Animation mit bildbasierter Szenendarstellung
- Art: Diplomarbeit
- Autor: Katrin Schmid
- Abgabedatum: Oktober 2003
- Umfang: 107 Seiten
- Dateigröße: 4,3 MB
- Note: 1,0
- Institution / Hochschule: Bauhaus-Universität Weimar Deutschland
- ISBN (eBook): 978-3-8324-7556-7
-
ISBN (Paperback) :
978-3-8324-7556-7 P - ISBN (CD) :978-3-8324-7556-7 CD
- Sprache: Deutsch
- Prämierung:
- Arbeit zitieren: Schmid, Katrin Oktober 2003: Animation mit bildbasierter Szenendarstellung, Hamburg: Diplomica Verlag
- Schlagworte: Spezialeffekt, Renderverfahren, Panorama, Time-Slice-Effekt, Matrix
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Diplomarbeit von Katrin Schmid
Einleitung:
In der Computergrafik findet, im Vergleich zu anderen Forschungsgebieten, ein rascher Transfer von Forschungsergebnissen in die Medienproduktion statt. Bei der bildbasierten Szenendarstellung handelt es sich um ein relativ neues Teilgebiet der Computergrafik und nicht nur um eine einzelne, sondern eine Vielzahl unterschiedelicher Techniken und Varianten. Auf den ersten Blick erscheint das Thema daher etwas „unzugänglich“. Die plenoptische Funktion strukturiert es jedoch theoretisch und es lassen sich viele bekannte Techniken und Anwendungen zuordnen.
Ziel der Arbeit ist es, Anwendern mit Grundkenntnissen im Bereich Computergrafik einen kompakten und anschaulichen Überblick über die Techniken und Anwendungsgebiete der bildbasierter Szenendarstellung zu geben. Da insbesondere die Möglichkeiten erkundet werden sollen, reale und synthetische Bilder zu kombinieren, stammen die angeführten Beispiele überwiegend aus dem Bereich Animation oder Film.
Gang der Untersuchung:
Die Arbeit beginnt mit einer Einordnung und kurzen Beschreibung der Entwicklung des Gebiets. Nach einigen grundlegenden Überlegungen und Definitionen werden die wesentlichen Konzepte bildbasierter Computergrafik vorgestellt.
Anschließend folgt eine Beschreibung und Vergleich wichtiger Techniken der bildbasierten Szenenmodellierung und -darstellung , die jeweils anhand eines Beispiels oder einer Anwendung aus dem Bereich Animation oder Film erläutert werden. Eine Diskussion der Vorteile und Grenzen der bildbasierten Szenendarstellung wird durch einen Ausblick auf zukünftige Entwicklungen ergänzt. Es schließt sich ein ausführliches Spielfilm-Beispiel an, für das einige der vorgestellten Techniken kombiniert wurden.
Abschließend dokumentiere ich die Arbeitschritte für das im Rahmen dieser Arbeit umgesetzte praktische Projekt für den Kurzfilm „DIVE“.
Auf der beiliegenden DVD finden sich Beispiele, der Volltext der wissenschaftliche Veröffentlichungen sowie Hinweise auf erhältliche Software.
Inhaltsverzeichnis:
| 1. | Zielsetzung der Arbeit | 1 |
| 2. | Aufbau der Arbeit | 1 |
| 3. | Bildbasierte Modellierung und Darstellung | 2 |
| 3.1 | Entwicklung und Einflüsse | 2 |
| 3.1.1 | Historische Entwicklung | 2 |
| 3.1.2 | Angrenzende Forschungsgebiete | 3 |
| 3.2 | Grundlegende Überlegungen | 3 |
| 3.2.1 | Räumliches Sehen | 3 |
| 3.2.1.1 | Konvergenz | 3 |
| 3.2.1.2 | Disparität der Netzhautbilder | 4 |
| 3.2.1.3 | Parallaxenverschiebung | 4 |
| 3.2.2 | Kameramodell | 5 |
| 3.2.3 | Bildbasierte Szenenrepräsentation | 6 |
| 3.2.3.1 | Die plenoptische Funktion als Rahmen der bildbasierten Szenenrepräsentation | 6 |
| 3.2.3.2 | Akquisition bildbasierter Szenen | 7 |
| 3.2.3.3 | Speicherung | 7 |
| 3.2.3.4 | Bildbasiertes Rendern | 9 |
| 3.3 | Klassifikation bildbasierter Szenenrepräsentation | 9 |
| 3.3.1 | Kriterien | 9 |
| 3.3.2 | Renderverfahren ohne Geometrie-Information: rein bildbasierte Renderverfahren | 12 |
| 3.3.2.1 | Allgemeines | 12 |
| 3.3.2.2 | Panorama | 12 |
| 3.3.2.2.1 | Prinzip | 12 |
| 3.3.2.2.2 | Akquisition und Erstellen | 12 |
| 3.3.2.3 | Apple QuickTime VR | 14 |
| 3.3.2.3.1 | Prinzip | 14 |
| 3.3.2.3.2 | Akquisition und Erstellen von QTVR-Filmen | 15 |
| 3.3.2.3.2.1 | QTVR-Panoramafilm | 15 |
| 3.3.2.3.2.2 | QTVR-Objektfilm | 15 |
| 3.3.2.3.3 | Diskussion | 16 |
| 3.3.2.4 | Multiperspektivische Panoramen | 17 |
| 3.3.2.4.1 | Anwendung: Panoramabilder im virtuellen Set des Films „Spiderman“ | 17 |
| 3.3.2.5 | Konzentrische Mosaike | 18 |
| 3.3.2.5.1 | Prinzip | 18 |
| 3.3.2.5.2 | Akquisition und Erstellen neuer Ansichten | 18 |
| 3.3.2.5.3 | Diskussion | 20 |
| 3.3.2.6 | Lightfields | 20 |
| 3.3.2.6.1 | Prinzip | 20 |
| 3.3.2.6.2 | Akquisition und Erstellen neuer Ansichten | 21 |
| 3.3.2.6.3 | Diskussion | 22 |
| 3.3.2.7 | Anwendung: Der „Timeslice“-Effekt | 23 |
| 3.3.2.7.1 | Prinzip | 23 |
| 3.3.2.7.2 | Kamerasysteme | 23 |
| 3.3.2.7.3 | „Bullet-time“ im Film „Matrix” | 24 |
| 3.3.3 | Renderverfahren mit impliziter Geometrieinformation | 27 |
| 3.3.3.1 | Allgemeines | 27 |
| 3.3.3.2 | Interpolation zwischen Betrachtungspositionen (View Interpolation) | 28 |
| 3.3.3.2.1 | Prinzip | 28 |
| 3.3.3.2.2 | Akquisition und Erstellen neuer Ansichten | 28 |
| 3.3.3.2.3 | Diskussion | 28 |
| 3.3.3.3 | Generieren neuer Betrachtungspositionen durch Morphen (View Morphing) | 28 |
| 3.3.3.3.1 | Prinzip | 28 |
| 3.3.3.3.2 | Akquisition und Erstellen neuer Ansichten | 29 |
| 3.3.3.3.3 | Diskussion | 30 |
| 3.3.3.4 | Transfermethoden | 30 |
| 3.3.4 | Renderverfahren mit expliziter Geometrieinformation | 32 |
| 3.3.4.1 | Allgemeines | 32 |
| 3.3.4.2 | Szenenrekonstruktion mit photometrischen Techniken (Photogrammetrisches Modellieren) | 32 |
| 3.3.4.2.1 | Hybride Verfahren | 32 |
| 3.3.4.2.2 | Szenenrekonstruktion von einem einzelnen Bild | 33 |
| 3.3.4.2.2.1 | Prinzip | 33 |
| 3.3.4.2.2.2 | Szenenrekonstruktion im „Tour into the Picture”-System | 33 |
| 3.3.4.2.3 | Szenenrekonstruktion von mehreren Bildern | 34 |
| 3.3.4.2.3.1 | Allgemein | 34 |
| 3.3.4.2.3.2 | Modellierung mit Hilfe von Silhouetten | 34 |
| 3.3.4.2.3.2.1 | Prinzip | 34 |
| 3.3.4.1.1.1.2 | Anwendung: Rekonstruktion einer bewegten Figur aus den Silhouetten für den Film „Minority Report“ | 35 |
| 3.3.4.2.3.3 | Szenenrekonstruktion durch Stereo-Korrespondenz | 36 |
| 3.3.4.2.3.4 | Rekonstruktion mit Hilfe geometrische Beschränkungen und Bedingungen | 37 |
| 3.3.4.2.3.5 | Rekonstruktion durch Rückschlüsse von der Bewegung auf die Szenenstruktur | 39 |
| 3.3.4.3 | Texturen | 40 |
| 3.3.4.3.1 | Statische Texturen | 40 |
| 3.3.4.3.2 | Bump- und Displacement-Texturen | 41 |
| 3.3.4.3.3 | Kameraabhängige Texturen | 41 |
| 3.3.4.3.3.1 | Kameraabhängige Texturen im „FAÇADE“-Modellierungssystem | 41 |
| 3.3.4.3.3.2 | Anwendung: Fotorealistische virtuelle Sets in den Filmen „Matrix” und „Matrix Reloaded” | 42 |
| 3.3.4.3.3.3 | Anwendungen von Kameraprojektion und approximierten Geometriemodellen | 43 |
| 3.3.4.3.3.3.1 | Titelsequenz des Films „Panic Room“ | 43 |
| 3.3.4.3.3.3.2 | Kameraprojektion für bewegte Figuren | 44 |
| 3.3.4.4 | Sprites und Sprites mit Tiefeninformation | 45 |
| 3.3.4.5 | Geschichtete Tiefenbilder | 46 |
| 3.3.4.5.1 | Prinzip | 46 |
| 3.3.4.5.2 | Akquisition und Erstellen neuer Ansichten | 47 |
| 3.3.4.5.3 | Diskussion | 47 |
| 3.3.4.6 | Bilder mit mehreren Projektionszentren | 48 |
| 3.3.4.6.1 | Prinzip | 48 |
| 3.3.4.6.2 | Akquisition und Erstellen neuer Ansichten | 48 |
| 3.3.4.6.3 | Diskussion | 49 |
| 3.3.4.7 | Kameraabhängige Geometrie | 49 |
| 3.3.5 | Bildbasierte Beleuchtung | 51 |
| 3.3.5.1 | Prinzip | 51 |
| 3.3.5.2 | Aufzeichnen einer Beleuchtungssituation | 51 |
| 3.3.5.2.1 | Lightprobes | 51 |
| 3.3.5.2.1.1 | HDR-Bilder | 51 |
| 3.3.5.2.1.2 | Erstellen eines HDR-Panoramas | 52 |
| 3.3.5.3 | Rekonstruktion einer Beleuchtungssituation | 53 |
| 3.3.5.4 | Diskussion | 54 |
| 3.3.5.5 | Weiterentwicklungen | 55 |
| 3.3.5.5.1 | Bildbasierte Beleuchtung realer Objekte und Darsteller | 55 |
| 3.3.5.5.2 | HDR-Video | 55 |
| 3.3.6 | Vorteile und Grenzen bildbasierter Szenenrepräsentation | 56 |
| 3.3.6.1 | Analyse der Anzahl benötigter Referenzbilder | 56 |
| 3.3.6.2 | Vergleich konventioneller und bildbasierter Rendernverfahren | 57 |
| 3.3.7 | Ausblick | 58 |
| 3.3.8 | Anwendungen in Spielfilmen | 60 |
| 3.3.8.1 | Bildbasierte Szenendarstellung im Film „Fight Club” | 60 |
| 3.3.8.2 | „Virtuelles Kino” im Film „Matrix Reloaded” | 62 |
| 3.3.8.2.1 | Cgi-“Timeslice“-Effekt | 62 |
| 3.3.8.2.2 | „Universal Capture” von Gesichtern | 64 |
| 3.3.8.2.3 | Licht-Rekonstruktion | 66 |
| 3.3.9 | „Timslice“-Effekt für „DIVE“ | 69 |
| 3.3.9.1 | Anforderungen | 69 |
| 3.3.9.2 | Planung, Tests und Previsualisierung | 69 |
| 3.3.9.2.1 | Planung des Kamera-Rigs | 70 |
| 3.3.9.2.2 | Previsualisierung | 70 |
| 3.3.1.2.3 | Test des Kamerasystems | 71 |
| 3.3.9.3 | Dreharbeiten | 72 |
| 3.3.9.3.1 | Aufbau des Kamerasystems | 72 |
| 3.3.9.3.2 | Aufnahmen | 73 |
| 3.3.9.3.3 | Set-Dokumentation | 74 |
| 3.3.9.3.4 | Lightprobe | 75 |
| 3.3.9.4 | Postproduktion | 75 |
| 3.3.9.4.1 | Digitalisieren | 75 |
| 3.3.9.4.1.1 | Scanen der Negative | 75 |
| 3.3.9.4.1.2 | Filmabtastung | 75 |
| 3.3.9.4.2 | 3D-Postproduktion | 76 |
| 3.3.9.4.2.1 | Kameraabhängige Texturen in Maya | 76 |
| 3.3.9.4.2.2 | Figur | 77 |
| 3.3.9.4.2.2.1 | Modell | 77 |
| 3.3.9.4.2.2.2 | Textur | 77 |
| 3.3.9.4.2.2.3 | Füße | 79 |
| 3.3.9.4.3.2.4 | Haare | 80 |
| 3.3.9.4.2.3 | Szene und Beleuchtung | 80 |
| 3.3.9.4.2.3.1 | Hintergrundbilder für Meer und Himmel | 80 |
| 3.3.9.4.2.3.2 | Felsen | 81 |
| 3.3.9.4.2.3.3 | Beleuchtung | 82 |
| 3.3.9.4.3 | Rendern | 83 |
| 3.3.9.4.4 | Retusche | 83 |
| 3.3.9.4.5 | Compositing | 83 |
| 3.3.9.5 | Diskussion | 84 |
| 3.3.9.5.1 | Kosten | 84 |
| 3.3.9.5.2 | „Lessons learned“ | 84 |
| 4. | Danke | 85 |
| 5. | Verzeichnisse | 86 |
| 5.1 | Index | 86 |
| 5.2 | Abbildungen | 88 |
| 5.3 | Verwendete Quellen | 94 |
| 5.4 | Anhang | 99 |
| 5.4.1 | Beispiele | 99 |
| 5.4.2 | Software | 100 |
| 5.4.3 | Tutorials | 100 |
| 5.5 | Nützliche Links | 101 |
HDR-Bilder haben einen größerer Dynamik2001] bereich als mit einer einzigen Blenden- oder Belichtungsstufe aufgenommen oder auf einem herkömmlichen Monitor wiedergegeben werden kann. Daher werden HDR-Bilder üblicherweise aus mehreren Bildern zusammengesetzt. HDR-Lightprobes sind omnidirektionale Panoramabilder, die grundsätzlich mit allen in Abschnitt 3.3.3.2 dargestellten Techniken aufgezeichnet werden können. Eine einfache und übliche Aufzeichnungsmethode sind mehrere Fotos einer verspiegelten Kugel, die in der Szene platziert wird. Theoretisch liefert die Kugel eine 360-Grad-Aufnahme der Umgebung, sie verdeckt aber selbst einen kleinen Teil der Szene und die Ränder sind nicht sehr detailliert. Die Fotos werden mit unterschiedlichen Belichtungsstufen aufgenommen. Normalerweise reicht eine Belichtungsreihe mit 4-8 Aufnahmen. Die Belichtung kann mittels der Blendenstufen, Belichtungszeit, Filmempfindlichkeit oder mit Graufiltern variiert werden. Da die Bilder anschließend mit spezieller Software zu einem einzigen HDR-Bild kombiniert werden, sollte sich die Kameraposition und fotografierte Szene während der Aufnahme nicht verändern. Es empfiehlt sich auch die Belichtungsdaten der einzelnen Bilder zu notieren, da man diese Daten in der HDRISoftware angeben kann. [...]
Konventionelle digitale Bitmap-Bilder können 8 Bit pro RGB-Farbkanal (2^8 =256 Helligkeitsabstufungen pro Kanal) abbilden und werden aufgrund ihres dadurch beschränkten Farbraums als LDRI (Low dynamic range images) bezeichnet. LDR-Bilder entsprechen den Darstellungsmöglichkeiten der meisten heutigen Displays und Ausgabemedien, eignen sich aber nicht zur Speicherung von Lightprobes. Die Pixelwerte solcher Formate sind in der Regel nicht proportional zur Lichtintensität der abgebildeten Szene. Außerdem werden bei sehr hellen Objekten die Werte an der Obergrenze des darstellbaren Farbbereichs einfach abgeschnitten („Clipping“), d. h. allen Intensitäten wird der selbe Wert zugewiesen. Um solche Verfälschung zu vermeiden, werden Lightprobes als HDR-Bilder (HDR: High dynamic range) gespeichert, in denen der gesamte Intensitätsbereich des für den Menschen wahrnehmbaren Lichts abgebildet werden kann [Debevec 2001]. Es existieren mehrere verschiedenen HDR-Dateiformate, deren Pixelwerte proportional zur Lichtintensität sind. [...]
In [Debevec 1998] wird ein einfaches Verfahren zur bildbasierten Aufzeichnung der globalen Umgebungsbeleuchtung vorgestellt. Debevec definiert bildbasierte Beleuchtung (IBL: Image-based lighting) als einen Prozess, bei dem reale oder synthetische Objekte und Szenen mit in realen Umgebungen aufgezeichnetem Licht beleuchtet werden. Diese Technik stellt eine Weiterentwicklung des Reflexions-Mapping dar, das dazu entwickelt wurde, Spiegelungen von Szenen in glänzenden computergenerierten Objekten zu ermöglichen. Bildbasierte Beleuchtung kann genutzt werden, um computergenerierte Objekte in reale Szenen zu integrieren, wobei durch eine globale Beleuchtung sehr realistische Renderergebnisse möglich sind. Es wird also nicht nur die direkte Beleuchtung durch Lichtquellen simuliert, sondern auch die indirekte Beleuchtung, beispielsweise durch an den Wänden eines Raumes reflektiertes Licht, berücksichtigt. [...]
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http://www.diplom.de/ean/9783832475567
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Schmid, Katrin Oktober 2003: Animation mit bildbasierter Szenendarstellung, Hamburg: Diplomica Verlag
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Spezialeffekt, Renderverfahren, Panorama, Time-Slice-Effekt, Matrix
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