Workshop Skript 3D

7/24/2019 Workshop Skript 3D

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Skript - Workshop 3D-Animation Teil 1

Teil 1: Grundlagen 06.04.2002

Fachhochschule Regensburg

Seite 1/23 Markus G. Nowak 11.04.02


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Inhaltsverzeichnis:

1. Grundfunktionen von 3D-Software

1.1 Vom Punkt zum Polygon

1.2 Darstellung der 3-Dimensionalen Objekte auf dem 2- Dimensionalen Bildschirm

1.3 Texturen

1.4 Prozentuale Texturen

1.5 Bump-Map

1.6 Splines

1.7 Uv-Texturkoordinaten

1.8 Environment-Map

1.9 Schatten und Shadow-Map

1.10 Volumetrische Lichter

1.11 Blendenflecke

1.12 Metaballs

1.13 Verformung

1.14 Morphing

1.15 Boolsche Operationen1.16 Bones

1.17 Inverse Kinematik

1.18 Tiefenunschrfe

1.19 Bewegungsunschrfe

1.20 Partikelsysteme

1.21 Fotorealistisches Rendern

2. CAD-Software im Vergleich - Preise, verfgbare Betriebsysteme

3. Erstellung einer Animation

3.1 Erstellung einer Szene mittels der in 1. genannten Grundfunktionen

3.1.1 Einfgen einer 3D-Animation in ein bestehendes Bild

3.1.2 Erstellung eines mglichst realistischen Bildes mittels NURBS-Kurven, Texturen

und verschiedenster Oberflchendefinitionen

3.1.3 Kombinierung von inverser Kinematik und Morphing



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Wenn man sich die Oscarverleihungen der letzten 20 Jahre ansieht, dann erkennt man zu Anfang der 90'er Jahre

einen bedeutenden Wandel, was die Vergabe von Preisen fr Spezialeffekte betrifft. Es war der Anfang der

kommerziellen Nutzung von 3D Animation. Filme wie Tron oder Lensman hatten schon davor Eindruck auf

den Zuschauer gemacht, aber die noch sehr groen Hardwareanforderungen - und die damit verbundenen

Kosten - waren zu hoch um den wirtschaftlichen Einsatz zu rechtfertigen.Die ersten bezahlbaren Produkte (Raytracing) wurden fr UNIX- und Amiga-basierende Systeme

geschaffen. Zu Anfang wurden diese nur zur Erstellung von Logos und Werbefilmen eingesetzt. Der erste

Film, der die Mglichkeiten der 3D-Animation wirklich umfassend nutzte war Tin Toy, mit dem die Firma

PIXAR1995 einen Oscar gewann. Bis dahin beschrnkte sich das Einsatzgebiet von 3D-Software auf

Einzelbilder, da flssige Bewegungsablufe (wie sie beispielsweise zur Animation des Modells eines Menschen

bentigt werden) bis zu diesem Zeitpunkt nicht, oder nur mit unverhltnismig groem Aufwand mglich

waren.

Inzwischen gibt es Programme fr alle Anwendungsgebiete:Physikalische Ablufe knnen simuliert und gleichzeitig dargestellt werden (z.B. Crash-Tests), verschiedenste

Oberflchen knnen naturgetreu erzeugt (z.B. Stoffe fr Designer), 3D-Strukturen knnen in bestehende Bilder

oder Filme eingebettet werden (Film Effekte, Architekturprogramme) um nur einige Beispiele zu nennen.

Abb. 1 Abb. 2 Abb. 3

Eigentlich ist es gar nicht mehr hundertprozentig sicher was aus dem Computer stammt und was mit Hilfe von

herkmmlichen Maltechniken erzeugt wurde.

Das Hochhaus in Abbildung 4 - ganz links - existiert beispielsweise gar nicht, es entstammt nur der Phantasieeines Architekten.



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Abb. 4

Selbst klassische Maltechniken knnen so nachgebildet werden,

dass auch der gebteste Betrachter Schwierigkeiten hat den

Unterschied zu einem richtigen Gemlde zu erkennen (Abb. 5).

Etwas vereinfacht werden diese Techniken auch angewandt um

beispielsweise Hintergrnde fr Zeichentrickfilme zu schaffen

(Abb. 6), deren herkmmliche Erstellung sehr Zeitaufwendig

ausfllt.


Computer generierte Bilder (CGI - Computer Generated Images) haben

auf jeden Fall einen Festen Platz in der heutigen medienorientierten

Welt gefunden und die Entwicklung schreitet stndig voran.

Inzwischen mssen Computeranimationen schon verschlechtert

werden um nicht im Fertigen Filmmaterial aufzufallen. Beispielsweisewaren die Bewegungen der Animierten Figuren im Film Small Soldiers

zu flieend. Die eckigen Bewegungen der Puppen hoben sich zu

stark von ihnen ab.

Abb. 5

Abb. 6


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1. Grundfunktionen von 3D-Software:

1.1 Vom Punkt zum Polygon

Zu Anfang der Computergesttzten Realisation (CAD) und Visualisierung wurden

dreidimensionale Objekte durch ein Drahtgitter verbundener Punkte dargestellt.

Diese hatten aufgrund ihrer Konstruktion keine rumliche Dimension, waren also nur

als Striche existent. Somit war jede Punktverbindung sichtbar, auch wenn sie

eigentlich von einem anderen Objekt verdeckt sein sollte (Abb. 7).

Dieses offensichtliche Manko - man denke nur an die verwirrende 3D-Darstellung einer komplexen Maschine -

wurde mit dem Einfhren von Polygonen beendet. Also durch die Definition von Flchen und schlielich aus

diesen zusammengesetzten Krpern.

Laut Lexikon1) ist ein Polygon ein Vieleck mit mindesten drei Seiten. Was CAD-Programme angeht, so ist diese

Definition nicht ganz zutreffend. Bereits zwei Punkte knnen ein Polygon definieren. Da bei jedem Polygon ein

geschlossener Weg beschrieben wird, besteht bereits diese aus 2 Seiten.

Diese Flchen werden nun in der dreidimensionalen Darstellung auf verschiedenste Weisen kenntlich gemacht:

Abb. 8

Verdeckte Flchen werden nicht

dargestellt.

Abb. 9

Oberflchen werden

verschiedenfarbig eingefrbt.

Abb. 10

Oberflchen werden in einer Farbe

dargestellt, zustzlich aber nochdie Kanten hervorgehoben.


Abb. 7


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1.2 Darstellung der 3-Dimensionalen Objekte auf dem 2-Dimensionalen Bildschirm

Am einfachsten ist es die Umrechnung als zwei

getrennte Funktionen zu betrachten (auch wenn nicht

jede Rendering-Software tatschlich so funktioniert).Als erstes werden die Koordinaten aller Punkte von

Welt-Koordinaten-System (ausgehend vom Nullpunkt

der CAD-Software) auf den Nullpunkt der zu

erstellenden Ansicht umgerechnet - also auf die

Position der Kamera.

Abhngig von der verwendeten Software mssen evtl. auch

Koordinatenachsen vertauscht werden (x,y,z sind reineDefinitionssache).

Von neuen Nullpunkt aus werden nun alle Punkte (Flchen) auf ihre

Position im 2-Dimensionalen Bild umgerechnet (Abb. 12).

Die Koordinaten der Punkte (Punkt1 und Punkt2 in nebenstehender

Ansicht) werden also auf ihre Lage im zweidimensionalen Bild

(Punkt1 Projektion und Punkt2 Projektion umgerechnet).

1.3 Texturen

Um die Oberflchen von 3D-Krpern zu gestalten, tapeziert man diese mit Texturen - legt herkmmliche,

zweidimensionale Bilddateien auf die durch ein oder mehrere Polygone bestimmte Flche. Diese werden dabei

auf-projiziert, sind also nur aus einer Richtung (Koordinatenachse) richtig aufgetragen.

Wie an nebenstehenden Beispiel zu

erkennen ist, werden Flchen, die senkrecht

zur Projektionsrichtung der Textur liegen

nur mit einer einzigen Pixelzeile der Textur

belegt (Streifenbildung).


Abb. 13

Abb. 11

Abb. 12


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Einige Programme bieten die Mglichkeit die Projektion einer Textur

immer senkrecht zu einem Objekt berechnen zu lassen (hierbei muss das

Referenzobjekt nicht unbedingt mit dem zu beziehenden Krper

bereinstimmen).

Ein Nachteil dieser Methode ist es allerdings, dass es nicht mglich ist denDrehwinkel der Textur anzugeben, da es keinen Referenzpunkt (oder

Flche) im eigentlichen Objekt gibt. Die Lage des Bildes wird nur vom

Referenzobjekt bestimmt.

1.4 Prozentuale Texturen

Um die dreidimensionale, innere Struktur von Marmor, Holz und anderen

Materialien nachzubilden, benutzt man statt zweidimensionaler Bilder berechnete

Muster.

Diese knnen auf verschiedensten Algorithmen beruhen, wie z.B. fraktalenBerechnungen. Solche Strukturen mssen nicht statisch sein, sie knnen auf

verschiedenste Arten verndert werden (auch whrend der Animation - z.B.

Farbverlufe).

So ist es hiermit beispielsweise mglich den Anschein flssiger Oberflchen in Animationen zu erzeugen ohne

das Objekt selbst ndern zu mssen.

1.5 Bump-Map

Den Texturen verwand sind die Bump-Maps. Zweidimensionale Bilder werden hier nicht als Textur, sondern um

Oberflchenvernderungen zu simulieren benutzt. Eine Orange in allen Einzelheiten zu zeichnen wrde ein

uerst komplexes Objekt entstehen lassen. Dieses in allen Einzelheiten zu berechnen wre sehr

rechenzeitintensiv, da Licht und Schatten jedes einzelnen Polygons ermittelt werden mssten.

Der Farbwert des Bildes bestimmt dabei die Erhhung bzw. Vertiefung. Einige Programme lassen nur

Schwarz/Wei-Bilder als Bump-Maps zu, andere erlauben bis zu 16 Millionen Abstufungen.

Abb. 16

Ausgangsobjekt

Abb. 17

Bump-Map

Abb. 18

Gerendertes Objekt


Abb. 14

Abb. 15


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Beispiel fr mehrfarbige Bump-Maps:

Abb. 19Abb. 20

Die Tiefe der Einbuchtung wird

hier sichtbar vom Farbwert

beeinflusst:

Je dunkler der Wert, desto grer

die Vertiefung.

Besonders helle Farben erzeugen

dementsprechend weniger

Vertiefungen.

1.6 Splines

Spline-Kurven werden zur Erzeugung weicher gerundeter Bewegungspfade oder zum Festlegen von

Objektquerschnitten benutzt. Sie benutzen dabei Kontrollpunkte, die im Raum platziert sind. Durch verschieben

dieser Punkte werden die Splines geformt - anstatt unzhlige Polygone eines Objekts zu bearbeiten, da sich diese

an den Splines orientieren2).

(Abb. 22 - verschieben eines

Spline-Punktes)

Es gibt verschiedenste Arten von Spline-Kurven oder -Flchen. Besonders verbreitet sind Bezier-Kurven,

welche jeder besseren Zeichensoftware als Grundelement dienen.


Abb. 22Abb. 21

Abb. 23 Abb. 24


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CAD-Anwendungen verwenden NURBS3) (Non-Uniform Rational B-Splines), mit denen sich im Gegensatz zu

anderen Spline-Arten exakte Kreise konstruieren lassen. Die Kontrollpunkte, ber die die NURBS-Kurven und

-Flchen gesteuert werden besitzen einen Gewichtsfaktor. Dieser regelt den jeweiligen Einfluss eines Punktes

auf die Form.

Ein solcher Krper kann nicht durch jeden Raytracergleich berechnete werden. Er wird erst wieder in

Polygone berfhrt (Abb. 25).

Zur Erzeugung der NURBS-Kurven: die mathematische

Erklrung wrde zu viel Zeit in Anspruch nehmen, also

werde ich mich auf die zeichnerische Erklrung

beschrnken. Als erstes wird ein Objekt erzeugt,

welches die Lage und Ausrichtung der NURBS-Kurven

bestimmt. Zur besseren Kenntlichmachung bleibt dieseErklrung auf 2D-NURBS-Kurven beschrnkt.

Mathematisch kann man aus Einzelpunkten eine Funktion generieren.

Die grnen Punkte sind die Ausgangspunkte der durch den

NURBS-Algorithmus erzeugten Kurve (rot dargestellt). Dies

wird parallel zur Verbindungslinie der Ausgangspunkte - blau

dargestellt (vllig parallel in der Mitte zwischen den

Punkten).

Die krzeste Entfernung zwischen Kurve und Punkt steht

senkrecht auf der Kurve (Abb. 27).

Wie gro die Annherung zwischen

Kurve und Punkt ist wird durch die

Gewichtung der Punkte festgelegt.

1.7 Uv-Texturkoordinaten4)

Verformt man einen mit einer Textur versehenen 3D-Krper, so verschiebt sich dabei auch das Texturbild.

Spline-Flchen und speziell vorbereitete Polygon-Objekte besitzen dagegen Koordinatenlinen auf ihrer

Oberflche. Nutzt man diese als Referenz fr die Textur, so verformt sich die Textur mit dem Objekt. Dadurch

entsteht der Eindruck, dass die Textur fest auf der Oberflche des Krpers verankert ist - als ob er bemalt whre.


Abb. 25

Abb. 26Abb. 27


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Wie hier zu sehen ist verndert sich die Lage der Textur auch beim

verbiegen des Krpers nicht.

1.8 Environment-Map

Viele Oberflchen wirken erst realistisch, wenn sich etwas in ihnen spiegelt. Ein leerer Raum, wie ihn 3D-Programme bieten ist somit ungeeignet um beispielsweise wirkungsvolle Szenen mit metallischen Krpern zu

erstellen - es fehlt einfach die Umgebung, die sich in der Oberflche spiegeln knnte. hnlich einer Textur kann

mittels einer Environment-Map die Spiegelung innerhalb eines Objektes mittels eines zweidimensionalen Bildes

(Abb. 31) errechnet werden.

Objekt + Spiegeltextur ergibt

Dieses Verfahren erlaubt es auerdem

Metalleffekte (Abb. 32) ohne die komplette

Berechnung der Spiegelungen zu erstellen.

1.9 Schatten und Shadow-Map

Ohne groen Aufwand erzeugt Raytracing

unrealistische harte Schatten, indem einfach ein

Polygon (von der Lichtquelle her) auf das

dahinterliegende Objekt schwarz projiziert wird

(Abb. 33).

Schneller und mit weicheren Schatten (also

Verwaschenen Grenzbereichen - oberes linkes

Bild) arbeiten Shadow-Map-Verfahren.


Abb. 28

Abb. 29

Abb. 30

Abb. 31

Abb. 32

Abb. 33


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Diese versagen allerdings bei transparenten Objekten (Abb. 35)

- das durchscheinende Licht ist weiterhin als dunkler Schatten

sichtbar, sollte aber seine Farbe verndern (siehe zum Vergleich

Abb. 36 - der untere Schatten wirkt blulich).

1.10 Volumetrische Lichter

Um realistische Lichtkegel darzustellen gengt es nicht eine

Flche auf den fertigen Bild aufzuhellen. Objekte, die z.B. in

einen Lichtkegel hineinragen mssen einen Schatten daraus

aussparen (Abb. 37). Das gelingt nur mit aufwendigen

Volumen-Rendering-Verfahren.

Die Komplexitt des Algorithmen ist dabei vom

gewnschten Ergebnis abhngig - z.B. kann damit auch

Nebel simuliert werden.

1.11 Blendenflecke

Selbst bei modernsten Kameras spiegelt sich von vorn einfallendes Licht im Kameraobjektiv - aller

Entspiegelung zum Trotz. Helle Lichtquellen, die direkt in die Kamera strahlen, erzeugen deshalb mehrere

Lichtflecken auf dem Film, meist in der Form der Blende (z.B. Fnfeck).

3D-Software ahmt diese Bildfehler nach um mglichst

realistische Bilder zu schaffen - wie man sie auch vom

Kino nennt.

Hier zum Vergleich:

Abb. 38 ohne, Abb. 39 mit Spiegelung in derKameralinse.


Abb. 35Abb. 34

Abb. 36

Abb. 37

Abb. 38 Abb. 39


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Besonders Kameraschwenks lassen diese Lichtfiguren dramatisch ber die Bildflche wandern.

1.12 Metaballs

Es gibt zwei Mglichkeiten Objekte organisch rund aussehen zu lassen: Splines oder Metaballs. Metaballs

knnte man als Kugeln beschreiben, die wie flssiges Metall zh zusammenkleben. Metaballs wirken nur aufandere Metaballs, normale 3D-Objekte werden nicht verndert.

Ein einzelner Metaball erscheint als gewhnliche Kugel. Sollte ein

zweiter nahe genug positioniert werden (die Anziehungskraft

untereinander ist einstellbar) so flieen beide zusammen.

(Abb. 40: Abstand zu gro; Abb. 41: fertiges Objekt)

Die Anziehung zwischen den Metaballs kann fr jeden einzelnen unterschiedlich eingestellt werden. Metaballmssen auch nicht unbedingt Kugeln bleiben, die Grundobjekte knnen beliebig verformt werden.

1.13 Verformung

Einige 3D-Programme erlauben es fertig modellierte Objekte nicht nur zu drehen, zu vergrern bzw.

verkleinern, sondern auch zu verzerren. So ist es mglich mit wenig Aufwand Animationen zu erzeugen, in

denen sich beispielsweise Objekte verbiegen (Abb. 43) oder zur Schraube wringen (Abb. 44). Den grten

Gestaltungsfreiraum bieten Freiform-Verformer, welche durch Verformung eines Gitternetzwrfels die

Verzerrungen erzielen.


Abb. 40 Abb. 41

Abb. 42

Abb. 43

Abb. 44


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1.14 Morphing

Die rumliche Vernderung eines Objektes whrend einer Animation nennt man Morphing5). Ein Objekt wird

dabei in ein anderes berfhrt, indem seine einzelnen Punkte bewegt werden. Diese Vernderung setzt voraus,

dass die Anzahl der Polygone in beiden Objekten gleich ist. Das Zielobjekt dient nur als Referenz fr die

Punktevernderung - es wird bei der Bilderzeugung vollstndig ignoriert.

Ausgangsobjekt

Durch Morphing entstandenesObjekt (50% vom Ausgangs- und

50% vom Zielobjekt)

Zielobjekt(unsichtbar fr Kamera und

Lichtquellen)

1.15 Boolsche Operationen

Nach Art der Mengenlehre knnen 3D-Objekte auf

verschiedenste Weisen verbunden werden. Vereinigungen,

Schnitt- und Differenzmengen knnen gebildet werden. 3D-

Modelle knnen so miteinander verschweit (Abb. 48), die

Schnittmenge ermittelt oder von einander abgezogen (Abb.

49 - Kugel minus Quader) werden.

Auf diese Weise ist es auch mglich ein Objekt quasi als Bohrer zu benutzen - einen Tunnel durch ein anderes

zu bohren. Ebenso kann auch ein Material in ein anderes eingesetzt werden.

1.16 Bones

Bones sind, wie der Name schon sagt, Knochen, also eine Struktur innerhalb eines Objektes deren Vernderung

Einfluss auf das Objekt selbst hat6).

Aufwendige Modelle von Menschen, Tieren oder Auerirdischen animiert man mit Hilfe eines solchen Skeletts.

An diesem lassen sich dann Posen wie an einer Gliederpuppe einstellen.


Abb. 45 Abb. 46 Abb. 47

Abb. 48 Abb. 49


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3D-Objekt Bones

wurden eingefgt

Durch die Verdrehung der im

Objekt verankerten Bones verndert

sich dann das gesamte Objekt

1.17 Inverse Kinematik7)

Wie im letzten Abschnitt erwhnt sind Finger, Arme und Beine aus unzhligen Knochen (oder im Falle

getrennter Objekte: Glieder) zusammengesetzt. Um eine Pose einzustellen (oder zu animieren), msste man

eigentlich alle Krperglieder einzeln in die gewnschte Lage bringen. Dies nennt man Vorwrts-Kinematik.

Inverse Kinematik vereinfacht das: Die einzelnen Glieder werden in bestimmter Reihenfolge logisch

miteinander verbunden (nicht ntig bei Bones, da diese jeweils aus Bone und Child-Bones bestehen). Einer der

letzten Bones in der Hierarchie wird dann an ein Referenzobjekt gekettet. Dessen Bewegung lst dann die

Bewegung der anhngigen Bones aus.

Das gelbe Kreuz zeigt die Lage des Zielobjekts an,

dieses bezieht sich auf einen Bone (blau).

Beim Verschieben des Zielobjekts folgten die

angeschlossenen Bones (die Strke, in der diese

Bewegt werden kann durch deren Gewichtung

festgelegt werden - auch Einschrnkungen sich

mglich).


Abb. 50

Abb. 53 Abb. 54

Abb. 51Abb. 52


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1.18 Tiefenunschrfe

Eine reale Kamera nimmt nur in einer bestimmten Entfernung ein scharfes Bild auf, Vordergrund und

Hintergrund erscheinen verschwommen. 3D-Software kann nun diesen Effekt nachahmen, indem der Grad der

Unschrfe von der Entfernung zum Brennpunkt der Kamera abhngig gemacht wird.

Je weiter entfernt, desto unschrfer wird das Objekt (vergleiche: Abb. ohne Tiefenunschrfe, Abb. 56 mit). Dies

wird brigens durch den gleicht Algorithmus erreicht, der fr 2D-Bildmanipulation benutzt wird: Blur-Filter

(oder zu deutsch Unschrfe).

1.19 Bewegungsunschrfe

Bewegte Objekte erscheinen auf Film- und Fotoaufnahmen verwischt - abhngig von der Geschwindigkeit der

Bewegung und der Belichtungszeit des Einzelbildes. Um diese Unschrfe nachzubilden werden mehrere zeitlich

aufeinanderfolgende Bilder berlagert.

Ohne Bewegungsunschrfe wrde ein sog. Stoboskopeffekt

entstehen, das bewegte Objekt wrde nur an einigen Stellen im Film

aufblitzen, fr das menschliche Auge wre keine

zusammenhngende Bewegung sichtbar.

1.20 Partikelsysteme8)

Zur Darstellung von Funken, Regen oder

Dampf bentigt man unzhlige kleine Objekte.

Es whre viel zu aufwendig diese zu erzeugenund in Bewegung zu setzen. Partikelgeneratoren

erzeugen solche Teilchenschwrme automatisch

aus Angabe zu Richtung, Geschwindigkeit und

Zufallseinflssen. Die Bewegung wird nach

Regeln der Physik (im Falle der

Regensymmulation) automatisch berechnet.


Abb. 55 Abb. 56

Abb. 57

Abb. 58


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1.21Fotorealistisches Rendern

Fotorealistisch wird ein Bild unter der Verwendung von Caustics und Radiosity.

Caustics:Sind die Resultate spieglender Lichtfortpflanzungen(Lichtreflexe)

Radiosity:Ist eine Mglichkeit zum Rendern von indirektem Licht, bei dersich Licht zwischen Oberflchen durch diffuse Reflektion ihrerOberflchenfarbe fortpflanzt

2. CAD-Software im Vergleich - Preise, verfgbare Betriebsysteme (Preislisten von Mrz 2002):

Produkt:

3D Studio MAX 4

LightWave 3D 7Softimage XSI 2

Maya 4 (Personal)

Maya 4 (Complete)

Maya 4 (Unlimited)

Poser 4

Poser 4 Pro (Addon)

Hersteller:

Kinetix

NewtekMicrosoft

Alias Wavefront

Alias Wavefront

Alias Wavefront

Curious Labs

Curious Labs

Preis (ca. Euro):

4930 / 870 stud.

1595 / 685 stud.12000 USD

-

7500 USD

14000 USD

290 / 150 stud.

255 / 127 stud.

Betriebssystem:

Windows 95 / NT 4.0

Windows 95 / NT 4.0, MacOSWindows NT ab 3.51, SGI

Windows NT

Windows NT, Linux, IRIX

Windows NT, Linux, IRIX

Windows 95 / NT 4, MacOS

Windows 95 / NT 4, MacOS

Dies sind nur die Preise der Grundversionen. Um richtig Arbeiten zu knnen muss man evtl. noch mit erheblich

hheren Anschaffungen rechnen.

Die Neuartigen Funktionen, mit denen z.B. Kinetix wirbt sind alle nur als Plugins realisiert, kosten also extra.

Um flssige Animationen ganzer Krper (Menschen) zu ermglichen ist folgendes ntig:

Character Studio 2.400,-

ANTHROPOS Character 1.270,-

Sollte man nun noch an Bekleidung denken so sind noch einmal 1.395,- fr ClothReyes fllig.

Nur wenn man wirklich viel Geld in die Hardware steckt (min. 16MB Grafikkarte, 24 Monitor) kann man auch

ohne diese Erweiterungen mit dem 3D-Studio MAX beeindruckende Animationen schaffen.



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3. Erstellung und Programmierung einer Animation

Eine Animation wird meist mir die Hilfe von Skript-Dateien (in LightWave Scenes genannt) erstellt. Diese

haben die Form eines Batch-Files und beinhalten alle Objekte (Referenzen auf Dateinamen) und deren Rolle

innerhalb der Animation (Positionen, Kipwinkel, Grenvernderung, Bones,...). Ein einfaches Beispiel fr

eine solche Skript-Datei ist in Anhang 1.1 zu finden. Es handelt sich dabei um die Szene, die fr die Bilderin 1.9 ( Schatten und Shadow-Map) verwendet wurde - nur ein einziges Einzelbild.

3.1 Erstellung einer Szene mittels der in 1. genannten Grundfunktionen

3.1.1 Einfgen einer 3D-Animation in ein bestehendes Bild

Um ein bestehendes Bild das Einbringen von Animation zu verndern wird zunchst ein geeignetes

Hintergrundbild gesucht.

Dieses Bild mu nun folgendermaen vorbereitetwerden:

Alle Bereiche (Flchen), die verndert werden (auf

denen sich beispielsweise Schatten zeigen sollen)

werden mit einem einzigen Polygon berzogen.

(Abb. 60: Polygon, mit dem

die Wand hinter dem

Telefon berzogen wird)

Als Referenzobjekt fr den Tisch kann ein einfaches Trapez benutzt werden. Als letztes wird noch ein kleines

Polygon fr die Seite der Telefonhalterung gebraucht.

Das Entstehende Objekt kann nun als Hintergrund fr die Animation

genutzt werden

Der nchste Schritt ist es, das zu animierende Objekt (ein drahtloses

Telefon) zu erstellen.


Abb. 59

Abb. 61

Abb. 60


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Ein einfacher Quader wird zunchst mittels NURBS-Kurven abgerundet (Abb. 62) und weiter verformt.

Nachdem der Krper in Polygone berfhrt worden ist

werden mittels boolscher Operationen Knpfe und

Antenne hinzugefgt (Vereinigung von Objekten) undLcher in die Hrmuschel gemacht (Objekte in der

Form der Lcher werden abgezogen).

Die Schrift auf den Knpfen wurde ebenfalls mittels

boolscher Operationen realisiert. Keinerlei Texturen

wurden aufgetragen.

(Fertiges Telefon siehe Abbildung 63)

Das Telefon wird nun in das Animationsprogramm bernommen. In diesem werden Bones hinzugefgt,

welche die Bewegung des starren Objektes mglich machen.

Zur Unterscheidung habe ich diese eingefrbt:

Blau: Bones in der Antenne

Orange: Alle starren Teile - Punkte der Oberflche, die zur Fixierung gebraucht

werden

Rosa: Das eigentliche innere Skelett, es wird die Verbeugung des Telefons

ermglichen

Der gelbe Rahmen zeigt den Umriss des Objekts.

Um nicht jeden Bone einzeln bewegen zu mssen werden noch zwei nicht sichtbare

Objekte mit der Struktur verbunden (jeweils am untersten und obersten rosa Bone).

Fr die verschiedenfarbigen Bones gelten auch unterschiedliche Bewegungsvorschriften (z.B. darf ein orangener

Bone nicht um die eigene Achse gedreht werden,...).


Abb. 62

Abb. 64

Abb. 63


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Nun kann die eigentliche Animationsarbeit beginnen, hierzu ist es

sinnvoll die Abfolge vorher schriftlich festzulegen:

Anruf kommt (luten des Telefons - evtl. leichtes vibrieren)

Telefon streckt sich nach oben - grner Referenzpunkt nachoben bewegen

Telefon springt aus der Halterung auf den Tisch

Telefon geht auf die Kamera zu

Bewegungen innerhalb des Objekts selbst werden allein durch die beiden Referenzobjekte bestimmt.

Bewegungen, die die Position des Objekts verndern werden durch das Verschieben des Nullpunkts des Objekts

erreicht.

Die grne Kurve in Abbildung 66 zeigt die Hhe des Referenzpunktes, die sich auf die Krmmung des Hrers

auswirkt (ein Strich auf der horizontalen Achse entspricht einem Einzelbild).

Das erste mal hebt sich der Hrer etwas vom 10ten bis zum 20sten Einzelbild, legt sich danach wieder hin bis

zum 35sten Bild. Daraufhin kommt der Sprung und schlielich die Verbeugung.

Zur Verdeutlichung hier das erste und letzte Einzelbild:


Abb. 65

Abb. 66

Abb. 67 Abb. 68


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Nachdem der Weg des Objekts festgelegt und die gesamtes Szene gerendert wurde mssen nur noch geeignete

Geruscheffekte zur Vertonung gefunden werden.

3.1.2 Erstellung eines mglichst realistischen Bildes mittels NURBS-Kurven, Texturen und

verschiedenster OberflchendefinitionenAls zu rendernde Objekte habe ich eine Tasse (eine

Weiterentwicklung des in 1.6 erzeugten Objekts), eine

Zigarettenschachtel (der Aufdruck verrt: ich bin Nichtraucher)

und ein Glas, welches nach dem gleichen Prinzip wie der

Becher erzeugt wurde (Wrfel in NURBS-Flchen

umgewandelt, Bevel nach innen).

Die Tischplatte besteht schlielich noch aus einem einfachen

Quader.

Es wrde zu weit fhren alle in diesem Bild verwendeten Effekte auszuzhlen, deshalb werde ich mich nur auf

die Wichtigsten beschrnken.

Die Verzerrung beim Blick durch das Glas entsteht durch

zwei verschiedene Oberflchen:

Es werden zwei verschiedene Oberflchendefinitionen fr die

Polygone innerhalb und auerhalb des Glases verwendet.

Die Polygone, welche die Innenseite des Glases bilden sind

zu 95% durchsichtig und besitzen einen Lichtbrechungsindex

von 1,0, whrend die Polygone auf der Auenseite zu 90%

durchsichtig sind, 10% reflektieren und einen

Lichtbrechungsindex von 1,6 aufweisen.

Die Tischplatte ist eine einfache Textur, die - um realistischer zu erscheinen - in ihrer Gre so angeglichen

wurde, dass das fertige Bild keine hhere Auflsung hat als die Gre der Textur.

Die Zigarettenschachtel ist aus zwei Objekten zusammengesetzt:

- einem Quader

- der Klappe zum ffnen


Abb. 69

Abb. 70

Abb. 71


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Die Oberflche besteht aus folgenden Texturen:

Die vierte Textur (Abb. 75) dient zur Steuerung der Spiegelung (Leuchtkraft der Farben) auf der ersten Textur(Abb. 72). Ohne diese wrde die Goldschrift auf der Schachtel nur gelb erscheinen und htte keinerlei

Leuchtkraft.

Nach realistische wird ein solches Bild durch die Anwendung von Caustics und Radiosity:


Abb. 72

Abb. 73

Abb. 74

Abb. 75

Abb. 76 (Radiosity) Abb. 77 (Caustics und Radiosity)


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3.1.3 Kombinierung von inverser Kinematik und Morphing

Die in 1.14 und 1.17 erstellten Objekte (tiria.lwo und ra_tiria_morphingtarget.lwo) werden innerhalb einer

Szene zusammengefhrt. Das mit Bones animierte Objekt wird als Nullpunkt-Referenz fr den zweiten

Krper benutzt.

Der Grad der berfhrung vom Ausgangs- und Zielobjekt regelt eine Sinusfunktion (in den Grenzen von 0bis 100% Vernderung)

Diese Funktion wurde mittels des

LightWave Plugins Math2Motion

erstellt, das es ermglicht direkt

mathematische Funktionen in

Bewegungen umzuwandeln.

Um nicht zu viele Animationspunkte zu haben wurde die Zahl der Berechneten Punkte auf 5 beschrnkt.

In Abbildung 79 bis 81 kann man die Kombination aus Morphing (Mundbewegung) und inverser Kinematik

(Arm / Handbewegung) erkennen.


Abb. 78

Abb. 79 Abb. 80 Abb. 81


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Literaturverzeichnis:

Arndt von Koenigsmarck: 3D Character Design, Galileo Press, Bonn 2000, 1. Auflage.

Jeremy Birn: Lighting und Rendering, Markt+Technik Verlag, Mnchen 2001 (bersetzung deramerikanischen Originalausgabe Lighting & Rendering von New Riders Publishing).

Dan Ablan: LightWave POWER GUIDE; New Riders Publishing, Indianapolis 1996.

Dr. Jrn Loviscach: Visionen in 3D; ct 2, Verlag Heinz Heise GmbH & Co KG, Hannover 1998, Seite 120 -132.

Dr. Alexandre Saad, Gerd Schfer, Tobias Soder: Welten vom Reibrett; ct 11, Verlag Heinz Heise GmbH &Co KG, Hannover 1998, Seite 206 - 219.

Claudia Born, Thomas Chr. Freudenberg: Grafikbearbeitung & Morphing; tewi-Verlag GmbH, Mnchen 1994,2. Auflage.

Alan Watt: Fundamentals of Three-Dimensional Computer Graphics; Addison-Wesley Publishing Company,First printed 1989.

Markus Nowak: Handbuch fr LightWave 3D 5.5, unverffentlicht - internes Schulungsmaterial, 12/1996

Quellenverzeichnis:

1) DUDEN: Fremdwrterbuch, Dudenverlag, Mannheim, 5. Auflage 1990, Stichwort:Polygon

2) Dan Ablan: LightWave POWER GUIDE; New Riders Publishing, Indianapolis 1996, Seite 116

3) Alan Watt: Fundamentals of Three-Dimensional Computer Graphics; Addison-Wesley Publishing Company,First printed 1989, Seite 134

4) Dr. Jrn Loviscach: Visionen in 3D; ct 2, Verlag Heinz Heise GmbH & Co KG, Hannover 1998, Seite 124

5) Claudia Born, Thomas Chr. Freudenberg: Grafikbearbeitung & Morphing; tewi-Verlag GmbH, Mnchen1994, 2. Auflage, Seite 65

6) Dan Ablan: LightWave POWER GUIDE; New Riders Publishing, Indianapolis 1996, Seite 402

7) Dr. Jrn Loviscach: Visionen in 3D; ct 2, Verlag Heinz Heise GmbH & Co KG, Hannover 1998, Seite 122

8) LightWave Steamer Tutorial, HTML-Documentation, 1996, TUTORIAL_03H.HTML

9) Dr. Alexandre Saad, Gerd Schfer, Tobias Soder: Welten vom Reibrett; ct 11, Verlag Heinz Heise GmbH

& Co KG, Hannover 1998, Seite 218

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Dieses Skript ist nur fr den privaten Gebrauch vorgesehen. Jegliche Weiterverbreitung als Ganzes oder auchin Auszgen ist ohne meine schriftliche Zustimmung ausdrcklich untersagt.

Tiria Syar (in Modell und Bild) Markus G. Nowak 199-2002

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