3D Animation

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3D Animationen

Geschichte der 3D Animationen

3D Studio Max

Lukas Dorn-Fussenegger

Werkstoffreferat, Lukas Dorn-Fussenegger

19.02.2003

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3D Animation

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Inhalt:

Inhalt

2

Geschichte der Animation

3

Die Computeranimation

4

2D Technik

4

Pixelgrafik

4

Vekorgrafik

5

3D Technik

5

Konstruktion im Modeller

6

Der Shader

7

Beleuchtung und Kamera

7

Oberflächengestaltung

7

Flat-Shading oder konstante Schattierung

8

Computerunterstützung bei der Erstellung von Animationen

8

Verschiedene Verfahren zur Bildberechnung

10

Raytracing

10

Radiosity

11

Grundlagen ­ 3D Studio Max 4 / 5

12

Erfahrungen mit 3D Studio Max

18

Eigenes Statement zu 3D Studio Max 5

19

Neue Funktionen in 3D Studio Max 5

20

Screenshots 3D Studio Max

22

Quellennachweis

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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 interpre-

tiert dieses intuitiv als Bewegung.

Die Technik mehrere Zeichnungen nebeneinander anzuordnen, um so einen zeitlichen Verlauf eines Ereignises nach-

zuempfinden, 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 Kartonschei-

be 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:

·

Zeichentrickfilm

. Wie der Name schon sagt, besteht die Animation aus einzelnen Zeichnungen. Dabei ist be-

sonders 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 rea-

len 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 Ob-

jekte 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.

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Die Computeranimation

Die Computeranimation kann unter verschiedenen Aspekten betrachtet und in Bereiche unterteilt werden. Die Animati-

onstechniken 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 darge-

stellt. 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 Objekt-

verhalten 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 Manipu-

lieren von Bildern. Veschiedene Elemente wie Kreise, Rechtecke, etc. können in das Bild eingefügt werden, Bildaus-

schnitte 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 Pix-

maps(Sprites) werden über einen starren Hintergrund bewegt.

Bei der Erzeugung von Computergrafik kann zwischen dem direkten und indirekten Modus unterschieden werden. Gra-

fiksysteme, 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 verän-

dern. 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 ausge-

wählt und beispielsweise in Farbe und Größe verändert werden.

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Vektorgrafik

Vektorprogramme arbeiten im

indirekten Modus

. Der Benutzer kann im Ge-

gensatz zum Pixelprogrammen hier jederzeit die zuvor plazierten Formen aus-

wählen und editieren. Je nach Anwendung heißen die vordefinierten Formen

auch Symbole, Schablonen oder Objekte. Die Objekte werden vom Grafiksys-

tem 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 Be-

nutzung 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 Re-

flexionsverhalten. Die einzelnen Objekte werden zu einer Szene zusammengefaßt. Außerdem werden Licht-

quellen 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:

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Der

Polygonmodeller

setzt Objekte aus einer Vielzahl kleiner Flächen(Polygone) zusammen. Polygone sind im Com-

puter 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. Verän-

derungen können ohne Qualitätsverlust erfolgen. Außerdem lassen sich Oberflächenstrukturen(Texturen) leicht anpas-

sen. Ein Nachteil ist der längere Aufbau einer Ansicht und Schwächen bei der Durchführung boolscher Mengenoperati-

onen.

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

Methoden vorgestellt:

·

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

Boolscher Körper ( Würfel minus Kugel )

Solid Geometry). Dieses Verfahren bietet die Möglichkeit, Objekte mit

Hilfe boolscher Mengenoperationen zu kombinieren

·

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.

Rotationskörper

·

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.

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· 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-, Klappenscheinwer-

fer, Halogen- und Laserlicht simulieren.

Zu der Modellierung von Lichtquellen gehört die Definition der Position, Form (beispielsweise Punkt, Fläche und Kugel),

der Intensität, mit der die Lichtquelle strahlt, und dessen Farbe. Für die Kamera kann der Benutzer dessen Position

bestimmen. Einige Shader bieten zudem noch unterschiedliche Objektivarten (z.B. Weitwinkel) und Farb- oder Nebelfil-

ter an. Da die Beleuchtung eine lange Tradition in der Fotografie und im Film hat, sollte bei diesem Thema Fachliteratur

zu Rate gezogen werden. Das gleiche gilt für die Kameratechnik. Viele Anwendungen simulieren bei der Betrachtung

herkömmliche Spiegelreflexkameras. Das Wissen über Blendeneinstellungen und Belichtungszeiten ist also von hohem

Nutzen.

Oberflächengestaltung

Ein Shaderprogramm bietet dem Benutzer die Möglichkeit, Oberflächen für die im Modeller erstellten Objekte zu erzeu-

gen. Oberflächen können Muster aufweisen, jedoch auch spezielle Leuchteigenschaften besitzen. Die

Reflexionseigen-

schaften

verschiedener Materialien unterscheiden sich in

diffuser Reflexion

und

spiegelnder Reflexion

.

Die

diffuse Reflexion

verteilt reflektierendes Licht gleichmäßig in alle Richtungen. Das Objekt wirkt dadurch stumpf(z.B.

Kreide).

Andere Objekte glänzen und reflektieren das Licht in eine bestimmte Richtung (z.B. Spiegel). Dieses nennt sich

spie-

gelnde Reflexion

. Hinzu kommt noch, das ein Objekt lichtdurchlässig(transparent) sein kann. Ein Lichtstrahl kann von

einem transparenten Objekt in seiner Richtung abgelenkt werden(Lichtbrechung). Trifft ein Lichtstrahl senkrecht auf

eine Oberfläche, weist die Oberfläche oft ein Glanzlicht auf. Die Stärke dieses Effektes (Specular) läßt sich in den meis-

ten Shading-Programmen steuern.

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Flat-Shading oder konstante Schattierung

Bei der Modellierung von gekrümmten Flächen mit Hilfe von Polygonenmodellern, stellen die Polygone nur eine Annä-

herung an das Grafikobjekt dar. Werden die Polygone konstant schattiert, ensteht dadurch ein ,,facettiertes`` Objekt.

Um diese Polygonfacetten zu vermeiden und eine gleichmäßig gekrümmte Fläche aus einem Polygongitter zu erstellen,

benutzt eine Rendering-Programm

Schattierung durch Interpolation

. Ziel dieser Methode ist es, die Schattierungs-

werte nur an wenigen Punkten des Polygongitters zu berechnen und die anderen Punkte aus den berechneten Werten

zu interpolieren. Diese Schattierungsmethode soll anhand des Gouraud- und Phongshadings erklärt werden:

·

Gouraud-Shading

berechnet nur für Knotenpunkte die Farbwerte. Die Farbwerte

der Punkte, die auf einer Kante zwischen zwei Knoten liegen, werden interpoliert.

Sind so alle Punkte auf den Kanten berechnet worden, wird das Innere der Poly-

gone durch Interpolation bestimmt. Gouraud-Shading liefert abgerundete Flächen

mit realistischer Schattierung.

·

Phong-Shading

berechnet wie das Gouraud-Shading die Knotennormalen. Aller-

dings werden dann nicht Farbwerte, sondern Richtung und Größe der Normalen

interpoliert. Das hat den Vorteil, daß Glanzlichter auch in der Mitte eines Polygons,

darstellbar sind. Glanzlichter treten auf einer Objektoberfläche immer dann auf,

wenn das Licht senkrecht auf das Objekt fällt. Phong-Shading bietet auch die

Möglichkeit, Transparenz eines Objektes zu simulieren. Allgemein bietet sich die-

se Methode besonders für realistische Beleuchtungen an. Durch Spiegel- und Schattensimulation erhält das

berechnete Bild zusätzlichen Fotorealismus.

Computerunterstützung bei der Erstellung von Animationen

Bei der Erstellung einer Animation müssen generell die drei verschiedenen Bereiche der Beleuchtung, Kamera und der

Objekte beachtet werden. Jeder dieser Bereiche kann in Zustand und Position geändert werden.

Ein bewegtes Licht kann zum Beispiel ein Autoscheinwerfer sein. Sonnenauf- und Untergänge sind Beispiele für die

Animation der Intensität und Farbe einer Lichtquelle.

Bei der Kamera gehören Schwenks und Fahrten durch die Szene zu den Bewegungsanimationen. Zu den wichtigsten

Funktionen, die ein Animationsprogramm zur Verfügung stellt, um den Benutzer bei der Erstellung einer Animation zu

unterstützen, gehören die

Zwischenbildanimation

und die

Pfadanimation

. Diese beiden Verfahren sind in allen Animati-

onsprogrammen enthalten und sollen näher vorgestellt werden.

Die

Zwischenbildanimation

ermöglicht die automatische Erzeugung von Zwischenbildern bei Vorgabe von Schlüssel-

szenen. Schlüsselszenen sind vom Benutzer vorgegebene Bilder ( Frames ), die in der Animationssequenz vorkommen

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und wichtige Abschnitte der Animation repräsentieren. Nötig sind mindestens ein Anfangs- und Endbild einer Sequenz,

um daraus Zwischenbilder zu generieren.

Die

Pfadberechnung

vereinfacht die Bewegungsanimation von Grafikobjekten. Das Objekt wird entlang eines frei defi-

nierbaren Pfades zu einer Zielposition bewegt. Der Pfad wird häufig durch einen Spline ( eine Linie im Raum ) reprä-

sentiert. Bei der Erzeugung der Animation durch den Computer werden Geschwindigkeitswerte sowie Beschleuni-

gungs- und Bremswerte berücksichtigt, um eine natürliche Verhaltensweise der Grafikobjekte zu simulieren.

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3) Verschiedene Verfahren zu Bildberechnung

Eines der herausragendsten Ziele der Computergrafik besteht darin, möglichst realistisch wirkende dreidimensionale

Bilder synthetisch mit Hilfe des Computers zu generieren.

Entscheidend hierfür ist neben der exakten Modellierung der Szene (3d-Modelle mit ihren Oberflächeneigenschaften,

Lichtquellen und Kameraeinstellungen etc.) in erster Linie die genaue Bestimmung der Lichtverteilung auf den Oberflä-

chen der Objekte, welche sich aus der Beleuchtung durch direkte und indirekte Lichtquellen und der Interaktion mit

anderen Körpern (Schattenbildung) ergibt.

Die Berechnungsalgorithmen können diese komplexen Vorgänge in der realen Welt aber nicht vollständig erfassen und

vereinfachen diese deshalb nur. Sie können in lokale oder globale Beleuchtungsverfahren eingeteilt werden:

·

lokale Beleuchtungsverfahren

berücksichtigen nur die Interaktion zwischen einer oder mehrerer Lichtquellen

mit den Oberflächen der Körper, nicht jedoch die Wirkung zusätzlicher Flächen auf die Lichtausbreitung. Effek-

te wie Schattenwurf und Reflexion bleiben somit unberücksichtigt, was eine einfache und schnelle Berechnung

ermöglicht. Die wichtigsten Beispiele für lokale Beleuchtungsmodelle sind das Gouraud- und Phong-Shading.

·

globale Beleuchtungsverfahren

: Die möglichst realitätsnahe Wiedergabe einer Szene steht im Vordergrund.

Diese Verfahren berücksichtigen stets auch Phänomene wie Schattenwurf, Transparenz und Reflexion, können

aber freilich auch nicht sämtliche physikalischen Phänomene simulieren. Je nach Anwendungsbereich kommen

daher zwei verschiedene Techniken,

Ray-Tracing

und

Radiosity

, zum Einsatz, von denen jede ihre spezifi-

schen hat.

Ray-Tracing ("Strahlverfolgung")...

Das ältere der beiden Verfahren, simuliert den Prozess der

Lichtausbreitung durch das Verfolgen einzelner Lichtstrahlen. Da

nur die Photonen von Interesse sind, die das Auge auch tatsäch-

lich erreichen, kehrt man das physikalische Modell um und be-

trachtet sogenannte Sehstrahlen, die vom Auge ausgehend

durch jedes Pixel der Bildschirmebene in die Szene geschickt

werden (Abbildung).

Um die Schattenbildung miteinzubeziehen, werden nur jene Lichtquellen berücksichtigt, die vom Auftreffpunkt des Seh-

strahls aus sichtbar sind. In der Praxis wird die Beleuchtung stets für jede der drei Grundfarben einzeln ermittelt, was

farbige Bilder ermöglicht. Dieses Verfahren hat den Vorteil, das für Szenen, die nur wenige Reflexionen besitzen nur

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wenig Rechenzeit benötigt wird. Der Nachteil ist das Licht nicht wirklich simuliert wird. Man stellt sich dazu am besten

ein Zimmer mit einem Fenster vor, in dem keine Lichtquelle existiert. Wenn von draußen nun Sonnenstrahlen hereinfal-

len, so werden nur die direkt beleuchteten Stellen auch im Bild beleuchtet ­ alles andere bleibt dunkel.

Radiosity

Da Ray-Tracing bei einigen physikalischen Phenomenen deutlich Schwächen zeigt, begann man nach anderen Algo-

rithmen zu suchen. Mit Radiosity wurde ein, in gewisser Weise komplementäres Beleuchtungsverfahren entwickelt.

Die zugrundeliegende Idee dabei ist, nicht einzelne Licht- bzw. Sehstrah-

len zu verfolgen, sondern den Energieaustausch zwischen Flächenele-

menten zu betrachten:

Die 3D-Szene wird also in diese Flächenelemente aufgeteilt (patches

genannt). Luminaires (Lichtquellen) senden nun (Licht-)Energie, die von

den (nichtüberdeckten) patches aufgenommen wird, aus. Abhängig von

der Oberflächeneigenschaft der patches wird ein Teil der Energie absor-

biert, der andere in die Umgebung reflektiert. (und zwar geht Radiosity

davon aus, daß alle Flächen die Energie ideal diffus, also in alle Richtun-

gen gleichmäßig streuen).

Im nächsten Schritt wird dann die reflektierte Energie betrachtet, Jedes Flächenelemente mit reflektierter Energie könn-

te also als "Lichtquelle" angesehen werden und wird auch so behandelt. Schritt für Schritt wird nun die "Energiegrund-

menge" abgebaut, bis sie vollständig absorbiert ist.

Die Anzahl der nötigen Iterationen ( also der Durchgänge ) ist von Szene zu Szene unterschiedlich. Es ist aber nicht

nötig die Berechnung so lange laufen zu lassen, bis die gesamte Energie abgebaut wurde, denn je mehr Schritte ge-

gangen werden, desto kleiner sind auch die ausgetauschten Energien. Am Ende werden also kaum noch Unterschiede

sichtbar sein...

Diese Art der Berechnung hat den Nachteil, das es sehr rechenintensiv ist, dafür wird man mit einer korrekten Beleuch-

tung belohnt. Ein Vorteil ist, das diese Berechnung für die ganze Animation nur einmal durchgeführt werden muss, so-

lange sich im Aufbau der Szene nichts wesentlich ändert.

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Grundlagen - 3D Studio Max 4 / 5

Die Basisfunktionen des Programmes 3D Studio Max lassen sich einfach bei dem Erstellen eines simplen Tisch erklä-

ren.

Nach dem Programmstart ist das Fenster in veschiedene Bereiche gegliedert:

vier Ansichten:

· oben

· links

· vorne

· Perspektive ( 3D Ansicht )

Drei Symbolleisten:

· Oben: Verschieben, Kopieren, Rendern, etc

· Rechts: Alle Funktionen die für die Bearbeitung

von Objekten

· Unt

en:

Zei

tlei

ste

,

Ko

m

ma

nd

oz

eile

Mit einem Rechts-Klick auf das Perspektive-Fenster öffnet sich ein Menü, in dem die Darstellung der Objekte bestimmt

werden kann.

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Wenn die Option ,,Glatt + Glanzpunkte" gewählt ist, wer- Bei der der Option ,,Drahtgitter": ( besonders für kompli-

den die Objekte wie folgt angezeigt:

zierte Szenen geeignet ),

Um einen Tisch zu erstellen werden vier Tischbeine und eine Tischplatte benötigt:

Figurprimitive ( Zylinder) :

Erstellen eines Zylinders: Erstellen(1) > Grundkörper(2) >Zylinder(3) wie im folgenden Bild:

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Parametisierung

Dachdem das Tischbein markiert ist, findet man auf der rechten Symbolleiste die Parameter des Objektes. Nun sind die

Werte so einzustellen wie in der Abbildung gezeigt.

Klonen

Um diese Schritte nicht jedesmal wiederholen zu müssen, klickt man auf ,,Bearbeiten" > ,,Klonen" in der Menüleiste

oben.

Mit dieser Funktion wird eine 1:1 Kopie des jeweiligen Objektes erstellt.

Verschieben

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Ansichten nutzen

Die vier Objekte müssen nun richtig angeordnet werden. Am einfachsten ist es wenn man die Ansicht oben betrachtet,

und die Kreise ( Zylinder von oben ) anordnet.

Figurprimitive ( Quader ) :

Als nächster Schritt wird eine Tischplatte erstellt. Diese ist genauso zu erstellen wie auch

die Zylinder. ,,Erstellen" (1) > ,,Standard Grundkörper" (2) > ,,Quader" (3). Die Werte sind so

einzustellen, das sie in den Proportionen zu einem Tisch passen.

Da die Tischplatte dann am Boden liegt, ist sie nach oben zu verschieben. Dazu verwen-

det man am besten eine Darstellung von Vorne oder von der Seite.

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Rendern

1 > Wie viele Bilder sollen berechnet werden

2 > Auflösung in Pixel

3 > Speicherort der Datei

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Fertig gerenderter Tisch

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Erfahrungen mit 3D Studio Max

Für das Erstellen von Logos ( sofern man sich in dem Programm zurechtfindet ) ist 3D Studio Max meiner Meinung

nach sehr gut geeignet, da man schnell verschiedene Ansichten von dem Logo erstellen kann.

Wärend meiner Arbeit mit 3D Studio Max 5 lernte ich, selber Oberflächen zu entwerfen, und nicht auf Bibliotheken zu-

rückzugreifen. Bisher hatte ich nur mit matten Oberflächen gearbeitet, somit wurde das Erstellen von einer metallenen

Oberfläche für mich zu einer Herausforderung.

Eine Metall-Oberfläche ist deshalb schwerer herzustellen, da sich in der Oberfläche die Umgebung

spiegelt. Für mich war besonders ein Tipp in einer Fachzeitschift ( 3D Live ) eine große Hilfe, die mir

zeigte, wie diese Hürde zu meistern ist.

In 3D Studio Max kann jeder Oberfläche eine Reflexion zugewiesen werden, die sich in dem Objekt

unabhängig von der Umgebung spiegelt. Um einen metallischen Eindruck von der Oberfläche zu be-

kommen, legt man als Reflexionsreferenz eine Bilddateil fest, die drei Farbverläufe mit gegensätzlichen

Richtungen. Wenn man mehr als drei Farbverläufe angibt, bekommt man einen Eindruck, als wäre das Objekt aus

Chrom.

Um ein mattes Metall zu erhalten, das beim Betrachten aussieht wie Aluminium öffnet man das Bild im

Programm Adobe Photoshop, und geht auf ,,Filter" ­ ,,Weichzeichnen" ­ Gausscher Weichzeichner und

gibt dort einen Wert ein, die die Konturen des Bildes stark verschwimmen lässt.

Nach dem Speichern muss man die Oberfläche erneut im 3D Studio Max laden, und die Szene neu

Rendern.

Für die Plättchen in meinem Logo habe ich die Objekte ChamferBox verwendet. Mit dem Objekt ChamferBox kann man

Quader erzeugen, deren Kanten abgerundet werden können, ohne das die Anzahl der Polygone extrem steigt. Außer-

dem bieten diese Objekte den Vorteil, dass durch die Run-

dungen die Metalloberfläche stark betont werden.

Da sich die Reflexionen besonders auf den runden Flächen

besonders betonen lassen.

Um eine schöne Oberfläche mit den Reflexionen zu erhalten,

musste ich das Antialaising ( Kantenglättung auf den Oberflä-

chen ) aktivieren, was zwar den Vorteil hatte, das die Refle-

xionen weich und realistisch wurden, allerdings barg es auch

einen großen Nachteil in sich: die Renderzeiten pro Bild

wuchsen von rund 30 Sekunden bei 1024x768 Pixel Auflö-

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sung und einer geringen Anzahl der Polygone ( rund 19.000 ) auf eine 1 Minute und 25 Sekunden. Die Renderzeit ist

ein wichtiger Aspekt für die Animation von Szenen.

Eigenes Statement zu 3D Studio Max 5

3D Studio Max 5.0 ist ein sehr gutes Tool für das Erstellen von diversen Arbeiten im 3D Bereich wenn zumindest die

Basisfunktionen beherrscht werden. Wenn man rasch ein Logo in 3D Studio Max erstellen möchte, sich aber noch nie

mit dem Programm intensiv auseinandergesetz hat, ist mit den komplexen Funktionen und Teilbereichen schnell über-

fordert. Als Einsteiger ist man aus verschiedensten Programmen verschiedenste Strukturen gewöhnt, die aber dennoch

von der Anordnung her meistens ähnlich

sind. 3D Studio Max geht in vielen Punkten

eigene Wege ­ die Navigation und das Ar-

beiten in einer 3D Welt sind grundsätzlich

anders als in einem 2D Bildbearbeitungspro-

gramm.

Die meisten Funktionen sind im täglichen

Workflow überflüssig, so bietet das Pro-

gramm Funktionen die z.B. das verbiegen

von Metall unter Krafteinwirkung simulieren,

oder auch die Kollision von Objekten unter

berücksichtigung von Wind, Schwerkraft und

Oberflächenspannung.

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Neue Funktionen in 3D Studio Max 5

Die Version 5 von 3D Studio Max entält wenige große Neuerungen. Wenn man mit den älteren Versionen von 3D Stu-

dio Max vetraut ist, so fällt einem jedoch auf, das verschiedene Funktionen stark vereinfacht wurden:

Das Rotieren, Verschieben und das Ändern der Größe kann nun in jedem Viewport ( Ansichtsfenster ) erledigt werden,

da in diesem die XYZ Achse zur jeweiligen Funktion angezeigt werden. So ist es nun auch viel einfacher geworden, ein

Objekt zu stauchen ( nur eine Seite verkürzen ).

Früher:

Version 5:

Neu hinzugekommen ist auch ein Tool für Radiosity (korrekte Berechnung von

Licht), welches zwar nicht gerade einfach zu erlernen ist, aber einem doch jede

Menge Arbeit in Sachen Beleuchtung abnimmt.

Radiosity -Tool in 3D Studio Max 5

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Arbeitsoberfläche von 3D Studio Max 5, gezeigt wird ein Boolsches Objekt ( Kombination Würfel ­ Kugel )

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Quellen

:

A. Iwainisky and W Wilhelmi.

Lexikon der Computergraphik und Bildverarbeitung

.

Vieweg und Sohn Verlagsgesellschaft mbH, 1994.

Foley, van Dam, and Feinerand Hughes.

Computer Graphics

.

Addison-Wesley Publishing Company, 1990.

John Landsdown and R.A. Earnshaw.

Computers in Art, Design and Animation

.

Springer-Verlag, New York Inc., 1989.

James D. Foley, Andries van Dam, Steven K. Feiner, John F. Hughes, and Richard L. Phillips.

Grundlagen der Computergraphik

.

Addison-Wesley (Deutschland) GmbH, Bonn, 1 edition, 1994.

H. Freytag.

Tageslicht Kunstlicht Blitzlicht

.

Wilhelm Knapp Verlag, Düsseldorf, 1976.

J. Bischoff.

Medienpraxis

.

Fachkommision Bildende Kunst / Visuelle Kommunikation, Universität Oldenburg, 1989.

Nadia Magnenat Thalmann and Daniel Thalmann.

Computer Animation

.

Springer-Verlag, 1990.

Internet-Quellen:

http://www.gfx-scene.de ­ 28.11.2002

http://www.tnt.uni-hannover.de/stud/nikolaos/files/lit/bildverarbeitung/VL10.pdf - 28.11.2002

http://www.planet-tutorials.com/tutorials_3d_001.php - 12.12.2002

http://kb-bmts.rz.tu-ilmenau.de/franke/Scripte/Grafik/Ergaenzung_Radiosity.pdf - 12.12.2002

http://kb-bmts.rz.tu-ilmenau.de/Franke/I_Scripte.htm -17.12.2002

http://www.uni-paderborn.de/fachbereich/AG/agdomik/computergrafik/cg_skript/html/main.htm - 18.12.2002

Werkstoffreferat, Lukas Dorn-Fussenegger

19.02.2003

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