seminar computergrafik vortrag: animation betreut von prof. dr. e. schömer, m. hemmer mirko scherf...

Seminar Computergrafik

Vortrag: AnimationBetreut von

Prof. Dr. E. Schömer, M. Hemmer

Mirko Scherf03.02.05

Übersicht1. Was ist Animation2. Bereiche der Animation3. Geschichte der Animation

Übersicht (2) - Animationskategorien4. Rigid Body animation5. Articulated Structure animation6. Facial Animation7. Dynamic simulations8. Particle animation9. Behavioural animation

1. Was ist Animation? Animate: To bring to life Animation: Mittels Bildserien den

Eindruck von Bewegungen hervorrufen

Computeranimation: Sequenz von computergenerierten Bildern

Dritte Grundgröße der visuellen Wahrnehmung

2. Bereiche der Animation Animation betrifft nicht nur Bewegung,

sondern alle Bereiche mit visuellem Effekt Gestalt/Form Farbe Transparenz Textur Beleuchtung Kameraposition Orientierung Blickfeld

3. Geschichte der Animation

1824 Peter Mark Roget publiziert „Persistence of vision with regard to moving objects“ Wahrnehmung visueller Reize Schnelle Sequenz von Bildern

erscheint als Bewegung

Geschichte der Animation (2)

1834: Zoetrope1825: Traumatrope

Geschichte der Animation (3) 1899 Arthur Melbourne-Cooper

entwickelt die erste Filmanimation „Matches: An Appeal“

1900 James Stuart Blackton produziert die erste Cartoonanimation „The Enchanted Drawing“

Geschichte der Animation (4) 1914 „Gertie, the trained

Dinosaur“ von Windsor McCay

Geschichte der Animation (5) 1915 Earl Hurd entwickelt die „Cel-

Animation“ 1922 Gründung der Disney Studios 1928 Disney‘s „Steamboat Willie“ 1932 Willis O‘Brien produziert

„King Kong“; großer Durchbruch der Stop-Motion-Technik

Geschichte der Animation (6) 1965 Edward Zajac verwendet erstmals

den Begriff „Computer Animation“ 1974 Peter Foldes gewinnt „The

Hunger“ einen Preis in Cannes 1982 Disney produziert

„Tron“ 1986 Pixar Inc.

Produziert „Luxo Jr.“

Geschichte der Animation (7) 1991 James Cameron‘s

„Terminator 2“ 1993 Steven Spielberg‘s „Jurassic

Park“ 1995 Pixar produziert „Toy Story“ 2001 Hironobu Sakaguchi‘s „Final

Fantasy“

5. Rigid Body animation Begriffserklärung Translation

Keyframing/Interpolation Rotation

Quaternionen Slerping

Was ist Rigid Body animation? Einfachste und allgegenwärtigste

Form Wird von allen anderen Kategorien

benutzt Bewegung durch

Bewegen des Objekts und/oder Bewegen der virtuellen Kamera

Wird routiniert durch Keyframing

Keyframing Zeichnen der Schlüsselbilder einer Sequenz Markieren wichtige visuelle Übergänge Erzeugen der Zwischenbilder:

In-Between Interpolation

Lineare Interpolation (lerping) Einfachste Interpolationstechnik Weitere interpolierbare Attribute

Rotation Farbe Transparenz Beleuchtung Gestalt/Form Kamera Brennweite

Lineare Interpolation (2) Probleme

Mehr Keyframes nötig Unrealistische Bewegungen

Lösung Interpolation um einen gebogenen Weg erweitern

Spline Interpolation

Spline Interpolation (2) Problem

Physikalische Gesetze können verletzt werden

Lösung Mehr Stützpunkte

Spline Interpolation (3) Problem

Keine Aussage über die Geschwindigkeit

Lösung Positionsveränder

ung in Abhängigkeit der Zeit festlegen

Vor- und Nachteile der Interpolation Vorteile

Animator hat volle Kontrolle über die Animation

Arbeitsaufwand wird reduziert Nachteile

Schwer, realistische Interaktionen durchzuführen

Schwer, große dynamische Umgebungen zu spezifizieren

Rotationen Positionselemente

können unabhängig interpoliert werden

Rotationselemente nicht, da die Untermatrix A (3x3) orthonormal sein muss

Hier helfen die Quaternionen

Quaternionen Rotationen werden beschrieben durch

das Einheitsquaternion a + b*i + c*j + d*k

a,b,c,d reelle Zahlen a² + b² + c² + d² = 1

Um die vier Unbekannten von q = [a,b,c,d] zu erhalten, bilde Achsenvektor v = [x,y,z] Winkel phi

Spherical Interpolation Interpolation zwischen Quaternionen: Pfad auf der

4D-Kugel folgen, der die beiden Punkte verbindet Dies wird als Spherical Interpolation bezeichnet

Zur Vereinfachung: 4D-Einheitskugel als 2D-Einheitskreis vorstellen

Spherical InterpolationP = α*A + β*B

|P| = 1A*B = cos ΩA*P = cos θ

P = A* sin(Ω-θ)/sinΩ + B* sinθ/sinΩ

Spherical Interpolation

P = A* sin(Ω-θ)/sinΩ + B* sinθ/sinΩ

Nachteile von Quaternionen Rotation um v mit Winkel Q entspricht

Rotation um –v mit Winkel –Q Mehrdeutigkeit des Weges Lösung: nimm den kürzesten Weg

Rotation um 360° wird durch das selbe Quaternion zu einem späteren Zeitpunkt dargestellt, wie auch bei einer Rotation um 0° erzeugt Probleme beim Keyframing Lösung: Mehr Kontrollpunkte

6. Articulated Structures Begriffserklärung Animation von Articulated

Structures Vorwärtskinematik Inverse Kinematik Motion Capture

Begriffserklärung Gelenkstrukturen/

-hierarchien Articulated =

gelenk-verbunden Articulated

Figures = skelettale Figuren Zweibeiner Vierbeiner

Glieder Körperglieder

haben eigenes

Koordinatensystem Gelenk zum

Elternglied Verweise auf

Kinderglieder geometrische

Beschreibung

Gelenke 6 Freiheitsgrade pro Gelenk

Translation entlang der drei Achsen Rotation entlang der drei Achsen

Roll (x-Achse) Pitch (y-Achse) Yaw (z-Achse)

Gelenkbegrenzungen

Bewegung Kinematik

Behandlung von Gesetzmäßigkeiten, die die Bewegung von Körpern rein geometrisch beschreiben ohne Rücksicht auf die Ursache der Bewegung

Man kann mit Vorwärtskinematik oder mit Inverser Kinematik arbeiten

Vorwärtskinematik Gelenkwerte werden vorgegeben,

Position daraus errechnet Jeder Knoten erbt Bewegungen aller

Knoten über ihm in der Hierarchie Animator arbeitet bei Wurzel an und

arbeitet sich durch (Top-Down-Prinzip)

gibt komplette Kontrolle über die Animation

Nachteile Verletzung physikalischer Eigenschaften

möglich ( Nachbesserung notwendig) Komplexe Bewegungen (z.B.

Kampfszene) wird enorm kompliziert Für ein Menschenmodell werden allgemein

ca. 200 DOF insgesamt benötigt. Ist langwierig und extrem zeitaufwendig.

Nachbesserungen müssen nach dem Top-Down Prinzip durchgeführt werden

Keyframing im 3D Idee: Keyframing für Articulated

Structures Bei Vorwärtskinematik: Interpolation

zwischen den Gelenkwerten Probleme

Weiterhin erheblicher Aufwand die Positionen per Hand festzulegen

Bewegungen meist unrealistisch

Inverse Kinematik Es werden nur die Endeffektoren

gesetzt, Daraus berechnet sich die Position der Figur

Zwischen verschiedenen Positionen wird dann interpoliert stark reduzierter Aufwand für den Animator

Dabei: Erhalt der Struktur

Nachteile Positionen der Endeffektoren evtl.

nicht zulässig Bewegung zwischen Positionen

evtl. nicht zulässig Schon bei geringer Anzahl von

Gelenken existieren unendlich viele Wege

Sehr hoher Berechnungsaufwand.

VK vs. IK Vorwärtskinematik spezifiziert Winkel Inverse Kinematik spezifiziert Positionen im Raum

mit zwei Gelenken gibt es zwei mögliche Bewegungen für komplexe Probleme kann es unendlich viele geben

Kompliziertere Struktur VK: mehr Aufwand IK: schwierigerer Ansatz, evtl. unmöglich

Möglichkeiten für den Modellierer VK: elementare Bewegungen

Komplexität für den Programmierer VK: prinzipiell simpel IK: nur Stellung der Endpunkte

Motion Capture beschreibt den Vorgang, die

Bewegungen mit Hilfe von Sensoren zu erfassen und in computerlesbare Form zu überführen.

Ermöglich realistischere Bewegungen

Arbeitet ohne VK oder IK

Motion Capture (2) Bewegungen

können auf Articulated Structures angepasst werden

7. Facial animation Schwierigkeiten Interpolation von Gesichtsmodellen FACS Regeln der Facial animation

Schwierigkeiten Integration. Glaubwürdige Modelle müssen

folgende Bewegungen Integrieren: Einfache globale Kopfbewegungen Einfache Augenbewegungen Komplexe Deformation von verschiedenen

Gesichtsteilen Sprache; Kiefer, Lippen, Zunge Arm- und Handgesten zur Sprachunterstützung

Schwierigkeiten (2) Einzigartigkeit

einfaches Bekleben mit Texturemaps reicht nicht aus um einzigartige Identitäten zu erzeugen

Renderqualität Hautshader ist sehr schwer zu

programmieren

Interpolation von Gesichtsmodellen 1972 Frederik Parke Entwicklung von 3D-Wireframe

Modellen Animierung durch Interpolation

zwischen verschiedenen Ausdrücken (wie Keyframing)

Parametrisierung

FACS Steht für „Facial Action Coding Script“ 1969 von Ekmann und Friesen erfunden Gesichtsaktivität als Menge von

Basisaktionen (AU = Action Units) Basieren auf der Gesichtsanatomie Ergebnis einer oder mehrerer

Muskelbewegungen 60 AUs vorhanden Können jeden Gesichtsausruck beschrieben

Regeln der Facial animation Reale Entsprechung Mehr

Beachtung von Details Wichtige Gesichtszüge

Augen, Mund, Augenbrauen, Augenlider Unwichtigste Gesichtszüge

Backen, Nase, Zunge, Ohren, Haare Vermeide „Zwillinge“

Beispiel Facial animation Beispiel

[http://www.cs.dartmouth.edu/~brd/Teaching/Animation/video/bruce_lee.mpg]

7. Dynamic simulation Benutzen von physikalischen

Gesetzen um Bewegung zu simulieren Motivation: Realistischere Ergebnisse Objekte haben physikalische

Eigenschaften Masse Kräfte

Dynamic simulation (2) Vorteile

Interaktionen sind automatisch realistisch große dynamische Umgebungen sind möglich Systeme mit komplexen

Zwischenbeziehungen sind möglich Nachteile

Entzug künstlerischer Kontrolle Schwer vorrauszusagen was bezüglich der

Startbedingungen herauskommt Schwer bestimmte Verhalten oder Ereignisse

zu erhalten

Beispiel Dynamic simulation Beispiel

[www.cs.unc.edu\~hirota\290/balchoc0.mpg]

8. Particle animation Was ist ein Partikel? Einsatzgebiete Eigenschaften von Partikeln Arbeitsschritte pro Frame

Was ist ein Partikel? Sehr kleine Primitive Einzelpartikel beschreibt keine

Animation Gesamtbild simuliert

Erscheinungen Partikel sind voneinander

unabhängig

Einsatzgebiete Feuerwerk Feuer Wasserfäll

e Wolken Nebel Rauch …

Eigenschaften von Partikeln

Position Geschwindigkeit und Richtung Größe Farbe Reibung Transparenz Form Lebenszeit

Generatorpartikel Gravitation kann berücksichtigt werden

Arbeitsschritte pro Frame Generierung neuer Partikel Neue Partikel erhalten initiale

(zufällige) Eigenschaften Partikel, deren Lebenszeit zu Ende

ist, werden gelöscht Aktuelle Partikel werden gemäß

ihres Skripts verändert Aktuelle Partikel werden gerendert

Beispiel Particle animation Beispiel

[http://wwwcg.in.tum.de/Research/data/uberflow.avi]

9. Behavioural animation Modellierung des Objektverhaltens Verhalten ist komplexer als Bewegung

Verhaltensregeln Entwicklung räumlicher Beziehungen

Objekte sind eigenständige Agenten Modellierung von Schwärmen und

Herden

Wahrnehmung der Agenten

Verhaltensregeln Halte Abstand zu

Nachbarn (Separation)

Folge der Herdenbewegung (Alignment)

Bewege dich in die Mitte der Nachbarn (Cohesion)

Beispiele für Behavioural animation Beispiel 1

[www.siggraph.org/education/materials/HyperGraph/animation/3cr.mov]

Beispiel 2 [http://www.cgl.uwaterloo.ca/

~gpoirier/cs888/preying_small.avi]

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

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