Die Anzahl und die Perfektion visueller Effekte in Spiel- und Werbefilmproduktionen hat in den letzten Jahren stark zugenommen. Dementsprechend hoch sind die Anforderungen an die Postproduktion. Die Erstellung visueller Effekte und computergenerierter Objekte ist in der Regel sehr arbeits- und zeitaufwendig. Häufig findet in diesem Zusammenhang eine Kombination von Bildmaterial verschiedener Quellen statt und es werden nachträgliche Manipulationen am Bildmaterial vorgenommen. Um den Zeitaufwand zu minimieren und die Flexibilität zu erhöhen, wird kontinuierlich nach neuen Ansätzen gesucht. Eine Möglichkeit dafür besteht in der Verwendung von Normalmaps. Deren Einsatz in der Postproduktion kann den Arbeitsprozess beschleunigen und ermöglicht flexibleres Arbeiten am Bildmaterial. Sie werden hierbei als Repräsentation dreidimensionaler Informationen in zweidimensionalen Bilder genutzt.
Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, die Einsatzmöglichkeiten von Normalmaps in der Postproduktion darzustellen, zu untersuchen und zu bewerten. Dazu wird der komplette Arbeitsprozess von der Erstellung der Normalmaps bis zum Endergebnis anhand ausgewählter Software und bisher in der Praxis verwendeter Verfahren betrachtet.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
2 Grundlagen
2.1 Mathematische Grundlagen
2.2 Physikalische Grundlagen
2.3 Physiologische Grundlagen
2.4 Computergrafische Grundlagen
2.4.1 2D-Computergrafik
2.4.2 3D-Computergrafik
2.4.3 2½D-Computergrafik
3 Die Normalmap
3.1 Generierungsvorschriften
3.2 Typen von Normalmaps
3.2.1 Unterscheidung nach dem Referenzkoordinatensystem
3.2.2 Unterscheidung nach Bent und True Normalmaps
3.2.3 Unterscheidung nach 180° und 360° Normalmaps
3.3 Normal-Mapping-Technik
4 Erstellung von Normalmaps für die Postproduktion
4.1 Geeignete Typen
4.2 Geeignete Dateiformate
4.3 Erstellung für computergenerierte Objekte
4.3.1 Normals Shader
4.3.2 Normals Pass
4.3.3 Normals Channel
4.3.4 Erstellung aus einer Tiefenmap
4.3.5 Empfehlungen zur Erstellung
4.4 Erstellung für reale Objekte
4.4.1 Shape from Shading
4.4.2 Photometric Stereo
4.4.3 Erweiterungen des Photometric Stereo
4.4.4 Manuelle Erstellung mit Bildbearbeitungs-Software
5 Anwendungsgebiete in der Postproduktion
5.1 Relighting
5.1.1 Vorbetrachtungen
5.1.2 Manuelles Relighting auf Basis digitaler Farbkorrektur
5.1.2.1 Vorgehensweise
5.1.2.2 Bewertung
5.1.3 Spezielle Möglichkeiten ausgewählter Compositing-Software
5.1.3.1 Vorstellung ausgewählter Werkzeuge
5.1.3.2 Bewertung
5.1.4 Plugins
5.1.4.1 Vorstellung ausgewählter Plugins
5.1.4.2 Bewertung
5.1.5 Speziell für das Relighting realer Objekte entwickelte Verfahren
5.1.5.1 Vorstellung ausgewählter Verfahren
5.1.5.2 Bewertung
5.1.6 Fazit
5.1.7 Bewertung der Eignung der manuell erstellten Normalmaps für das Relighting
5.2 Retexturing
5.2.1 Vorbetrachtungen
5.2.2 Vorstellung ausgewählter Möglichkeiten
5.2.3 Bewertung
6 Zusammenfassung und Ausblick
Zielsetzung & Themen
Die vorliegende Arbeit untersucht den Einsatz von Normalmaps zur Optimierung des Postproduktionsprozesses, insbesondere im Bereich des Compositings, um die Flexibilität bei der nachträglichen Manipulation von Bildmaterial zu erhöhen und den Zeitaufwand für Rendering-Prozesse zu reduzieren.
- Mathematische und physikalische Grundlagen der Normalenberechnung und -darstellung.
- Methoden zur Erstellung von Normalmaps für computergenerierte sowie reale 3D-Objekte.
- Analyse verschiedener Verfahren des nachträglichen Relightings mittels Normalmaps.
- Untersuchung von Anwendungsmöglichkeiten im Bereich des Retexturings.
- Bewertung der Effizienz und Qualität von manuell erstellten versus softwaregenerierten Normalmaps.
Auszug aus dem Buch
4.4.4 Manuelle Erstellung mit Bildbearbeitungs-Software
Für die vorliegende Arbeit wurde in Anlehnung an die zuvor vorgestellten Verfahren eine Methode entwickelt, die die Erstellung von Normalmaps von realen Objekten auf Basis von Fotografien mit Hilfe von Bildbearbeitungs-Software ermöglicht. Diese Methode wird in diesem Abschnitt beschrieben, die Bewertung der Ergebnisse erfolgt an späterer Stelle (vgl. Abschnitt 5.1.6).
Für die Umsetzung des entwickelten Verfahrens wurde eine Spiegelreflexkamera (über einen Computer angesteuert) und eine diffuse Lichtquelle verwendet. Analog zum Photometric Stereo Verfahren (vgl. Kap 4.4.2) wurden zunächst Bilderserien erstellt, für die unterschiedliche Objekte aus verschiedenen Richtungen beleuchtet, aber von einem festen Standpunkt aus, aufgenommen wurden. Die Umgebung darf dabei weder Schatten noch reflektiertes Licht auf die Objekte werfen. Die Versuchsobjekte wurden von oben und unten, von links und rechts, sowie von vorn beleuchtet (vgl. Abb. 4.3). Eine Beleuchtung von hinten ist nicht notwendig, da die Rückseite aufgrund dessen, dass die Normalmap nur ein 2½D-Abbild des Objekts darstellt, nie sichtbar sein wird. Bei der Aufnahme ist darauf zu achten, dass die Schatten, die das Objekt auf sich selbst wirft, nicht zu stark ausgeprägt sind, da diese die entstehende Normalmap ebenso wie beim Photometric Stereo Verfahren verfälschen. Ungewollte Schatten müssen dementsprechend in der Bildbearbeitungs-Software retuschiert werden.
Mit Hilfe der Software Adobe Photoshop CS3 wurden zunächst die Farbinformationen entfernt, um lediglich die relevanten Helligkeitsunterschiede zu nutzen. Dazu wurden die Fotografien in Graustufenbilder konvertiert. Im nächsten Schritt erfolgte die Konvertierung in Duplex-Bilder. Ein Duplex-Bild ist ein Bild, dass statt Abstufungen zwischen Schwarz und Weiß, wie in einem Graustufenbild, Abstufungen zwischen Weiß und einer selbst gewählten Farbe enthält. Das Referenzkoordinatensystem spielt bei der Erstellung von Normalmaps aus Fotografien keine Rolle, da es für die Verwendung in der Postproduktion unrelevant ist (vgl. Abschnitt 3.2.1). Demzufolge ist es nicht wichtig,
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Diese Einleitung führt in die steigende Bedeutung visueller Effekte ein und definiert das Ziel der Arbeit, die Einsatzmöglichkeiten von Normalmaps im Postproduktionsprozess zu untersuchen und zu bewerten.
2 Grundlagen: Das Kapitel erläutert die mathematischen, physikalischen und computergrafischen Basisdaten, die für das Verständnis der Funktionsweise und Speicherung von Normalen in der 3D-Grafik unerlässlich sind.
3 Die Normalmap: Es wird die Struktur und Klassifizierung von Normalmaps behandelt, inklusive der Unterschiede zwischen Referenzkoordinatensystemen sowie True- und Bent-Normalmaps.
4 Erstellung von Normalmaps für die Postproduktion: Hier werden praxisnahe Methoden vorgestellt, wie Normalmaps sowohl für rein computergenerierte Daten als auch durch Analyse realer Aufnahmen generiert werden können.
5 Anwendungsgebiete in der Postproduktion: Dieser Hauptteil analysiert detailliert die Verfahren des Relightings und Retexturings mittels Normalmaps und bewertet deren Einsatz in der aktuellen Produktionspraxis.
6 Zusammenfassung und Ausblick: Der Abschluss resümiert die Potenziale und Grenzen von Normalmaps in der Postproduktion und gibt einen Ausblick auf künftige Entwicklungen im Bereich der 2½D-Effekte.
Schlüsselwörter
Normalmap, Postproduktion, Compositing, Relighting, Retexturing, 3D-Computergrafik, Normale, Photometric Stereo, Light Stage, Bildbearbeitung, Tiefenmap, Oberflächeneigenschaften, Shader, 2½D-Effekte, Render-Passes
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Diplomarbeit?
Die Arbeit untersucht den Einsatz von Normalmaps, um die Flexibilität in der Postproduktion zu erhöhen und den Workflow bei der Manipulation von Bildmaterial zu beschleunigen.
Was sind die zentralen Themenfelder der Untersuchung?
Im Fokus stehen die theoretischen Grundlagen der Computergrafik, die Methoden der Normalmap-Erstellung sowie deren praktische Anwendungsmöglichkeiten beim nachträglichen Beleuchten (Relighting) und Ändern von Texturen.
Welches primäre Ziel verfolgt die Forschungsarbeit?
Das Ziel ist es, Einsatzmöglichkeiten von Normalmaps im Compositing-Prozess zu analysieren, Vor- und Nachteile gegenüber klassischen Renderverfahren aufzuzeigen und deren Eignung für verschiedene Produktionsszenarien zu bewerten.
Welche wissenschaftlichen Methoden kommen zum Einsatz?
Neben einer umfassenden Literaturanalyse wurden eigene praktische Methoden zur Erstellung von Normalmaps aus realem Bildmaterial mittels Bildbearbeitungs-Software entwickelt und in der Praxis getestet.
Welche Aspekte werden im Hauptteil besonders hervorgehoben?
Der Hauptteil behandelt die technischen Spezifikationen bei der Generierung von Normalmaps und vergleicht verschiedene Software-Workflows und Plugins, die in der Postproduktion für Licht- und Oberflächenmanipulationen genutzt werden.
Welche Schlagworte charakterisieren diese Arbeit?
Schlüsselbegriffe sind Normalmap, Postproduktion, Compositing, Relighting, Retexturing, 3D-Effekte und Image-Based Material Editing.
Wie unterscheidet sich das manuelle Relighting von softwareinternen Plugins?
Das manuelle Relighting basiert auf der Farbkorrektur und bietet hohe Flexibilität, erfordert jedoch mehr Aufwand, während spezialisierte Plugins oft automatisiert Schattenberechnungen oder Refraktionen unterstützen.
Warum ist die Erstellung von Schatten bei dieser Technik eine Herausforderung?
Da Normalmaps auf einer 2½D-Repräsentation basieren, fehlt die Information über die vollständige Geometrie, weshalb fotorealistische Schattenberechnungen ohne Raytracing oft nicht möglich oder sehr komplex sind.
Welche Rolle spielt die Light Stage in dieser Untersuchung?
Die Light Stage wird als hochspezialisiertes Verfahren vorgestellt, das durch die automatisierte Erfassung von Reflexionsfeldern realer Objekte (z. B. Gesichter) ermöglicht, sehr akkurate und fotorealistische Relighting-Ergebnisse in der Postproduktion zu erzielen.
- Quote paper
- Dipl.-Ing. (FH) Christine Handschuh (Author), 2008, Einsatz von Normalmaps in der Postproduktion, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/123091
