3D Studio Max Geschichte der 3D Animation

Inhalt:

Geschichte der Animation

Die Computeranimation
2D Technik
Pixelgrafik
Vekorgrafik
3D Technik
Konstruktion im Modeller
Der Shader
Beleuchtung und Kamera
Oberflächengestaltung
Flat-Shading oder konstante Schattierung
Computerunterstützung bei der Erstellung von Animationen

Verschiedene Verfahren zur Bildberechnung
Raytracing
Radiosity

Grundlagen – 3D Studio Max 4 / 5

Erfahrungen mit 3D Studio Max

Eigenes Statement zu 3D Studio Max 5

Neue Funktionen in 3D Studio Max 5

Screenshots 3D Studio Max

Quellennachweis

Geschichte der Animation

Ein sehr altes Beispiel des menschlichen Wunsches, Bewegung in Zeichnungen darzustellen, findet sich in einer Höhle in den Pyrenäen. Die 30.000 Jahre alte Höhlenmalerei zeigt einen Wildeber mit vier anstatt zwei Beinpaaren. Diese Technik der Mehrfachzeichnung von Gliedmaßen wird auch heute noch in Comics verwendet. Der Comicleser interpretiert dieses intuitiv als Bewegung.

Die Technik mehrere Zeichnungen nebeneinander anzuordnen, um so einen zeitlichen Verlauf eines Ereignises nachzuempfinden, ist bereits in japanischen Bildrollen aus dem 13.Jhrh. und in dem ägyptischen Buch der Toten Vorläufer enthalten. Der Wechsel zwischen verschiedenen Darstellungsarten, wie Totale oder Großaufnahme, gehörten schon damals zum Repertoire.

Ein anderes Verfahren beruht auf den Versuchen von John Paris (1785-1856), der Zeichnungen auf einer Kartonscheibe fixierte. Wurde die Scheibe mit entsprechend hoher Geschwindigkeit gedreht, konnte der Betrachter die einzelnen Bilder nicht mehr voneinander unterscheiden und bekam den Eindruck eine kontinuierliche Bewegung zu sehen.

Um die Filmtechniken unterscheiden zu können, werden im folgenden die Definitionen und Unterschiede der einzelnen Begriffe beschrieben: [lmdf1]

- Zeichentrickfilm. Wie der Name schon sagt, besteht die Animation aus einzelnen Zeichnungen. Dabei ist besonders zu berücksichtigen, daß nur durch Zeichnungen kein dreidimensionaler Eindruck gewonnen werden kann.
- Animationsfilm / Einzelbildtechnik. Die Terminologie ist hier leider nicht eindeutig. In der Literatur wird unter dem Begriff Animationsfilm eine Animation verstanden, die aus Fotos von realen Objekten zusammengesetzt ist.
- Schauspielfilm und Video. Eine Videokamera nimmt in gleichmäßigen Abständen Bilder einer Szene mit realen Bewegungen auf. Der Unterschied zum Animationfilm besteht darin, daß bei der Animation einzelne Fotos einer Szene erst später zu einem Film verbunden werden. Damit lassen sich Bewegungen erstellen, die nie in der Realität stattgefunden haben.

Der Zeichentrick wurde vor allen Dingen durch die Benutzung verschiedener Folien für Hintergrund und bewegter Objekte vereinfacht. Genauer wird diese Technik in den nächsten Kapiteln erklärt. Durch die schnellere Herstellung fand der Zeichentrickfilm in vielen Bereichen Verbreitung. Neben den Unterhaltungsfilmen, die besonders durch Walt Disney erfolgreich wurde, benutzte man Animationen für gesellschaftliche Aufklärungund politische Propaganda. Gegen Ende der fünfziger Jahre setzte sich in der Tricktechnik die Verbindung zwischen animierten Figuren mit dem normalen Schauspielfilm durch.

Die Computeranimation

Die Computeranimation kann unter verschiedenen Aspekten betrachtet und in Bereiche unterteilt werden. Die Animationstechniken unterscheiden sich auch aufgrund der verschiedenen Computergrafikformate. In der 2D-Technik werden Grafiken meist in Pixmaps angelegt.

Die 3D-Technik arbeitet nur mit Vektorgrafiken. In den folgenden Kapiteln werden Pixmap-Animation und Morphing im 2D beschrieben. Anschliessend wird die Modellierung von 3D-Welten und die Computerunterstützte Animation dargestellt. Anwendungsgebiete der Computeranimation sind z.B. Spiele, Präsentationen und Simulationen. Die Begriffe Animation und Simulation werden oft nicht sauber getrennt. Eine Simulation ist allgemein eine Nachbildung von Objektverhalten unter bestimmten physikalischen Gesetzen. Die Animation zeigt die wahrnehmbaren Veränderungen der Objekte in einer bestimmten Zeitspanne. Simulationen können allerdings vollkommen ohne Visualisierung stattfinden und bieten nur ein Endergebnis, gehören damit also nicht zur Animation.

2D-Technik

Pixelgrafik

Pixelgrafiken werden mit einem pixelorientierten Grafikprogramm erstellt. Zudem besteht die Möglichkeit eine Vorlage einzuscannen und im Computer weiterzuverarbeiten. Diese Programme bieten Funktionen zum Erzeugen und Manipulieren von Bildern. Veschiedene Elemente wie Kreise, Rechtecke, etc. können in das Bild eingefügt werden, Bildausschnitte z.B. vergrößert, gelöscht oder verfärbt werden. Spezielle Programme zum Bearbeiten von Fotos bieten zudem Funktionen, wie Kontrast- und Helligkeitsänderungen oder Farbfilter an. Die 2D-Grafiktechnik des Computers ähnelt in vielen Bereichen dem Zeichentrick. Die Trennung von bewegten Figuren und (mehrere) Hintergründen ist genauso wie in der analogen Folientechnik möglich. Diese Technik wird beispielsweise in Spielen eingesetzt. Animierte Pixmaps(Sprites) werden über einen starren Hintergrund bewegt.

Bei der Erzeugung von Computergrafik kann zwischen dem direkten und indirekten Modus unterschieden werden. Grafiksysteme, die Bilder im direkten Modus erzeugen können zwar vordefinierte Formen wie Rechtecke, Kreise oder Polygone in die Pixmap einfügen, der Benutzer kann jedoch nicht eine schon gezeichnete Form auswählen und verändern. Das Programm fügt die Formen direkt in die Grafik ein, ohne die Formen separat abzuspeichern. Manipulationen können auf Pixelebene vorgenommen werden. Eine Pixelmenge, häufig ein rechteckiger Bildausschnitt, kann ausgewählt und beispielsweise in Farbe und Größe verändert werden.

Vektorgrafik

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Vektorprogramme arbeiten im indirekten Modus. Der Benutzer kann im Gegensatz zum Pixelprogrammen hier jederzeit die zuvor plazierten Formen auswählen und editieren. Je nach Anwendung heißen die vordefinierten Formen auch Symbole, Schablonen oder Objekte. Die Objekte werden vom Grafiksystem mit den zugehörigen Attributen, wie Größe und Position, gespeichert. Dies ermöglicht die spätere Editierung der Objekte. Die Grafikobjekte werden in der Regel aus Linienzügen zusammengesetzt und im Grafiksystem als Vektoren abgespeichert, welche die einzelnen Linien repräsentieren.

Wird ein Objekt vom Benutzer verändert, erzeugt das Zeichenprogramm automatisch eine aktualisierte Grafik. Die Benutzung von Vektorgrafiken hat in der Animation Vorteile. Da die Attribute eines Grafikobjektes bei der Vektorgrafik mit abgespeichert werden, können alle Attribute auch animiert werden. So ist der Anwender nicht mehr auf die Animation von Pixelposition und -farbe beschränkt, sondern er kann Objekte auch in Größe, Position, Farbe und Form animieren.

3D-Technik

Den Arbeitsablauf einer Animationserstellung im 3D-Raum kann in vier Bereiche gegliedert werden, die im folgenden genauer erläutert werden:

1. Im Modeller legt der Benutzer Form, Größe und Position der Objekte im dreidimensionalen Raum fest.
2. Der Shader definiert Oberflächenstrukturen für Objekte mit optischen Eigenschaften wie Transparenz- und Reflexionsverhalten. Die einzelnen Objekte werden zu einer Szene zusammengefaßt. Außerdem werden Lichtquellen und Kamera positioniert.
3. Der Renderer berechnet(rendert) aus den Daten des Modellers und Shaders eine Grafik. Je nach verwendeten Renderverfahren werden Schattenwurf der Objekte, und Reflexion und Transparenz der Oberflächen berücksichtigt. ( Dieses Thema wird später unter „Verschiede Arten der Bildberechnung“ genauer behandelt. )

1) Die Konstruktion im Modeller

Modeller ermöglichen dem Benutzer die Eingabe von Grafikobjekten und deren Plazierung im dreidimensionalen Raum. Für die interne Verarbeitung und Darstellung der Körper im Modeller gibt es zwei vorherrschende Verfahren. 3D-Konstruktionsprogramme werden deshalb generell in zwei Arten unterschieden:

Der Polygonmodeller setzt Objekte aus einer Vielzahl kleiner Flächen(Polygone) zusammen. Polygone sind im Computer leicht zu verarbeiten. Die Speicherung und Berechnung einer Grafik aus Polygondaten ist sehr effizient. Allerdings fehlen oft die nötigen Details. Runde Formen wie bei Kugeln werden nur näherungsweise dargestellt. Deshalb können diese Körper nicht beliebig vergrößert und verformt werden.

Der Splinemodeller ( NURBS ) beschreibt Kurven und Körper anhand von Formeln. Splines berechnen Kurven aus zwei Endpunkten und zwei Kontrollpunkten, die die Stärke der Auslenkung eines Kurvenabschnitts bestimmen. Veränderungen können ohne Qualitätsverlust erfolgen. Außerdem lassen sich Oberflächenstrukturen(Texturen) leicht anpassen. Ein Nachteil ist der längere Aufbau einer Ansicht und Schwächen bei der Durchführung boolscher Mengenoperationen.

Um im Modeller ein 3D-Grafikobjekt zu erzeugen gibt es verschiedene Ansätze. Im folgenden werden die wichtigsten Methoden vorgestellt:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

- vordefinierte Primitive. Die einfachste Möglichkeit, 3D-Grafikobjekte zu konstruieren, ist die Benutzung von vordefinierten Primitiven des Konstruktionsprogramms. Zu den typischen Primitiven gehören Kreis, Rechteck, Pyramide, Zylinder, etc. Der Anwender muß nur noch Parameter wie Größe oder Ausdehnung bestimmen. Natürlich stehen auf diese Weise nur begrenzte Möglichkeiten offen.
- CSG. Um aus Primitiven komplexere Grafikobjekte zu erstellen, benutzen Konstruktionsprogramme das CSG-Verfahren (Constructive Solid Geometry). Dieses Verfahren bietet die Möglichkeit, Objekte mit Hilfe boolscher Mengenoperationen zu kombinieren

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

- Freehand. Eine andere Methode definiert einen Festkörper anhand seiner Oberflächen. Dieser Modus wird als Freehand bezeichnet. Der Benutzer kann beliebig Punkte im Raum positionieren und zu einer Oberfläche verbinden. Die Oberfläche muß allerdings geschlossen sein. Bei komplexen Objekten besteht zudem die Schwierigkeit, daß der Computer nicht zwischen Innen- und Außenbereich des Objektes unterscheiden kann.
- Rotations- und Translationskörper. Ein einfaches und schnelles Verfahren Festkörper zu konstruieren, ist die Translation oder Rotation zweidimensionaler Bereiche im 3D. Wie in Abb. zu sehen ist, definiert der Benutzer einen zweidimensionalen Querschnitt des Grafikobjektes. So sind zum Beispiel spitz zulaufende Gegenstände konstruierbar. Rotationskörper werden durch die Rotation eines 2D-Bereiches um eine Achse bestimmt. Beispiele für diese Methode sind Vasen, Flaschen oder Gläser.
- Das Skinning erlaubt unter Angabe einiger markanter Querschnitte des Objekts eine schnelle Konstruktion. Die Querschnitte werden dann vom Computer durch Linien verbunden.

2) Der Shader

Das Shading bestimmt die Beleuchtung, Oberflächengestaltung, Kameraposition und die Schattierungsqualität der Objekte.

Beleuchtung und Kamera

Der Benutzer kann im Shader zwischen drei Lichtquellen wählen.

- Ambientes Licht simuliert das natürliche Streulicht oder Umgebeungslicht. Es hat keine Richtung, und somit können Objekte keine Schatten werfen.
- Parallellicht oder gerichtete Lichtquelle trifft immer im gleichen Winkel auf die Objekte. Die Lichtquelle befindet sich sozusagen im Unendlichen. Diese Lichtart simuliert das Sonnenlicht.
- Lichter mit Position im Raum können verschiedene Arten von Scheinwerfern wie Kugel-, Klappenscheinwerfer, Halogen- und Laserlicht simulieren.

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