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