RPSXWHU$QLPDWLRQ Algorithmen und Technologie: JPL (Motion Dynamics) Berkeley (Spline Modeling) Ohio State University (Hierarchical Parameter Keyframing, Inverse Kinematics) Toronto (Procedural Techniques) Tokyo (Blobby Surface Modeling) Zeit der großen Produktionshäuser Digital Effects, MAGI, III, Robert Abel,..., PDI, Sogitec, Tokyo Links eigene Software, teilweise spezielle Hardware Wichtige Produktionen: Visuelle Meilensteine Voyager 2 (79); Mechanical Universe (84): James Blinn, JPL Joggler : Information International Inc. (III) TRON : Disney Productions (20 Minuten Computeranimation) Star Track 2 : ILM (Genesis Effect) Brilliance ( The Sexy Robot ): Robert Abel and Associates (QWZLFNOXQJGHU '&RPSXWHU$QLPDWLRQ Algorithmen und Technologie Optimierung, Qualität und einfache Benutzbarkeit kleine Schritte : Radiosity, Facial Animation, Special Features: Simulationen, Fraktale, Lindenmayer,... Video auf Rechnern Zeit der Turn-Key Animationssysteme -- ALIAS -- Wavefront -- TDI -- Softimage Wichtige Produktionen: Visuelle Meilensteine Luxo Jr., Tin Toy, Toy Story : Pixar, John Lasseter Stanley and Stella: Breaking the Ice : Symbolics, Whitney Study of a Numerically Modeled Severe Storm : NCSA Terminator II : James Cameron, ILM Jurassic Park : Steven Speilberg 18

19 (QWZLFNOXQJGHU '&RPSXWHU$QLPDWLRQ 1995 $OJRULWKPHQXQG7HFKQRORJLH Image based Lighting Data Capturing (Data Suits, ) 6\VWHPH HYHU\ERG\JRHV3& &$ZLUGZLFKWLJVWHV6SHFLDO(IIHFW,QVWUXPHQWLP)LOP 2002 :LFKWLJH3URGXNWLRQHQ +ROORZ0DQSony Pictures Imageworks )RUWKH%LUGV Pixar Animation Studios 7KH3HUIHFW6WRUP Industrial Light + Magic 2QLPXVKDLingsDigworks Inc. 37 6,**5$3+9LGHR5HYLHZ Termin: 1RYHPEHU Varrentrappstraße Seminarraum 202 8KU State of the Art Review! 38 19

20 /LWHUDWXUHPSIHKOXQJHQ Alan Watt, Mark Watt: $GYDQFHG $QLPDWLRQDQG 5HQGHULQJ7HFKQLTXHVAddisson Wesley John Vince: '&RPSXWHU$QLPDWLRQ, Addisson Wesley Tomas Möller, Eric Haines: Real-Time Rendering, AK Peters, Isaac Victor Kerlow: The Art of 3-D Computer Animation and Imaging, John Wiley&Sons, Ralf Steinmetz: Multimedia Technologie, Springer :HLWHUHZLFKWLJH4XHOOHQ,QWHUQDWLRQDOH.RQIHUHQ]HQ ACM SIGGRAPH XX, Conference Serie der ACM SIGGRAPH (Special Interest Group on Graphics) seit 1974 jährlich (ab 1992 nur noch vereinzelte Beiträge zu Visualisierungthemen) Eurographics XX, Conference Serie der Eurographics Organisation, seit 1979 jährlich. ACM CHI `XX ( ACM Conference on Human Factors in Computing Systems) Conference Serie der ACM SIGCHI (Special Interest Group on Computer Human Interface) seit.. 8X jährlich Games Developer Conference 40 20

21 :HLWHUHZLFKWLJH4XHOOHQ =HLWVFKULIWHQ-RXUQDOV Transactions on Graphics ACM Computer Graphics IEEE Computer Graphics and Applications Computer and Graphics Communications of the ACM 41 =XVDPPHQIDVVXQJ Themen der Vorlesung Bildrepräsentationen im Rechner Entwicklung und Stand der 3D-Computeranimation 42 21

22 *ORVVDU Klassische Bewegtbildmedien: Film und Fernsehen Animation (Multimedia) CAA Computer Added Animation 43 $XVEOLFN² 1lFKVWH6FKULWWH (LQRUGQXQJXQG*UXQGEHJULIIH Animation als grafische Methode Klassische und moderne Anwendungen Aktuelle Forschungsaktivitäten Terminologie Einige Grundbegriffe aus Film, Video & MM Technik und Gestaltung 'LH$QLPDWLRQVSLSHOLQH (Produktionspipeline) 44 22