Seminar Computergrafik

1. Seminar Computergrafik Vortrag: Animation Betreut von Prof. Dr. E. Schömer, M. Hemmer Mirko Scherf 03.02.05

2. Übersicht • Was ist Animation • Bereiche der Animation • Geschichte der Animation

3. Übersicht (2) - Animationskategorien • Rigid Body animation • Articulated Structure animation • Facial Animation • Dynamic simulations • Particle animation • Behavioural animation

4. 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

5. Bereiche der Animation • Animation betrifft nicht nur Bewegung, sondern alle Bereiche mit visuellem Effekt • Gestalt/Form • Farbe • Transparenz • Textur • Beleuchtung • Kameraposition • Orientierung • Blickfeld

6. 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

7. Geschichte der Animation (2) 1825: Traumatrope 1834: Zoetrope

8. 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“

9. Geschichte der Animation (4) • 1914 „Gertie, the trained Dinosaur“ von Windsor McCay

10. 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

11. 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.“

12. 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“

13. Rigid Body animation • Begriffserklärung • Translation • Keyframing/Interpolation • Rotation • Quaternionen • Slerping

14. 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

15. Keyframing • Zeichnen der Schlüsselbilder einer Sequenz • Markieren wichtige visuelle Übergänge • Erzeugen der Zwischenbilder: • In-Between • Interpolation

16. Lineare Interpolation (lerping) • Einfachste Interpolationstechnik • Weitere interpolierbare Attribute • Rotation • Farbe • Transparenz • Beleuchtung • Gestalt/Form • Kamera Brennweite

17. Lineare Interpolation (2) • Probleme • Mehr Keyframes nötig • Unrealistische Bewegungen • Lösung • Interpolation um einen gebogenen Weg erweitern

18. Spline Interpolation

19. Spline Interpolation (2) • Problem • Physikalische Gesetze können verletzt werden • Lösung • Mehr Stützpunkte

20. Spline Interpolation (3) • Problem • Keine Aussage über die Geschwindigkeit • Lösung • Positionsveränderung in Abhängigkeit der Zeit festlegen

21. 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

22. Rotationen • Positionselemente können unabhängig interpoliert werden • Rotationselemente nicht, da die Untermatrix A (3x3) orthonormal sein muss • Hier helfen die Quaternionen

23. 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

24. 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

25. Spherical Interpolation P = α*A + β*B |P| = 1 A*B = cos Ω A*P = cos θ P = A* sin(Ω-θ)/sinΩ + B* sinθ/sinΩ

26. Spherical Interpolation P = A* sin(Ω-θ)/sinΩ + B* sinθ/sinΩ

27. 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

28. Articulated Structures • Begriffserklärung • Animation von Articulated Structures • Vorwärtskinematik • Inverse Kinematik • Motion Capture

29. Begriffserklärung • Gelenkstrukturen/-hierarchien • Articulated = gelenk-verbunden • Articulated Figures = skelettale Figuren • Zweibeiner • Vierbeiner

30. Glieder • Körperglieder haben • eigenes Koordinatensystem • Gelenk zum Elternglied • Verweise auf Kinderglieder • geometrische Beschreibung

31. 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

32. 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

33. 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

34. 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

35. 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

36. 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

37. 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.

38. 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

39. 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

40. Motion Capture (2) • Bewegungen können auf Articulated Structures angepasst werden

41. Facial animation • Schwierigkeiten • Interpolation von Gesichtsmodellen • FACS • Regeln der Facial animation

42. 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

43. Schwierigkeiten (2) • Einzigartigkeit • einfaches Bekleben mit Texturemaps reicht nicht aus um einzigartige Identitäten zu erzeugen • Renderqualität • Hautshader ist sehr schwer zu programmieren

44. Interpolation von Gesichtsmodellen • 1972 Frederik Parke • Entwicklung von 3D-Wireframe Modellen • Animierung durch Interpolation zwischen verschiedenen Ausdrücken (wie Keyframing) • Parametrisierung

45. 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

46. 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“

47. Beispiel • Facial animation Beispiel • [http://www.cs.dartmouth.edu/~brd/Teaching/Animation/video/bruce_lee.mpg]

48. Dynamic simulation • Benutzen von physikalischen Gesetzen um Bewegung zu simulieren • Motivation: Realistischere Ergebnisse • Objekte haben physikalische Eigenschaften • Masse • Kräfte

49. 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

50. Beispiel • Dynamic simulation Beispiel • [www.cs.unc.edu\~hirota\290/balchoc0.mpg]