Zwischenergebnisse 27.10.2006 - Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation

Dynamisches Hautmodell
für Muskelbasierte Gesichtsanimation

Zwischenergebnisse 27.10.2006

www.muskelbasierte-gesichtsanimation.de
Präsentation: Pawel Kazakow
Betreuer: Prof. Helmut Weberpals

Technische Universität Hamburg-Harburg

Inhalt

 Neuer Titel und Thema der Arbeit

 Geplanter Inhalt der Arbeit

 Gewähltes Hautmodell
 Aktueller Stand der Implementierung
 Implementierung der Federverbindungen
 Berechnung des Offset-Polygons
 Direkte Offset-Methoden

Pawel Kazakow
Dynamisches Hautmodell - Zwischenergebnisse Oktober 2006

Neuer Titel der Arbeit

Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte
Gesichtsanimation

Hauptthema der Arbeit ist die Untersuchung bereits vorhandener
Hautmodelle und Umsetzung eines geeigneten Hautmodells für
muskelbasierte Gesichtsanimation.

Anschließend soll dieses Hautmodell durch Federmuskeln und
Bewegung des Unterkiefers getestet werden.

Nebenthema der Arbeit ist die Untersuchung verschiedener
Muskelmodelle. Eines davon wird zum Testen des Hautmodells
verwendet.

Pawel Kazakow

Inhalt der Arbeit - Vorbereitung

Vergleich der Verfahren für Gesichtsanimation
 Direkte Manipulation der Hautgeometrie, Morphing
 Muskelbasierte Gesichtsanimation

Untersuchung vorhandener Hautmodelle
 Hautmodell von Kähler
 Schichtenmodell

Kurzbeschreibung von Maya
 Polygone, Federn, Partikelsystem, Dynamik
 Konzept von Maya API

Pawel Kazakow

Inhalt der Arbeit - Implementierung

Automatische Erzeugung der Haut aus vorhandener
Hautgeometrie
 Berechnung und Bereinigung des Offset-Polygons
 Erzeugung der Federverbindungen innerhalb der Haut
 Verbindung der Haut mit Knochengeometrie
 Hilfsfunktionen für Extraktion der Knochengeometrie aus der
Haut

Muskelmodelle
 Untersuchung verschiedener Modelle
 Manuelle Umsetzung des Federmodells

Testen der Haut
 Bewegung des Unterkiefers
 Einbau von Federmuskeln

Pawel Kazakow

Hautmodell

Hautmodell von Kähler (verworfen)
 hält nicht die Form bei fehlendem Knochen
 sehr künstliches Modell (einschichtig, Spiegelknochen)

Schichtenmodell
 formhaltend auch bei fehlendem Knochen
 Modell näher am Vorbild (Knochen, Haut mit eigenem Volumen)

Hautgeometrie (gegeben)

Federverbindungen

Unterhaut (Offset-Polygon)
Knochen (Offset-Polygon)

Pawel Kazakow

Aktueller Stand der Arbeit

Maya API
 Verschiebung von Polygonknoten – erledigt
 Erstellung von Federverbindungen – erledigt
 Erstellung eines SpringNode
 Erstellung einer Benutzeroberfläche

Offset-Polygon
 Knotenverschiebung entlang der Durschnittsnormalen – erledigt
 Berechnung der optimalen Verschiebungsentfernung
 Bereinigung von Überlappungen
 Effiziente Suche der überkreuzten Flächen

Pawel Kazakow

Federverbindungen – Implementierung in MEL

Erstellung von Federverbindungen mit MEL
 schnell implementiert: Hinzufügen von Federn zum vorhandenen
Federknoten (SpringNode) mit dem Befehl spring -add …
 Skript funktioniert nur bei kleinen Polygonen
 Skript versagt bei großen Polygonen:
 Hautgeometrie mit ca. 60 000 Punkten
 nach ca. 3 Minuten Rechenzeit läuft der Speicher voll (1,5 GB),
der Skript wird abgebrochen
 Kleine Verbesserung durch Abschalten des
Konstruktionsverlaufs constructionHistory -tgl off
 nach ca. 7 Minuten Rechenzeit läuft der Speicher wieder voll,
der Skript wird abgebrochen, es werden nur ca. 20 000 von
6 x 60 000 Federn erstellt

Pawel Kazakow

Federverbindungen – Implementierung in C++ (Maya API)

 Erstellung von Federverbindungen in Maya nicht dokumentiert!

 Entscheidende Hinweise liefert die .ma-Datei: mit MEL-Befehl
SetAttr werden Federverbindungen dem SpringNode nach und
nach hinzugefügt

 Im Wesentlichen legen die Int32Array-Attribute point0 und
point1 die Knotennummern fest, die die einzelnen Federn
verbinden und objekt0 und objekt1 bestimmen zu welchem der
verbundenen Objekte die Knotennummern gehören:

createNode transform -n "spring1";
createNode spring -n "springShape1" -p "spring1";
...
setAttr ".obo" -type "Int32Array" 4 0 0 0 0 ; // object1 (obo)
setAttr ".obz" -type "Int32Array" 4 1 1 1 1 ; // object0 (obz)
setAttr ".pto" -type "Int32Array" 4 1 2 3 3 ; // point1 (pto)
setAttr ".ptz" -type "Int32Array" 4 0 0 1 2 ; // point0 (ptz)
...

Pawel Kazakow

Federverbindungen – Implementierung in C++ (Maya API)

MEL-Befehl
setAttr ".object1" -type "Int32Array" 4 1 0 3 2;

Äquivalenter C++ Code

MFnDependencyNode fnSpring(...);
MPlug plug_object1 = fnSpring.findPlug("object1", true, &Status);
MObject ref;
plug_object1.getValue(ref);
MFnIntArrayData fnIntArray(ref, &Status);
MIntArray int32array_object1(fnIntArray2.array());

int32array_object1.setLength(4);

int i = 0;
int32array_object1[i++] = 1;
Der Plug-In erstellt innerhalb von ca.
int32array_object1[i++] = 0;
int32array_object1[i++] = 3; einer Sekunde alle 6 x 60 000 Federn,
int32array_object1[i++] = 2; ohne Speicherprobleme.

Pawel Kazakow

Offset-Polygon - Methoden

Offset-Berechnung ein komplexes mathematisches Problem!

Indirekte Offset-Methode (IOM)
 keine Überschneidungen
 aufwändig in der Implementierung
 hohe Rechenzeit
 verändert die Topologie
 keine triviale Knotenzuordnung für Federverbindungen

Direkte Methode (DOM)
 Überschneidungen müssen nachträglich entfernt werden
 Beibehaltung der Topologie
 Federverbindungen einfach: Kanteniterierung

Pawel Kazakow

Offset-Polygon – Direkte Offset-Methoden

Direkter Offset in 2D: einfach
 In einem Punkt schneiden sich genau zwei Geraden
 Richtung: Summe der Normalenvektoren der Geraden
 Entfernung: Satz von Pythagoras
 Richtung und Entfernung ergeben eindeutige Position

Direkter Offset in 3D: eine Herausforderung
 Verschiebungsrichtung und -Entfernung in 3D zu finden
 Nachträgliche Entfernung der Überschneidungen

Pawel Kazakow

Offset-Polygon – Direkte Offset-Methoden

Probleme bei einem direkten Offset in 3D:

 In einem Punkt können sich beliebig viele Ebenen* schneiden
Beibehaltung der Parallelität nur bei maximal drei Ebenen

 Keine optimale Verschiebungsmethode bekannt

* Ebenen werden durch Polygonflächen beschrieben

Pawel Kazakow

Offset-Polygon – DOM: Schnittpunkt von drei Ebenen

 Aufwändige Berechnung: Gaußalgorithmus
 Beibehaltung der Parallelität

In der triangulierten Hautgeometrie schneiden sich meistens
sechs Ebenen in einem Punkt:

 Nur bei genau drei Ebenen anwendbar, deshalb ungeeignet!

Pawel Kazakow

Offset-Polygon – DOM: Vertexnormale

 Schnelle Berechnung der Verschiebungsrichtung
aus dem Durchschnitt der Flächennormalen, kann außerdem in
Maya API direkt ausgelesen werden:
Durchschnittliche Flächennormale = Vertexnormale

 Parallelität wird i. d. R. nicht beibehalten

 Entfernung muss noch berechnet werden
 Verschiebung aller Knoten um die gleiche Entfernung kann
zu Überschneidungen führen
 Methode für die Berechnung einer optimalen Entfernung
noch nicht gefunden

Pawel Kazakow

Offset-Polygon – Probleme der Vertexnormalen

Die Durchschnittsnormale gibt oft nicht die optimale Richtung vor!
Beispiel: eine Pyramide mit geneigter Spitze

Flächennormalen Durchschnittsnormalen

Durchschnittsnormale in der Spitze: keine optimale
Verschiebungsrichtung
 Verschiebung in diese Richtung führt zu Überschneidung

Abhilfe: Berechnung einer gewichteten Durchschnittsnormalen

Pawel Kazakow

Offset-Polygon – Existenz der Optimalrichtung

Ursache des Problems:
ungleichmäßige Verteilung von Flächen um den Knoten

Annahme:
es gibt eine optimale Verschiebungsrichtung der
Pyramidenspitze, sodass bei beliebiger positiver
Verschiebungsentfernung keine Überschneidung zwischen
Offset- und Original-Polygon entsteht.

Bedingung (folgt aus Annahme):
Ist die Verschiebungsrichtung optimal, so ist die Relation
(größter / kleiner) zwischen zwei Verschiebungsentfernungen
gleich der Relation zwischen allen Winkeln zwischen Original-
und Offset-Ebenen (z. B. erhöht man die
Verschiebungsentfernung, so werden alle Winkel zwischen
Original- und Offset-Ebenen größer).

Pawel Kazakow

Offset-Polygon – Existenz der Optimalrichtung

Beweisversuch:
O. B. d. A. für Parallelverschiebung von sechs Ebenen um den
gleichen Abstand entstehen zwei Schnittpunkte. Die Mitte der
Geraden, die diese Schnittpunkte verbindet, müsste der neue
optimale Offsetpunkt sein.

Bei einem beliebigen Abstand für Parallelverschiebung müsste
die Richtung der Geraden durch den Original- und Offset-Punkt
stets konstant bleiben.
Für einen gemeinsamen Schnittpunkt muss die Parallelität
aufgegeben werden: alle Ebenen neigen sich zur Mitte der
Verbindungsgerade zweier Schnittpunkte. Folglich werden alle
Winkel zwischen Original- und Offsetebenen größer sein mit
steigender Verschiebungsentfernung, was die Bedingung erfüllt.

Pawel Kazakow

Offset-Polygon – DOM: Gewichtete Vertexnormale

In der Optimalrichtung gesehen, würden die Flächennormalen
etwa folgendes Bild ergeben:

Die Durchschnittsnormale zeigt nicht in die Optimalrichtung
(aus der Präsentationsfolie hinaus), sondern nach oben:

Pawel Kazakow

Offset-Polygon – DOM: Gewichtete Vertexnormale

Grund: die Flächennormalen sind nicht gleichmäßig um den
Optimalvektor verteilt

Ansatz für die Gewichtung: je mehr Flächennormalen pro
Winkeleinheit, desto weniger wird ihre Richtung gewichtet:

Problem: Optimalrichtung nicht vorher bekannt
Lösungsidee: Gewichtung über die Ähnlichkeit (Projektion der
Richtungen aufeinander) der Flächennormalenrichtungen
wählen, aber wie genau?!

Pawel Kazakow

Offset-Polygon – DOM: Kantenrichtung

Bisher wurde versucht den neuen Schnittpunkt ausschließlich aus
Flächennormalen zu bestimmen.
Die Kantenrichtungen wurden vernachlässigt. Eine Flächennormale
ergibt sich aus dem Kreuzprodukt zweier Kantenvektoren und enthält
die Durchschnittsrichtung der Kantenvektoren nicht:

Durchschnittsrichtung
der Kantenvektoren
Flächennormale
Polygonfläche

Kantenvektoren

Kantenrichtung eines Punktes:
Durchschnittliche Richtung aller Kanten, die sich in diesem Punkt
schneiden

Pawel Kazakow


Verschiebung in die Kantenrichtung erfüllt für die
Pyramidenspitze die aus der Annahme gefolgerte Bedingung
und ist damit die optimale Verschiebungsrichtung.

Pawel Kazakow


Diese möglicherweise optimale Verschiebungsrichtung erweist
sich in der Praxis als problematisch.

Vorzeichenproblem: Die Kantenrichtung zeigt nicht immer nach
außen, sodass einige Punkte gegen die Offset-Richtung
verschoben werden.

Offset-Richtung

Weiß: Original-Polygon, grün: Offset-Polygon

Pawel Kazakow


Lösung für das Vorzeichenproblem: im Normalfall zeigen alle
Vertexnormalen nach Außen der Polygonfigur. Zeigt die
Kantenrichtung nach innen, so wird sie negiert.

Annahme: Die Kantenrichtung zeigt nach innen, wenn ihr
Winkel zu der Vertexnormalen 90° überschreitet.

Diese Korrektur produziert ein neues Problem an den Punkten,
wo der Winkel in der Nähe von 90° liegt…

Pawel Kazakow


Abhilfe: Einberechnung der Vertexnormalen in den Durchschnitt
der Kantenrichtungen. Die Kantenrichtung wird vorher negiert,
wenn der Winkel nicht zwischen 80° und 100° beträgt.

Fazit Kantenrichtung:
 Gute Ergebnisse nur bei künstlichen Beispielpolygonen
 Trotz Verbesserungen, Ergebnis beim komplexen Kopf schlecht
 Für die Praxis nicht geeignet

Pawel Kazakow

Vergleich: Kantennormale und Vertexnormale

Vergleich: Blau: Originalpolygon
Rot: Kantenrichtung
Gelb: Vertexnormale

Pawel Kazakow

Vergleich: Kantennormale und Vertexnormale

Kantenrichtung Original Vertexnormale

Offset-Entfernung: 2
Bisher beste Ergebnisse in der Praxis: Vertexnormale

Pawel Kazakow

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