Photorealistic Human Character Design

Diplomarbeit von Sören Schmidt

Einleitung:

Photorealistic Human Character Design im Bereich von 3D-Produktionen schafft neue Möglichkeiten der Simulation der Wirklichkeit in virtuellen Anwendungen. Die Begeisterung für neue Generationen fotorealer Computerspiele oder die mögliche Umsetzung aufwendiger Actionszenen in Kinofilmen wird erst durch den Einsatz real wirkender Darsteller ermöglicht. Ein Meilenstein in der filmischen Umsetzung ist die „Matrix-Trilogie”. Viele Szenen wurden in diesem Film sehr wirklichkeitsnah durch 3D-Applikationen generiert. Ohne den Einsatz des Character Designs und dem akribischen Detailbewusstsein für Bewegungsabläufe und der Schaffung einer Illusion, die die Wirklichkeit sehr überzeugend darstellt, wäre der Film in der angestrebten Faszination und Glaubhaftigkeit nicht umsetzbar gewesen. Um ein solches Maß an Qualität zu gewährleisten ist es notwendig, die Natur in ihrer Komplexität virtuell darzustellen.

Die Nachempfindung der Eigenschaften der Natur im Schaffungsprozess fotorealer computergenerierter Bilder stellt daher eine außerordentliche Herausforderung dar. Das menschliche Auge nimmt in der realen Welt eine Vielzahl an Informationen auf, die nicht bewusst bis in jedes Detail wahrgenommen werden. Diese Details müssen im 3D-Design umgesetzt werden, um überzeugende, realistische Bilder zu generieren. Im Besonderen wird diese unbewusste Wahrnehmung im täglichen Umgang mit Mitmenschen verdeutlicht. Der Mensch ist perfekt auf die natürlichen Bewegungen und Formen des menschlichen Gesichtes sensibilisiert. Kaum eine Situation wird leichter verstanden als die Emotionen des Gegenübers, die durch Expressionen in den Gesichtszügen definiert sind. Der Mensch ist in der Lage, auf emotionaler Basis, ohne Worte, von Angesicht zu Angesicht zu kommunizieren. Absichten, Gefühle und Meinungen können allein durch verschiedene Gesichtszüge beschrieben werden.

Diese Eigenschaften stellen demnach für die 3D-Reproduktion eines Human Characters hohe Anforderungen an die Detailgenauigkeit der modellierten Geometrie und der Texturinformation der Haut. Bereits kleine Abweichungen des gerenderten Bildes werden vom Betrachter erkannt. Bei computergenerierten Bildern fallen oft Abweichungen oder Fehler auf, welche im ersten Moment nicht genau beschrieben werden können. Es ist jedoch genau definierbar, was an diesem Bild realistisch aussieht und was nicht. Für diese Erkenntnis ist es nicht von Bedeutung, ob ein geschultes Auge vorhanden ist, denn jeder Mensch ist vom Kindesalter an ein Spezialist in der Wahrnehmung seiner Umwelt.

Bisherige Arbeiten im Umfeld des Human Character Designs waren durch die Limitierung der verwendbaren Software in ihrem realistischen Wirken eingeschränkt. Ältere Generationen von Shadern1 waren nicht in der Lage, realistische Varianzen und Feinheiten der Natur widerzuspiegeln. Durch die Implementierung der Subsurface Scattering Shader (s. Abschnitt 5.4.5) sind neue Möglichkeiten vorhanden, vor allem im Character Design, hochrealistische Renderings zu generieren. Diese Möglichkeit allein ist aber nicht ausreichend. Um Vorgänge der Natur wiederzugeben, müssen diese in ihrem Entstehen verstanden werden. Das Licht, welches in seiner formbeschreibenden Art mit Materialien auf eine jeweils andere Art reagiert oder das Verstehen der Funktionsweise eines Shaders ist das fundamentale Basiswissen einer fotorealen Reproduktion. Wenige Publikationen beschäftigen sich mit diesem Thema, in Bezug auf die Anwendbarkeit im Photorealistic Human Character Design. Im Speziellen mit der fotorealen Gestaltung einer menschlichen 3D-Figur oder eines realen Objektes der Architektur in Verbindung mit Animation oder 3D-Animation. Die exakte Nachbildung menschlicher Haut als auch anorganischer Objekte ist vorrangiges Thema. Diese Arbeit soll daher einen genauen Überblick über die Möglichkeiten, Schwierigkeiten und Besonderheiten dieses Produktionsprozesses geben und Lösungsvorschläge anbieten. Um dieses Thema gut zu verstehen, sollen weiterhin alle wichtigen Prozesse in schematischen Darstellungen oder Fotografien dargestellt werden, um die Erfassbarkeit dieses Themas so einfach wie möglich zu gestalten.

Ziel dieser Arbeit ist es, Produktionsprozesse des Photorealistic Human Character Designs, im Hinblick auf die Erschaffung eines weiblichen, real wirkenden Characters zu beschreiben. Jeder dieser Prozesse beinhaltet Problemstellungen, welche beschrieben und gelöst werden. Die Strategie des Marketings, Managements und Controllings der 3D-Produktionsprozesse werden analysiert. Vorgänge der Natur werden beobachtet, analysiert und auf die Möglichkeiten der Reproduktion in 3D-Applikationen untersucht. Diese Kenntnisse werden anschließend in einer praktischen Arbeit auf das Erschaffen eines Portraits angewendet, welches einen realistischen weiblichen 3D-Character abbildet.

Vorgänge des Erstellens dieses Portraits werden im Detail beschrieben und mit Bildern versehen. Für die Darstellung der Reproduktion in 3D, gibt es auf www.novamedia-online.de/3d/3d.html ein exaktes Tutorial über alle wichtigen Einzelheiten der Prozesse vom Beginn bis zum Schluss, welche Aufgrund der Fülle an Details den Rahmen dieser wissenschaftlichen Arbeit übersteigt.

Gang der Untersuchung:

Nach dieser Einleitung beschäftigt sich das zweite Kapitel mit den Besonderheiten des Projektmanagements bei 3D-Produktionen. Unterschiedliche Ansprüche verschiedener Präsentationsmedien werden aufgezeigt. Es wird auf den Ablauf der einzelnen Produktionsprozesse eingegangen und deren Bedeutung im Workflow des gesamten Schaffungsprozesses. Beschreibende Eigenschaften in Bezug zum Character Design werden näher betrachtet.

Im dritten Kapitel werden die verschiedenen Referenzen für die Character- Erstellung näher beleuchtet. Vor- und Nachteile der Erstellung einiger Referenzarten, die für die Qualität der nachfolgenden Bearbeitungsprozesse ausschlaggebend sind, werden aufgelistet. Im vierten Kapitel werden Modellierungsarten einer 3D-Geometrie miteinander verglichen. Die für das Character Modeling Geeigneten, werden genauer betrachtet, und auf deren Besonderheiten in der Anwendung beim Modeling komplexer Geometrien eingegangen.

Das fünfte Kapitel vermittelt das Verständnis für die Interaktionen zwischen Licht und Materie, die Materialeigenschaften wie z.B. den Reflexionsgrad beeinflussen. Dieses Verständnis dient zur weiteren Anwendung beim Erstellen von Materialien. Das sechste Kapitel beschreibt die Wirkungsweisen und Eigenschaften der für das Character Design wichtigsten Texturen, welche Eigenschaften wie Farbe oder Reliefstruktur näher beschreiben. Weiterhin folgt im siebten Kapitel ein Überblick über die verschiedenen Lichtsituationen, welche je nach Tages- und Jahreszeit unterschiedlich sind. Es werden Render-Algorithmen vorgestellt, die eine realistische Simulation dieser Lichtsituationen anstreben.

Das achte Kapitel gibt zusammenfassend die Inhalte der vorangegangenen Kapitel in einem Rendering- und Compositing-Prozess wieder. Abschließend folgt im neunten Kapitel die Schlussbetrachtung und ein möglicher Ausblick in zukünftige Anwendungen.

Inhaltsverzeichnis: