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Universität Stuttgart, Institut für Visualisierung und interaktive Systeme
Seminar
Algorithmen für Computerspiele
Animation und Motion Capturing
Jordanis Andreanidis
17. Mai 2010
VIS©06
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Universität Stuttgart, Institut für Visualisierung und interaktive Systeme
Inhaltsverzeichnis
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1.
2.
3.
4.
5.
Einführung
 Was ist Animation?
 Techniken der Computeranimation
Keyframe Animation
 Forward Kinematic
 Inverse Kinematic
Prozedurale Animation
 Prinzip
 Problem der prozeduralen Animation
 Partikelsysteme
 Schwarmanimation
 Vorteile gegenüber Keyframe Animation
Motion Capturing
 Geschichtliches
 Anwendungsgebiete
 Aufnahmetechniken
 Arten von Systemen
 Workflow
 Hersteller von Motion Capturing Systemen
 Vorteile gegenüber Keyframe und prozeduraler Animation
Fazit
Animation und Motion Capturing
17.05.2010
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Universität Stuttgart, Institut für Visualisierung und interaktive Systeme
Inhaltsverzeichnis
VIS©06
1.
2.
3.
4.
5.
Einführung
 Was ist Animation?
 Techniken der Computeranimation
Keyframe Animation
 Forward Kinematic
 Inverse Kinematic
Prozedurale Animation
 Prinzip
 Problem der prozeduralen Animation
 Partikelsysteme
 Schwarmanimation
 Vorteile gegenüber Keyframe Animation
Motion Capturing
 Geschichtliches
 Anwendungsgebiete
 Aufnahmetechniken
 Arten von Systemen
 Workflow
 Hersteller von Motion Capturing Systemen
 Vorteile gegenüber Keyframe und prozeduraler Animation
Fazit
Animation und Motion Capturing
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Was ist Animation?
Animation
(von lat. animare, „zum Leben erwecken“)
=
Technik, in der durch Erstellen und Anzeigen von Einzelbildern
ein bewegtes Bild geschaffen wird.
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Animation und Motion Capturing
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Techniken der Computeranimation
 Keyframe Animation
 Ein Animator legt explizit die Positionen von Objekten in
Keyframes (=Schlüsselbilder) fest.
 Die Zwischenbilder werden durch Interpolation ermittelt.
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Techniken der Computeranimation
 Prozedurale Animation
 Die Bewegung wird durch einen Algorithmus beschrieben.
 Es können komplexe physikalische Prozesse simuliert
werden, die nicht durch Keyframing erzeugt werden könnten.
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Techniken der Computeranimation
 Motion Capturing
• motion (engl.)
= Bewegung
• to capture (engl.) = erfassen
• Motion Capturing = Bewegungserfassung
Bewegungen werden erfasst
Bewegungsdaten werden verarbeitet und korrigiert
Bewegungsdaten werden in 3D-Systeme importiert
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Inhaltsverzeichnis
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1.
2.
3.
4.
5.
Einführung
 Was ist Animation?
 Techniken der Computeranimation
Keyframe Animation
 Forward Kinematic
 Inverse Kinematic
Prozedurale Animation
 Prinzip
 Problem der prozeduralen Animation
 Partikelsysteme
 Schwarmanimation
 Vorteile gegenüber Keyframe Animation
Motion Capturing
 Geschichtliches
 Anwendungsgebiete
 Aufnahmetechniken
 Arten von Systemen
 Workflow
 Hersteller von Motion Capturing Systemen
 Vorteile gegenüber Keyframe und prozeduraler Animation
Fazit
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Keyframe Animation
 Beispiel:
Inbetweening = Bilder zwischen den Keyframes einfügen.
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Keyframe Animation
Kinematische Animation
Beispiel: 2-Gelenk-Struktur
 2 Gelenke sind durch Rotationsanschlüsse verbunden
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Forward Kinematic
 Animator gibt die Anschlusswinkel U1 und U2 an.
 Computer findet Position des Greiforgans X.
X = (l1cosΘ1 + l2cos(Θ1 + Θ2), l1 sin Θ1 + l2sin(Θ1 + Θ2))
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Forward Kinematic
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 Anschlussbewegungen können durch Spline-Kurven
dargestellt werden.
Ein Spline n-ten Grades ist eine Funktion, die stückweise
aus Polynomen mit maximalem Grad n zusammengesetzt
ist.
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Forward Kinematic
Interpolation =
Zu gegebenen diskreten Daten (z. B. Messwerten) soll eine
stetige Funktion (die sogenannte Interpolante oder
Interpolierende) gefunden werden, die diese Daten abbildet.
Man sagt dann, die Funktion interpoliert die Daten.
Interpolation wird verwendet um die Zwischenframes zu
berechnen.
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Forward Kinematic
 Inbetweening:
 Lineare Interpolation
• Zwischen Anfangs- und Endpunkt werden die Punkte auf
einer Gerade gleichmäßig angeordnet
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Forward Kinematic
 Inbetweening:
 Spline Interpolation
Verschiebung der Punkte nicht linear, sondern bogenförmig
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Forward Kinematic
 Inbetweening:
 Kubische Spline Interpolation
Kubische Splines sind Splines, die auf jedem Teilintervall [xi−1,xi]
(also zwischen zwei Stützstellen) mit einem kubischen Polynom
übereinstimmen.
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Forward Kinematic
 Inbetweening:
 Kubische Spline Interpolation
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Inverse Kinematic
 Animator kennt die Position des Greiforgans
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Inverse Kinematic
 Animator gibt die Position des Greif-Organs an.
 Computer berechnet die Anschlusswinkel U1 und U2.
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Inverse Kinematic
 Anschlussbewegungen können durch Spline-Kurven dargestellt
werden.
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Inverse Kinematic
 Problem für komplexere Strukturen
 Gleichungssystem hat zu viele Variablen.
 Mehrfachlösungen
Drei unbekannte Winkel: U1, U2 und U3
Zwei Gleichungen: x und y
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Inverse Kinematic
 Lösung für komplexere Strukturen
 Verschiedene Lösungen ausprobieren (z.B. minimiere die
Bewegungen)
 Nichtlineare Optimierung
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Inhaltsverzeichnis
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1.
2.
3.
4.
5.
Einführung
 Was ist Animation?
 Kurze Vorstellung der Techniken der Computeranimation
Keyframe Animation
 Forward Kinematic
 Inverse Kinematic
Prozedurale Animation
 Prinzip
 Problem der prozeduralen Animation
 Partikelsysteme
 Schwarmanimation
 Vorteile gegenüber Keyframe Animation
Motion Capturing
 Geschichtliches
 Anwendungsgebiete
 Aufnahmetechniken
 Arten von Systemen
 Workflow
 Hersteller von Motion Capturing Systemen
 Vorteile gegenüber Keyframe und prozeduraler Animation
Fazit
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Universität Stuttgart, Institut für Visualisierung und interaktive Systeme
Prinzip
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 Die Bewegung wird durch einen Algorithmus beschrieben.
 Es können komplexe physikalische Prozesse simuliert werden
 Es werden Animationsverfahren zusammengefasst, die auf
algorithmischen Beschreibungen basieren und sämtliche Details
einer Animation enthalten.
 Diese Funktionen werden als Blackbox betrachtet, deren Ausgabe
allein über Parameter definiert wird
 Erzeugung der Animationdetails wird vom Computer übernommen.
 Datenvermehrung
 Anwendung bei:




natürlichen Phänomenen
fliegenden Vögeln
wachsenden Pflanzen
Gestiken und Bewegungen von Menschen
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Problem der prozeduralen Animation
Kontrollproblem
Es bestehen nur geringe Möglichkeiten die Ergebnisse während der
Berechnung zu beeinflussen.
1. Möglichkeit
Funktion so verändern, dass zusätzliche Zwangsbedingungen
(constraints) berücksichtigt werden.
2. Möglichkeit
Funktion wird mit verschiedenen Parametereinstellungen wiederholt
bis das Ergebnis verbessert wird.
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Partikelsysteme
Partikelsysteme sind dynamische Repräsentationen, die eine Vielzahl
elementarer Partikel kontrollieren.
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Schwarmanimation
 Partikel werden durch 3D-Modelle ersetzt
 Es gibt Regeln, z.B.:
- einzelner/mehrere Leiter
- Zusammenhalt der Gruppe
- Kollisionsvermeidung
 Es werden Prioritäten in den Regeln gesetzt (Bsp: Vögel weichen
Hindernissen eher aus, als dass sie zusammenbleiben.)
Eigenschaften der Schwarmanimation:
 Lässt sich mit Partikel-Animation und Keyframe-Animation
kombinieren
 gibt globale Kontrolle über den Schwarm, jedoch nicht die
Kontrolle über jedes einzelne Partikel
 übersichtlich aber keine direkte Kontrolle über die Objekte
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Vorteile gegenüber Keyframe Animation
 Wesentlich billiger
 Relativ wenig Zeitaufwand im Vergleich zur Keyframe-Animation
 Darstellung von komplexen physikalischen Prozessen in
Animationen möglich
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Inhaltsverzeichnis
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1.
2.
3.
4.
5.
Einführung
 Was ist Animation?
 Techniken der Computeranimation
Keyframe Animation
 Forward Kinematic
 Inverse Kinematic
Prozedurale Animation
 Prinzip
 Problem der prozeduralen Animation
 Partikelsysteme
 Schwarmanimation
 Vorteile gegenüber Keyframe Animation
Motion Capturing
 Geschichtliches
 Anwendungsgebiete
 Aufnahmetechniken
 Arten von Systemen
 Workflow
 Hersteller von Motion Capturing Systemen
 Vorteile gegenüber Keyframe und prozeduraler Animation
Fazit
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Geschichtliches
• Brilliance
 30 sekündiger Werbespot
 Erschien 1984
 Vollständig Motion Capture basiert
 Bewegungen wurden mittels Polaroid-Kameras fotografiert
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Geschichtliches
• Dozo - Don't Touch me

Musikvideo

Erschien 1989

Vollständig Motion Capture basiert

Erste synthetische Darstellerin
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Geschichtliches
• Computerspielindustrie
 Fifa 97
 Erschien 1996
• Filmindustrie
 Jurassic Park (1993)
 Toy Story (1995)
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Anwendungsgebiete
 Unterhaltungsindustrie




Biomedizin
Bewegungsanalysen in der Orthopädie
Pädiatrie und Neurologie
physikalische Therapien




Ingenieurwesen
Unfallforschung (Crashtests)
Visualisierung von Simulationen
virtuelles Prototyping
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Anwendungsgebiete
 Sport
 Optimierung der Performance
ovon Sportlern
 Militär
 Technisches Training
 Einsätze im Übungsspiel America’s Army
 Justiz
 Rekonstruktion und Animation von
Handlungsabläufen.
 Robotik
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Aufnahmetechniken
 Inside-In Systeme
Sensoren und Signalaufnahme befindet sich auf dem Körper
des Performers.
 Inside-Out Systeme
Sensoren befinden sich am Körper des Performers.
Signalaufnahme ist entfernt.
 Outside-In Systeme
Sensoren sind auf den Performer gerichtet.
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Arten von Systemen
 Elektromechanische Systeme
 Es werden elektromagnetische Anzüge (Exo-SkelettSysteme) genutzt.
 Potentiometer messen die Rotationen und die
Orientierungen der Gelenke.
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Arten von Systemen
 Elektromagnetische Systeme
 Es wird ein elektromagnetisches Feld durch die Sender
erzeugt.
 Die Empfänger, welche am Performer befestigt sind,
ermitteln Position und Orientierung.
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Arten von Systemen
 Optische Systeme
Es kommen Spezialkameras zum Einsatz.
Unterteilen sich in zwei verschiedene Aufnahmearten:
 Tracking mit aktiven Markern: Pulsierende Leuchtdioden
befinden sich auf dem Körper des Performers, wobei diese
von den Kameras erfasst werden.
 Tracking mit passiven Markern: Reflektierende, nicht
selbstleuchtende Marker befinden sich auf dem Körper des
Performers, die von den Infrarotpulsen der Spezialkameras
zum Reflektieren gebracht werden.
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Arten von Systemen
 Systeme mit Beschleunigungs-/Trägheitssensoren
(Inertialsysteme)
 basieren auf kleinen Beschleunigungssensoren
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Workflow
1.
2.
3.
4.
5.
Planung
Bewegungsaufzeichnung
Datenbereinigung
Nachbearbeitung
Abbildung der Bewegung auf eine zu animierende Figur
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Hersteller von Motion Capturing Systemen
 Marktführer bei optischen Systemen
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Hersteller von Motion Capturing Systemen
 Hersteller von Inertialsystemen
MVN
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Hersteller von Motion Capturing Systemen
 Hersteller von Inertialsystemen und
mechanischen Systemen
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Vorteile gegenüber Keyframe und prozeduraler
Animation





Relativ geringer Zeitaufwand
Geringerer Arbeitsaufwand
Geringere Kosten
Exaktere Bewegungsnachbildungen
Mehr Möglichkeiten bei der Nachbearbeitung
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Fazit
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Fragen?
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Hauptseminar WS06-07 Video
15.07.2016
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