Technische Universität Hamburg-HarburgThe Parallel Computing GroupDynamisches Hautmodellfür Muskelbasierte Gesichtsanimati...
Inhalt                                                              2  Einführung  Anatomie  Muskelmodelle  Hautmodell...
Inhalt                                                              3  Einführung  Anatomie  Muskelmodelle  Hautmodell...
Motivation                                                              4 Anwendungsgebiete  Künstliche Akteure für Werbe...
Hauptziel                                                                  5 Hauptziel ist die realitätsnahe Simulation de...
Kinematik                                                              6 Die Kinematik ist die Lehre von der Bewegung von ...
Dynamik                                                              7 Die Dynamik beschreibt die Änderung der Bewegungsgr...
Gesichtsgeometrie                                                                                  8                      ...
Parametergesteuerte Gesichtsanimation                                                              9                      ...
Muskelbasierte Gesichtsanimation                                                                     10                   ...
Ansätze für Gesichtsanimation im Vergleich                                                              11 Parametergesteu...
Inhalt                                                              12  Einführung  Anatomie  Muskelmodelle  Hautmodel...
Schädel                                                              13Pawel KazakowDynamisches Hautmodell für Muskelbasie...
Erzeugung der Schädelgeometrie                                                              14 Erzeugung der Schädelgeomet...
Erzeugung der Schädelgeometrie                                                              15Pawel KazakowDynamisches Hau...
Erzeugung der Schädelgeometrie                                                              16Pawel KazakowDynamisches Hau...
Gesichtsmuskeln und Muskeltypen                                                                                      17   ...
Haut                                                              18Pawel KazakowDynamisches Hautmodell für Muskelbasierte...
Haut: Epidermis                                                              19Pawel KazakowDynamisches Hautmodell für Mus...
Haut: Fascia                                                              20Pawel KazakowDynamisches Hautmodell für Muskel...
Haut: Dermis                                                              21Pawel KazakowDynamisches Hautmodell für Muskel...
Inhalt                                                              22  Einführung  Anatomie  Muskelmodelle  Hautmodel...
Muskelmodelle                                                              23 Erzeugung der Muskelgeometrie  Flächendupli...
Flächenduplikation                                                                                24                      ...
Flächenduplikation                                                                                25                      ...
Pfadextrusion                                                                                     26                      ...
Pfadextrusion                                                                                     27                      ...
Pfadextrusion                                                                                     28                      ...
Muskelmodelle                                                              29 Erzeugung der Muskelgeometrie  Flächendupli...
Muskelkontraktion mit Skalierung                                                                                  30      ...
Muskelkontraktion mit Skalierung                                                                                  31      ...
Muskelkontraktion entlang eines Pfades                                                                                  32...
Muskelkontraktion entlang eines Pfades                                                              33Pawel KazakowDynamis...
Muskelkontraktion entlang eines Pfades                                                              34Pawel KazakowDynamis...
Muskelkontraktion mit Federkraft                                                              35  Kontraktionssteuerung m...
Simulation von Federn                                                                                       36            ...
Muskelkontraktion mit Federkraft                                                                                  37      ...
Muskelkontraktion mit Federkraft                                                              38Pawel KazakowDynamisches H...
Muskelkontraktion mit Federkraft                                                              39Pawel KazakowDynamisches H...
Muskelkontraktion mit Federkraft                                                              40Pawel KazakowDynamisches H...
Muskelkontraktion mit Federkraft                                                              41Pawel KazakowDynamisches H...
Inhalt                                                              42  Einführung  Entwicklungsumgebung  Anatomie  Mu...
Hautmodelle                                                              43  Einfaches Hautmodell  Hautmodell von K. Käh...
Einfaches Hautmodell                                                                        44  Muskeln, Haut und Knochen...
Hautmodell von K. Kähler et al.                                                                                    45     ...
Hautmodell von K. Kähler et al.                                                                                    46     ...
Instabilität                                Hautmodell von K. Kähler et al.                                               ...
Instabilität                                Hautmodell von K. Kähler et al.                                               ...
Vor- und Nachteile                          Hautmodell von K. Kähler et al.                                               ...
Hautmodell von Y. Lee et al.                                                                                50            ...
Vor- und Nachteile                                Hautmodell von Y. Lee et al.                                            ...
Springs-Plug-In                                   Hautmodell von Y. Lee et al.                                            ...
Hautfedernetz erstellt mit dem Springs-Plug-In                                                                            ...
Testmethoden für Hautmodelle                                                              54  Das Verhalten der Haut kann ...
Inhalt                                                              55  Einführung  Anatomie  Muskelmodelle  Hautmodel...
Motivation                                                                                  56                            ...
Offsetdefinition und Vergleich mit Skalierung                                                                       57 Ein...
Skalierung und Offset im Vergleich                                                              58Pawel KazakowDynamisches...
Direkte und indirekte Offsetmethoden                                                              59 Indirekte Offsetmetho...
Skalierung und Offset im Vergleich                                                              60 Direkter Offset in 2D ...
Verschiebungsrichtung                                                                   61  Die Verschiebung in Richtung ...
Selbstüberschneidungen                                                              62  Bei einer direkten Offsetmethode ...
Erkennung von Selbstüberschneidungen                                                                      63  Für jeden S...
Aufwand bei Überschneidungserkennung                                                              64  Schwerpunkte im Ori...
Vermeidung von Selbstüberschneidungen                                                                              65  Pu...
Vermeidung von Selbstüberschneidungen                                                                                     ...
Erzeugung der Faszie aus der Epidermis durch Offset                                                                       ...
Zusammenfassung                                                                68  Vorhandene veröffentlichte Muskel- und...
Zusammenfassung                                                              69  Vorhandene Offsetmethoden untersucht und...
Ausblick                                                              70  Weiterentwicklung des mit Federkraft kontrahier...
Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!                                                                                     71...
Literatur                                                                  72 Y. Lee et al.      Lee, Yuencheng; Terzopoul...
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Abschlussvortrag 23.03.2007 - Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation

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Abschlussvortrag - Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation

Technische Universität Hamburg-Harburg
The Parallel Computing Group

Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation

Studienarbeit im Studiengang Informatik-Ingenieurwesen

Pawel Kazakow
23.03.2007

Betreuer: Prof. Dr. Helmut Weberpals

Veröffentlicht in: Bildung
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  • Hardware wird immer schneller, daher Rechenaufwand zweitrangig. Zur Gesichtsanimation gehören auch Augen- und Zungenbewegungen. Sie sind für einen realistischen Gesamteindruck sehr wichtig. In dieser Arbeit beschränke ich mich auf die Simulation der Hautbewegungen, denn sie stellt die größte Herausforderung dar.
  • Demo 1 – Dynamikanimation
  • Demo 2 – gegebene Hautgeometrie, Polygone
  • Hautgeometrie gegeben Muskeln und Knochen abgeleitet Steuerung der Muskeln Muskeln beeinflussen die Haut Knochen und Haut beeinflussen den Muskel, falls dynamisches Modell Pfeil: Abhängigkeit Kinematisches Muskel kontrahiert unabhängig vom Knochen und Haut
  • Parametergesteuerte Gesichtsanimation Erste Versuche um 1970 Aufwand und Kosten bei großen Projekten akzeptabel Muskelbasierte Gesichtsanimation Erste Versuche um 1990 Offenes Forschungsfeld
  • Von den 26 Gesichtsmuskeln des Menschen sind im wesentlichen 8 für die Mimik verantwortlich http://de.wikipedia.org/wiki/Gesichtsmuskeln
  • Hautdicke: 1 bis 4 mm
  • Hautdicke: 1 bis 4 mm
  • Hautdicke: 1 bis 4 mm
  • Hautdicke: 1 bis 4 mm
  • Festlager: Starrer Körper (z. B. der Schädel) Gleitlager: Elastischer Körper (z. B. Haut)
  • Festlager: Starrer Körper (z. B. der Schädel) Gleitlager: Elastischer Körper (z. B. Haut)
  • Ruhelänge der Federn zwischen Haut und Knochen ist gleich Null.
  • Ruhelänge der Federn zwischen Haut und Knochen ist gleich Null.
  • Wenig Speicherverbrauch
  • Jahr: 1995
  • Mehr Federn zusätzlich wegen der geforderten höheren Auflösung des Polygons.
  • Erstellung von ca. 70 000 Federn bei einem Kopf mit 60 000 Punkten Der Skript wird abgebrochen, es werden nur 16 000 Federn erstellt (Arbeitsspeicher reicht nicht aus) Erstellung von 70 000 Federn mit dem Plug-In in wenigen Sekunden möglich!
  • DEMO: Skalierung des einfachen Kopfes
  • Offset 3D: offenes Forschungsfeld
  • Abschlussvortrag 23.03.2007 - Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation

    1. 1. Technische Universität Hamburg-HarburgThe Parallel Computing GroupDynamisches Hautmodellfür Muskelbasierte GesichtsanimationStudienarbeit im Studiengang Informatik-IngenieurwesenPawel Kazakow23.03.2007 www.muskelbasierte-gesichtsanimation.deBetreuer: Prof. Dr. Helmut Weberpals
    2. 2. Inhalt 2  Einführung  Anatomie  Muskelmodelle  Hautmodelle  OffsetPawel KazakowDynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
    3. 3. Inhalt 3  Einführung  Anatomie  Muskelmodelle  Hautmodelle  OffsetPawel KazakowDynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
    4. 4. Motivation 4 Anwendungsgebiete  Künstliche Akteure für Werbe- und Spielfilme  Virtuelle Figuren in Computerspielen  Kommunikation im Internet mit Hilfe von Avataren Ziele  Realistische Simulation der Mimik  Schnelle Anpassung an neue Gesichtsgeometrien  Wenig Rechenaufwand, am besten EchtzeitsimulationPawel KazakowDynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
    5. 5. Hauptziel 5 Hauptziel ist die realitätsnahe Simulation der Mimik, also der sichtbaren Bewegungen des menschlichen Gesichts!  Hautbewegungen  Augenbewegungen  ZungenbewegungenPawel KazakowDynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
    6. 6. Kinematik 6 Die Kinematik ist die Lehre von der Bewegung von Punkten und Körpern im Raum. Die Bewegung wird beschrieben durch die Größen Weg s, Geschwindigkeit v und Beschleunigung a: Die Ursachen einer Bewegung werden dabei nicht betrachtet!Pawel KazakowDynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
    7. 7. Dynamik 7 Die Dynamik beschreibt die Änderung der Bewegungsgrößen Weg, Geschwindigkeit und Beschleunigung unter Einwirkung von Kräften im Raum. Für Kraft F, Masse m und Beschleunigung a gilt der Grundgesetz der Dynamik:Pawel KazakowDynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
    8. 8. Gesichtsgeometrie 8 Hautgeometrie ist eine Polygonoberfläche Quellen  3D-Scanner  Rekonstruktion von Fotos  Manuelle ModellierungPawel KazakowDynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
    9. 9. Parametergesteuerte Gesichtsanimation 9 Steuerung HautPawel KazakowDynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
    10. 10. Muskelbasierte Gesichtsanimation 10 Steuerung Muskeln Haut KnochenPawel KazakowDynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
    11. 11. Ansätze für Gesichtsanimation im Vergleich 11 Parametergesteuerte Gesichtsanimation  Direkte Manipulation der Hautgeometrie  Der Künstlicher modelliert den Gesichtsausdruck selbst  Ein neues Gesicht muss vollständig neu animiert werden  Hoher Aufwand, Kosten bei großen Projekten akzeptabel Muskelbasierte Gesichtsanimation  Indirekte Manipulation durch Muskelkontraktionen  Realistischer Gesichtsausdruck durch Muskelkontraktionen  Anpassbares Muskelsystem für jedes Gesicht denkbar  Offenes ForschungsfeldPawel KazakowDynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
    12. 12. Inhalt 12  Einführung  Anatomie  Muskelmodelle  Hautmodelle  OffsetPawel KazakowDynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
    13. 13. Schädel 13Pawel KazakowDynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
    14. 14. Erzeugung der Schädelgeometrie 14 Erzeugung der Schädelgeometrie nach K. Kähler et al.:  Initiale Knochengeometrie ist gleich der Hautgeometrie  Augenpartien, Ohren und Nase entfernen  Unterkiefer wird extrahiert  Knochengeometrie herunterskalierenPawel KazakowDynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
    15. 15. Erzeugung der Schädelgeometrie 15Pawel KazakowDynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
    16. 16. Erzeugung der Schädelgeometrie 16Pawel KazakowDynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
    17. 17. Gesichtsmuskeln und Muskeltypen 17 Linearmuskeln (und Flächenmuskeln) Kontrahieren auf einen Fixpunkt zu Schließmuskeln Haben KontraktionszentrenPawel KazakowDynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
    18. 18. Haut 18Pawel KazakowDynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
    19. 19. Haut: Epidermis 19Pawel KazakowDynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
    20. 20. Haut: Fascia 20Pawel KazakowDynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
    21. 21. Haut: Dermis 21Pawel KazakowDynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
    22. 22. Inhalt 22  Einführung  Anatomie  Muskelmodelle  Hautmodelle  OffsetPawel KazakowDynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
    23. 23. Muskelmodelle 23 Erzeugung der Muskelgeometrie  Flächenduplikation  Pfadextrusion Kontraktionssteuerung  Skalierung  Kraftfeld  Pfadkontraktion  FederkraftPawel KazakowDynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
    24. 24. Flächenduplikation 24  Muskelgeometrie wird unmittelbar aus der Hautgeometrie erzeugt  Zuordnung der Muskelpunkte zu den Hautpunkten einfach  Für jede Hautgeometrie müssen die Muskeln erneut erstellt werdenPawel KazakowDynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
    25. 25. Flächenduplikation 25  Muskelgeometrie wird unmittelbar aus der Hautgeometrie erzeugt  Zuordnung der Muskelpunkte zu den Hautpunkten einfach  Für jede Hautgeometrie müssen die Muskeln erneut erstellt werdenPawel KazakowDynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
    26. 26. Pfadextrusion 26  Muskelgeometrie wird durch Extrusion eines Profils entlang einer Pfadkurve erzeugt  Zuordnung der Muskelpunkte zu den Hautpunkten nicht einfach  Erzeugte Muskelgeometrie kann durch Manipulation der Pfadkurve an eine neue Hautgeometrie angepasst werdenPawel KazakowDynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
    27. 27. Pfadextrusion 27  Muskelgeometrie wird durch Extrusion eines Profils entlang einer Pfadkurve erzeugt  Zuordnung der Muskelpunkte zu den Hautpunkten nicht einfach  Erzeugte Muskelgeometrie kann durch Manipulation der Pfadkurve an eine neue Hautgeometrie angepasst werdenPawel KazakowDynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
    28. 28. Pfadextrusion 28  Muskelgeometrie wird durch Extrusion eines Profils entlang einer Pfadkurve erzeugt  Zuordnung der Muskelpunkte zu den Hautpunkten nicht einfach  Erzeugte Muskelgeometrie kann durch Manipulation der Pfadkurve an eine neue Hautgeometrie angepasst werdenPawel KazakowDynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
    29. 29. Muskelmodelle 29 Erzeugung der Muskelgeometrie  Flächenduplikation  Pfadextrusion Kontraktionssteuerung  Skalierung  Kraftfeld  Pfadkontraktion  FederkraftPawel KazakowDynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
    30. 30. Muskelkontraktion mit Skalierung 30 konvexer Muskel Schädeloberfläche Konvexer Muskel dringt bei Skalierung in den Schädel einPawel KazakowDynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
    31. 31. Muskelkontraktion mit Skalierung 31 konvexer Muskel Schädeloberfläche Konvexer Muskel dringt bei Skalierung in den Schädel einPawel KazakowDynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
    32. 32. Muskelkontraktion entlang eines Pfades 32  Muskeln kontrahieren entlang einer Kontraktionskurve  Das Eindringen in den Schädel ist ausgeschlossen  Kinematische Kontraktionssteuerung  Ähnlich dem Muskelmodell von K. Kähler et al. und Y. Lee et al.Pawel KazakowDynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
    33. 33. Muskelkontraktion entlang eines Pfades 33Pawel KazakowDynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
    34. 34. Muskelkontraktion entlang eines Pfades 34Pawel KazakowDynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
    35. 35. Muskelkontraktion mit Federkraft 35  Kontraktionssteuerung mit Federkraft dem natürlichen Vorbild sehr ähnlich  Muskel wird nahtlos in die Dynamik des Gesichts integriert  Geeignet für alle Muskeltypen  Modellierung von sich ineinander verflochtener MuskelnPawel KazakowDynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
    36. 36. Simulation von Federn 36 x k : Federkonstante d : Dämpfung m F m : Masse k, d F : Kraft x : Verschiebung Verwendung von Federn  Darstellung des elastischen Verhaltens der Gesichtshaut  Kontraktionssteuerung beim dynamischen MuskelPawel KazakowDynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
    37. 37. Muskelkontraktion mit Federkraft 37 Endkraftgewicht 1 Endkraftgewicht 2 Ruhelänge  Die Endkraftgewichte legen in Maya fest, mit welchem Kraftanteil die Federn auf die damit verbundenen Punkte wirken  Steuerung der Kontraktion einer Feder über Endgewichte möglich, die Ruhelänge wird dabei auf 0 gesetzt  Für lineare Muskeln muss die Anordnung der Kontraktionsfedern gleichgerichtet sein  Erzeugung von gleichgerichteten Kontraktionsfedern mit Bordmitteln nicht möglichPawel KazakowDynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
    38. 38. Muskelkontraktion mit Federkraft 38Pawel KazakowDynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
    39. 39. Muskelkontraktion mit Federkraft 39Pawel KazakowDynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
    40. 40. Muskelkontraktion mit Federkraft 40Pawel KazakowDynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
    41. 41. Muskelkontraktion mit Federkraft 41Pawel KazakowDynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
    42. 42. Inhalt 42  Einführung  Entwicklungsumgebung  Anatomie  Muskelmodelle  Hautmodelle  OffsetPawel KazakowDynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
    43. 43. Hautmodelle 43  Einfaches Hautmodell  Hautmodell von K. Kähler et al. (2003)  Hautmodell von Y. Lee et al. (1995)Pawel KazakowDynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
    44. 44. Einfaches Hautmodell 44  Muskeln, Haut und Knochen liegen übereinander  Federn verbinden zusammenfallende Haut-, Knochen- und Muskelpunkte Haut Knochen Muskel  Sehr einfache Implementierung  Nur für einfache Experimente geeignetPawel KazakowDynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
    45. 45. Hautmodell von K. Kähler et al. 45 gespiegelte Knochen und Muskeln Haut Muskel Muskelschicht Knochen v : Knotenanzahl e : Kantenanzahl h : Anzahl der Hautfedern h ≤ e + 2vPawel KazakowDynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
    46. 46. Hautmodell von K. Kähler et al. 46 gespiegelte Knochen und Muskeln Haut Muskel Muskelschicht Knochen v : Knotenanzahl e : Kantenanzahl h : Anzahl der Hautfedern h ≤ e + 2vPawel KazakowDynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
    47. 47. Instabilität Hautmodell von K. Kähler et al. 47 gespiegelter α Knochenpunkt S S Knochenpunkt Hautpunkt y F x Fy =Sy + S y ) −( Fy = F Sy = y = α ) ⋅ S ⇒ F = sin(α ) ⋅ 2 ⋅ S S sin( −Pawel KazakowDynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
    48. 48. Instabilität Hautmodell von K. Kähler et al. 48 gespiegelter α Knochenpunkt S S Knochenpunkt Hautpunkt y F x F lim →∞ α →0 2 ⋅ sin(α )Pawel KazakowDynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
    49. 49. Vor- und Nachteile Hautmodell von K. Kähler et al. 49 Vorteile  Einfache Umsetzung  Geringer Speicherverbrauch und Rechenaufwand bei der Simulation Nachteile  Inhärent instabil  Nicht selbsttragend  Setzt ein kinematisches Muskelsystem vorausPawel KazakowDynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
    50. 50. Hautmodell von Y. Lee et al. 50 Epidermis Fettgewebe Faszieschicht Muskelschicht Knochenoberfläche v : Knotenanzahl e : Kantenanzahl h : Anzahl der Hautfedern h ≤ 4e + 2vPawel KazakowDynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
    51. 51. Vor- und Nachteile Hautmodell von Y. Lee et al. 51 Vorteile  Stabilisierende Federstruktur  Selbsttragend  Näher am realen Vorbild Nachteile  Höherer Speicherverbrauch und Rechenaufwand bei der Simulation  Erstellung von Federn mit Bordmitteln von Maya nicht möglichPawel KazakowDynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
    52. 52. Springs-Plug-In Hautmodell von Y. Lee et al. 52  Erstellung von Federn nach dem Hautmodell von Y. Lee et al. mit eingebauten Funktionen von Maya nicht möglich  Erstellung von Federn mit einem MEL-Skript ist bei komplexen Hautgeometrien nicht möglich  Erstellung von Federn über C++ API nicht dokumentiert, aufwändige Recherchen und Reverse Engineering  Plug-In implementiert, der ein Federsystem nach Y. Lee et al. erstelltPawel KazakowDynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
    53. 53. Hautfedernetz erstellt mit dem Springs-Plug-In 53  Komplexe Hautgeometrie mit 6000 Punkten und 17000 Kanten  Federsystem zwischen Epidermis und Faszie mit 70000 Federn erstellt in t<2sPawel KazakowDynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
    54. 54. Testmethoden für Hautmodelle 54 Das Verhalten der Haut kann mit dem Berührungstest und dem Mundtest ohne eines funktionierenden Muskelsystems getestet werden. Berührungstest  Die Hautoberfläche mit einem starren Körper gestreift  Bei Kollision mit dem Körper verformt sich die Haut Mundtest  Mund öffnen und schließen durch langsame Drehung des Unterkiefers  Die Haut folgt dem UnterkieferPawel KazakowDynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
    55. 55. Inhalt 55  Einführung  Anatomie  Muskelmodelle  Hautmodelle  OffsetPawel KazakowDynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
    56. 56. Motivation 56  Erzeugung der Faszie (innere Hautschicht) für das Hautmodell nach Y. Lee et al.  Durch Herunterskalieren entstehen Überschneidungen mit der Hautoberfläche: Ohren, Augenlieder, Lippen  Manuelle Behebung der Überschneidungen aufwändig  Erzeugung der Faszieschicht durch OffsetPawel KazakowDynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
    57. 57. Offsetdefinition und Vergleich mit Skalierung 57 Eine Offsetgeometrie beschreibt die Form der Originalgeometrie, versetzt um einen Offsetabstand. Skalierung OffsetPawel KazakowDynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
    58. 58. Skalierung und Offset im Vergleich 58Pawel KazakowDynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
    59. 59. Direkte und indirekte Offsetmethoden 59 Indirekte Offsetmethoden  Beschreiben das Offsetproblem bei Kurven oder Oberflächen als partielle Differentialgleichung  Numerische Lösung der Differentialgleichung liefert die Offsetkurve oder -oberfläche Direkte Offsetmethoden  Propagieren die Kurven und Oberflächen direkt, basierend auf den ursprünglichen Geometriedaten  Verändert die Topologie nicht, Dadurch einfachere Erstellung von FederverbindungenPawel KazakowDynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
    60. 60. Skalierung und Offset im Vergleich 60 Direkter Offset in 2D  In einem Punkt schneiden sich genau zwei Geraden  Parallelverschiebung der Geraden um die gleiche Entfernung (Offsetabstand) ergibt einen neuen Schnittpunkt, den Offsetpunkt Direkter Offset in 3D  In einem Punkt können sich mehr als drei Ebenen schneiden  Parallelverschiebung von Ebenen kann mehr als einen Schnittpunkt ergeben  Offsetpunkt in 3D nicht eindeutig bestimmt!Pawel KazakowDynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
    61. 61. Verschiebungsrichtung 61  Die Verschiebung in Richtung der Durchschnittsnormalen liefert in der Praxis gute Ergebnisse Durchschnittsnormale ist die durchschnittliche Normale der Flächen, die mit dem Punkt verbunden sind  Schnelle Verschiebung möglich: die Durchschnittsnormale kann in Maya direkt ausgelesen werdenPawel KazakowDynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
    62. 62. Selbstüberschneidungen 62  Bei einer direkten Offsetmethode entstehen zwangsläufig Selbstüberschneidungen  Selbstüberschneidungen müssen nachträglich entfernt werden d 2dPawel KazakowDynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
    63. 63. Erkennung von Selbstüberschneidungen 63  Für jeden Schwerpunkt wird der Differenzvektor zu jedem anderen Schwerpunkt des Originalpolygons berechnet  Sein Winkel α zum entsprechenden Differenzvektor des Offsetpolygons überschreitet bei einer Selbstüberschneidung 90°. B A A B BPawel KazakowDynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
    64. 64. Aufwand bei Überschneidungserkennung 64  Schwerpunkte im Originalpolygon können ausgelesen werden  Offsetschwerpunkte werden berechnet (Behebung von Selbstüberschneidungen vor der Anwendung)  Differenzvektoren für jedes Flächenpaar im Original- und Offsetpolygon müssen berechnet und verglichen werden: 2p² Rechenschritte für p Polygonflächen  Erkennung von Selbstüberschneidungen teuer: O(p²)Pawel KazakowDynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
    65. 65. Vermeidung von Selbstüberschneidungen 65  Punkte schrittweise auf die vorgegebene Offsetentfernung verschieben  Tritt eine Selbstüberschneidung auf, werden die Punkte der betroffenen Flächen nicht mehr verschoben 1 2 d Gesamtkomplexität: n ⋅ (v + p ) mit n≤ +1 2 w d : Offsetabstand w : Schrittweite n : Anzahl der Durchläufe v : Anzahl der Punkte im Originalpolygon p : Anzahl der Flächen im OriginalpolygonPawel KazakowDynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
    66. 66. Vermeidung von Selbstüberschneidungen 66  Reduzierung der Durchläufe durch Bisektion des Offsetabstands  Verschiebung auf vollen Offsetabstand, wird eine Selbstüberschneidung erkannt, wird der Offsetabstand solange halbiert, bis keine Selbstüberschneidungen gefunden werden 1 2 Gesamtkomplexität: m ⋅ (v + p ) mit 2 1 ≤ m ≤ n ⋅ log2 (n) d : Offsetabstand d w : Schrittweite n≤ +1 n : Anzahl der Durchläufe w v : Anzahl der Punkte im Originalpolygon p : Anzahl der Flächen im OriginalpolygonPawel KazakowDynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
    67. 67. Erzeugung der Faszie aus der Epidermis durch Offset 67  Komplexe Hautgeometrie mit 11500 Flächen und 6000 Punkten  Berechnung der Faszieschicht durch Offset in t < 1/25 s  Berechnung der Faszieschicht durch Offset mit Vermeidung von Selbstüberschneidungen (mit Bisektion) in t < 3 minPawel KazakowDynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
    68. 68. Zusammenfassung 68  Vorhandene veröffentlichte Muskel- und Hautmodelle untersucht und Möglichkeiten vorgestellt, diese Modelle in abgewandelter Form in Autodesk Maya zu implementieren  Dynamisches Muskelmodell vorgeschlagen, bei der die Kontraktion mit Federkraft gesteuert wird und mit dem alle Muskeltypen modelliert werden können  Hautmodell von K. Kähler et al. implementiert und Schwächen des Modells untersucht  Gute Animationsergebnisse mit dem Hautmodell von Y. Lee et al. erzieltPawel KazakowDynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
    69. 69. Zusammenfassung 69  Vorhandene Offsetmethoden untersucht und eine einfache und schnelle direkte Offsetmethode mit Vermeidung von Selbstüberschneidungen als Plug-In für Autodesk Maya implementiert  Damit wurde die Erstellung des doppelschichtigen Hautmodells nach Y. Lee et al. möglich  Direkte Federverwaltung in Maya über C++ API dokumentiert und ein Plug-In implementiert, der ein Federsystem nach Y. Lee et al. erstelltPawel KazakowDynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
    70. 70. Ausblick 70  Weiterentwicklung des mit Federkraft kontrahierenden Muskels:  Automatische Erstellung gleichgerichteter Federn  Umfangänderung abhängig von der Kontraktion  Werkzeuge für die Erstellung und Verwaltung von Federsystemen in Maya  Kombination des Hautmodells von Y. Lee et al. und des mit Federkraft kontrahierenden Muskels  Offset: Selbstüberschneidungen schneller erkennenPawel KazakowDynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
    71. 71. Vielen Dank für die Aufmerksamkeit! 71 Fragen? Live Demos in Maya… www.muskelbasierte-gesichtsanimation.dePawel KazakowDynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
    72. 72. Literatur 72 Y. Lee et al. Lee, Yuencheng; Terzopoulos, Demetri; Walters, Keith: Realistic Modeling for Facial Animation. New York, NY : ACM Press, 1995. – 55–62 S. – ISBN 0–89791–701–4 K. Kähler et al. Kähler, Kolja: A Head Model with Anatomical Structure for Facial Modeling and Animation / Universität des Saarlandes. Saarbrücken, 2003. – ForschungsberichtPawel KazakowDynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation

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