Charak­ter­an­im­a­tion unter hier­arch­is­chen An­wendun­gen von ober­flächen­basier­ten Frei Form De­form­a­tion­en

Abbildung 1: 3ds Max Arbeitsumgebung mit Plugin (rechter Rand) und hochaufgelöstem Modell (26000 Punkte,links) deformiert durch niedrigaufgelöstes Kontrollmodell mit Skelett (6500 Punkte, rechts). Enlarge image
Abbildung 2: Kontrollmodell (rechts) mit Selektion von Punkten und deren automatisch berechneten begrenzten Einfluss (keine Beeinflussung des nahen rechten Beins) auf die Punkte des hochaufgelösten Modells (links). Enlarge image
Abbildung 3: Die integrierte posenbasierte Animation erlaubt die Interpolation von Posen (rechts) zum nachträglichen Entfernen der Artefakte des Linear Blend Skinning (Ellenbogen) oder zum Hinzufügen von sekundären Animationen (Muskel). Enlarge image

Diplomarbeit von Kai Oliver Wolter

Ansprechpartner: Frank Sennholz (Soul|Pix)

Motivation

Realistische, computergenerierte Bilder und Animationen spielen eine immer größere Rolle in der Unterhaltungsindustrie. Spielfilme, Werbe-, Musikvideos und Computerspiele setzen immer detailreichere Darstellungen von photorealistischen und stilistischen Charakteren, Objekten oder Szenen ein. Vor allem bei der Charakteranimation wurden in den letzten Jahren erhebliche Fortschritte vorgewiesen. Diese aufwendigen Visualisierungen stellen jedoch stetig steigende Anforderungen an die eingesetzte Software, Hardware und nicht zuletzt die Benutzer solcher Systeme. Das „Skinning“ eines Charaktermodells gerät hierbei zu einem immer zeitintensiveren Unterfangen. Dabei handelt es sich um das Versehen eines Modells mit einer hierarchischen Knochenstruktur und einer Zuordnung der Punkte des Modells zu einzelnen Knochen. Eine Deformationsfunktion (F:R3R3) führt dann zu einer weichen gewichteten Deformation des Modells bei Transformation der Knochen. Die sehr hohe Auflösung der Modelle erschwert nicht nur zunehmend den Prozess des Wichtens der Körperteile sondern erhöht auch die Zahl der rechenintensiven Deformationsoperationen in der Arbeitsumgebung und verhindert meist eine flüssige Animation in Echtzeit. Es müsste dem Benutzer möglich sein, in der Arbeitsumgebung mit weniger hochaufgelösten aber dennoch visuell ansprechenden Modellen zu arbeiten und lediglich im Rendering die hochaufgelösten Modelle zu verwenden.

Aufgabenstellung

Nach einer allgemeinen Vorstellung der gängigen Prinzipien im Character-Setup, soll im Rahmen der Diplomarbeit analysiert werden, inwiefern anatomische oder geometrische Deformationstechniken das “Skinning“ und die Charakteranimation effizienter gestalten können. Zu den geometrischen Techniken zählen z.B. die „Free Form Deformations“ nach Sederberg und Parry und andere volumen- und oberflächenbasierte Frei Form Techniken auf Bézier- oder S-Spline-Basis. Dabei soll auch untersucht werden, ob diese Deformationsverfahren neben polygonbasierten Charaktermodellen auch auf Subdivision Surfaces- oder Patch-Modelle anwendbar sind und inwiefern auch feinste Änderungen am Modell vorgenommen werden können ohne unbeabsichtigte Teile der Punktmenge zu deformieren.

Ziel der Arbeit

Ziel der Diplomarbeit ist es, unter Einfluss der Ergebnisse aus der Analyse, eine Technik als Plugin für das 3D Grafiksystem 3ds Max zu entwickeln® 6, mit der Charaktere über eine charakterähnliche Kontrollstruktur (polygonbasiertes Proxy) effizient deformiert und animiert werden können. Durch die Ähnlichkeit zum Originalmodell sollen Änderungen an diesem Proxy intuitiv auf das Originalmodell wirken und ästhetische sowie anatomische Aspekte erhalten bleiben. Eine Knochenstruktur soll nicht mehr direkt das Originalmodell deformieren, sondern sich indirekt über die Aussteuerung des Proxy auf das Originalmodell auswirken. Durch das Plugin soll das zeitaufwendige Wichten der Punkte des Originalmodells entfallen und das Arbeiten in der Szene durch Ausblenden des Originalmodells (Proxy sichtbar) wesentlich performanter werden.

Realisierung

Realisiert wurde ein Modifikator-Plugin für die 3D-Software 3ds Max unter Benutzung der Programmiersprache C++, welches den Mitarbeitern der Firma Soul|Pix gestattet, wesentlich flüssiger in den Arbeitsfenstern der Anwendung zu arbeiten. Dabei wurde besonders auf die Performance der implementierten Algorithmen wert gelegt und Konzepte umgesetzt, die z.B. die Probleme bei der Benutzung der euklidischen Distanz zur Beziehungsherstellung (Wichtung) lösen. Auf der anderen Seite wurden Werkzeuge integriert, die dem Benutzer erlauben, zu jeder Zeit Teile des Modells über angepasste Parameter selektiv neu zu binden oder z.B. über einen 3D-Pinsel die Wichtungen und somit die Deformationen zu korrigieren. Zudem wurde eine posenbasierte Deformation innerhalb des Plugins realisiert, welche dem Benutzer erlaubt, das hochaufgelöste Modell in kritischen Posen von Hand wie gewünscht zu gestalten. Die so erstellte Pose interpoliert das Plugin innerhalb der Animation, das heißt das Modell deformiert in solchen Posen automatisch wie vom Benutzer gewollt.

Links

Realisierung in Zusammenarbeit mit der Firma Soul|Pix, Hannover
Autodesk® Media and Entertainment (ehemals Discreet), Hersteller von 3ds Max®

Für weitere Informationen bitte E-Mail an diplom@kai-wolter.com