Motion Capture. Anwendungsgebiete, Grenzen und Zukunftsperspektiven

Inhaltsübersicht

Kurze Begriffserklärung von Motion Capture

Geschichtlicher Verlauf

technische Aspekte von MC
Elektromagnetische Systeme
Optische Systeme
Mechanische Systeme
Akustische Systeme
Platzierung und Anzahl der Sensoren
Die Aufnahmefläche

Anwendungsgebiete von MC

Gründe Motion Capture einzusetzen

Beispiel für Filme, in denen Motion Capture S.18 eingesetzt wurde

Grenzen und Zukunftsperspektiven

Quellenangaben

Kurze Begriffserklärung von Motion Capture

Motion Capture ! Was ist das? Was steckt hinter diesem englischen Fachausdruck? Ein kurzer Blick in ein Englisch-Lexikon übersetzt „motion“ in „Bewegung“ und capture in „(ein)fangen; gefangen nehmen; erobern; erbeuten“. Diese Übersetzung trifft sehr gut, wofür Motion Capture steht, nämlich der Analyse von Bewegungen, sei es von Tieren, Menschen, nur speziellen Körpergliedern oder sonstiger Objekte. Sehr interessant sind solche Analysen bei Animationen computer- generierter Figuren. Um die virtuellen Charakteren möglichst realitätsbezogen darzustellen, wird in speziell für solche Zwecke ausgerüsteten Studios, Schauspieler mit (z.b. bei dem optischen Verfahren des Motion Capture’s mit reflektierenden) Clips ausgestattet, welche von mehreren, um die Spielfläche herum postierten Kameras in Echtzeit aufgenommen werden. Die Positionen der Clips im dreidimensionalen Raum werden von einem Rechner anhand der unterschiedlichen Bildinformationen der verschiedenen Kameras rekonstruiert und auf das Skelett der virtuellen Figur angewandt. Die hierbei aufgezeichneten Informationen können sehr simpel sein, wie z.b. nur die Position einer Figur im Raum bis hin zu sehr komplexen Vorgängen, wie Deformationen von Gesicht und Muskeln.

In dieser Abbildung wird grob der Prozess dar- gestellt, der bei Motion Capture geschieht. Erst muss die technische Ausrüstung exakt platziert werden, anschließend werden die Bewegungen aufgenommen, die Daten auf den Rechner übertragen und die Animation generiert.

Geschichtlicher Verlauf

Die Benutzung von Motion Capture für die Animation von Computercharakteren ist als relativ neu einzustufen, da mit diesem Verfahren erst Ende der siebziger Jahre begonnen wurde und der eigentliche Begriff erst Mitte der 90er Jahre in den USA entstand. Doch die Geschichte geht viel weiter zurück, da das Interesse, Bewegungen systematisch zu erfassen, wahrlich nicht neu ist.

Nahezu von seiner Geburt an, ist der Mensch ein kleiner Experte darin, die Bewegungen von Menschen zu erkennen. Wir bemerken es, wenn etwas „richtig“ ausschaut bzw. wenn nicht. Somit kann man schon in frühen Jahren erkennen, wenn die Bewegungen einer computeranimierten Person nicht völlig realistisch dargestellt sind, auch wenn der Computeranimateur alle technisch verfügbaren Feinheiten ausgenützt hat. Da Menschen visuelle Informationen in der Reihenfolge von Bewegung, Form und Farbe aufnehmen, wird das stärkste Augenmerk instinktiv auf die Bewegung gelegt, da es aus biologischer Sicht, das wichtigste Indiz für unser Überleben war.

In den späten Jahren des 19. Jahrhunderts haben bereits vermehrt Leute (besonders bemerkenswert sind hierbei Marey und Muybridge, die mit Hilfe der Photographie gearbeitet haben) die menschlichen Bewegungen für medizinische Zwecke und aus militärischen Gründen analysiert.

Für Film und Hollywood wurde die Idee menschliche Bewegungen für animierte Charakteren zu kopieren bereits bei Walt Disneys „Schneewittchen“ verwirklicht. Um überzeugende Handlungsdarstellungen der Zeichentrickfiguren zu erreichen, bediente man sich der Technik des „Rotoscoping“, einem Vorläufer des Motion Capture. Bei diesem Verfahren können Bildausschnitte von einem Hintergrund „aus- geschnitten“ und vor einen anderen gebracht werden. Dies ist sehr mühsam, da um flüssige Bewegungsläufe zu erzielen, jedes Bild einzeln bearbeitet werden muss. So konnte also bereits Schneewittchen und ihre treuen sieben Zwerge von Schauspielern von realen Menschen dargestellt werden, die aufgenommenen Szenen vom Filmmaterial abgepaust werden und die Zeichnungen vor anderen gemalten Hintergründen wieder animiert werden.

In den späten 70’er Jahren, als es langsam möglich wurde Charakteren am Computer zu animieren, benutzte man noch traditionelle Techniken (Rotoscoping miteingeschlossen), die geeignet angepasst wurden. So verwendete z.b. Rebecca Allen am „New York Institute of Technology Computer Graphics Lab“ einen halbsilbernen Spiegel um Videosequenzen von echten Tänzern über den Computerbildschirm zu legen, um einen computerbasierenden Tänzer darzustellen. Der Computer benutzte diese angegebenen Positionen als Schlüssel um eine geschmeidige Animation zu erzeugen. Diese Computergenerierte menschliche Bewegung war die erste, die im Fernsehen zu sehen war.

1980-1983 begann die Abteilung der Biomechanik an der Simon Fraser Universität den Computer zur Hilfe zu nehmen um menschliche Bewegungen zu analysieren. Unter der Leitung von Professor Tom Calvert wurden an Menschen Potentiometer (dies sind Spannungsteiler in der Mess- und Schaltungstechnik mit verstellbarem Abgriff zum Einstellen verschiedener Spannungen) angebracht. Die Ergebnisse dieser Geräte wurden dazu benutzt computeranimierte Figuren für choreografische Studien und klinische Untersuchungen zu Bewegungsstörungen zu modellieren. Die hier benutzten Technischen Verfahren und Vorrichtungen wurden schnell relevant für die Computergrafik.

Schon bald darauf 1982-1983 wurden kommerzielle optische Systeme wie „Op-Eye“ und „SelSpot“ benutzt und MIT Architecture Machine Group und die New York Institute of Technology experimentierten mit optischem Motion Capture.

1988 wurde für Silicon Graphics „Mike the Talking Head“ von de Graf und Wahrman entwickelt. Dies war eine Puppe, welcher es durch eine speziell angefertigte Kontrolltechnik möglich war viele Gesichtszüge anzunehmen. Mund, Augen, allgemeiner Gesichts- ausdruck und Kopfposition konnten bereits gesteuert werden.

1992 wurde von SimGraphics ein System, welches “facial waldo” genannt wurde, entwickelt. Dieses erlaubte es mittels Elektromagne- tischen Sensoren, welche am Kinn, den Lippen, Augenbrauen und Wangen angebracht wurden, die wichtigsten Bewegungen des Gesichts zu analysieren, und auf den Computerbildschirm zu bringen. Dies war sehr innovativ, da nun endlich ein Schauspieler die Gesichtsausdrücke einer virtuellen Person mimen konnte und die Realitätsnähe damit stark zunahm. Mit Hilfe dieses Systems wurde zum Beispiel Mario von dem beliebten Computerspiel von Nintendo kreiert.

In den folgenden Jahren, wurde die Soft- und Hardware von verschiedenen Firmen in diesem Bereich immer weiterentwickelt, so dass mittlerweile die Verfahren dermaßen optimiert worden sind, dass 2001 mit Final Fantasy ein vollständig animierter Film in die Kinos einzog, bei dem die verbesserten Motion Capture-Systeme sichtbar wurden.

Technische Aspekte von MC

Um die Bewegungen in den Computer zu übertragen, sind bereits mehrere Metho- den bekannt und finden in der Praxis ihre Verwendung. Die Bekanntesten werden im Folgenden dargestellt. Elektromagnetische Systeme Magnetische Systeme, welche ihren Ursprung beim Militär haben, welcher sie zur Analyse der Kopfbewegung von Piloten benutzte, verwenden 3 orthogonale elektroma-gnetische Felder, innerhalb derer sich der Akteur bewegt.

Die Abbildung zeigt ein Beispiel für aufgrund von Messwerten erstellte Gitternetzstruktur eines Akteurs. Die 3 Felder werden von 3 unabhäng- igen Sendern erzeugt, welche der Hauptrechner abwechselnd ein und ausschaltet. An denen, für die Auf- nahme, wichtigen Extremitäten des Akteurs sind kleine Sensoren ange- bracht (siehe obige Abbildung), sobald diese von einer elektromagnetischen Welle erreicht werden, senden sie ein Signal an einen Clientrechner den der Akteur ebenfalls am Körper trägt. Dieser wiederum kommuniziert über Funk mit dem Hauptrechner. Da der Zeitpunkt des Aussendens der Welle bekannt ist, kann aufgrund der Laufzeitunterschiede berechnet werden, an welcher Position sich der Sensor im Raum befindet. Verbindet man die Sensorpunkte mit Linien, ergibt sich ein virtuelles Abbild des Akteurs. Reiht man mehrere Bilder aneinander so ist das Ergebnis, je nach Abtastfrequenz, eine mehr oder minder flüssige Animation.

In dieser vereinfachten Ab- bildung kann man sehen, wie der Akteur im dreifach magne- tisierten Raum steht. Anbei wird die Position des Sensors am linken Fußgelenk des Akteurs ermittelt.

Aufgrund des heutigen Standes der Technik sind Abtastraten von ca. 140 Hz möglich. Die Anzahl der Berechnungen steigt linear mit der Anzahl der verwendeten Sensoren, da die Laufzeit im proportionalen Ver- hältnis zur Entfernung steht. Andererseits ist die Anzahl der verwendeten Sensoren durch mangelnde Auflösung des Systems begrenzt.

Eine typische Aufnahme von Bewegungen mit Hilfe des elektromagnetischen Sys- tems verhält sich ähnlich zu der von normalen Filmaufnahmen. Auch hier sind vorherige Proben üblich, um die Akteure mit den Kabeln und Sendern vertraut zu machen, die sie tragen müssen. Dies ist nötig um sicherzustellen, dass die Personen sich auch wirklich wie in gewohnter Atmosphäre bewegen, und keine durch die Aus- rüstung hervorgerufene Veränderung der Motorik verursacht wird. Da bei diesem magnetischen System die Daten unmittelbar zur Verfügung stehen, kann der Regis- seur und die Schauspieler sofort das Resultat begutachten und gegebenenfalls die Aufnahme augenblicklich mehrmals wiederholen. Dieser schnelle Erhalt des Feed- backs macht das magnetische Motion Capture ideal für Situationen, an denen der Bewegungsfreiraum begrenzt ist und direkte Interaktion zwischen den Schauspielern, dem Regisseur und der Computercharaktere wichtig ist.

Ein Vorteil dieses Systems ist, dass die Positionen und Rotationen der Gelenke sowie die Platzierung im Raum präzise gemessen werden kann. Die bereits erwähnten Daten, welche sofort bereit stehen, die dem Regisseur und den Schauspielern ein sofortiges Feedback geben, werden als ein sehr positiver Aspekt des magnetischen Verfahrens angesehen. Im Vergleich zum später aufgeführten optischen System sind auch noch die relativ niedrigen Kosten als großen Vorzug anzusehen.

Nachteilig wirkt sich die Verwendung von Magneten aus, wenn der Abstand von den Sensoren zum magnetischen Feld immer größer wird, und die Ergebnisse daraufhin immer ungenauer werden. Auch können die Geräte laut sein, was bei den Auf- nahmen stört und die Kabel, welche die Schauspieler mit den Computern verbinden, schränken die Bewegungsfreiheit der Personen ein, was aber bereits durch kabellose magnetische Systeme von verschiedenen Firmen umgangen werden kann.

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