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Technische Universität Hamburg-Harburg
The Parallel Computing Group




Dynamisches Hautmodell
für Muskelbasierte Gesichtsanimation
Studienarbeit im Studiengang Informatik-Ingenieurwesen


Pawel Kazakow
23.03.2007

                                         www.muskelbasierte-gesichtsanimation.de


Betreuer: Prof. Dr. Helmut Weberpals
Inhalt
                                                              2




  Einführung

  Anatomie

  Muskelmodelle

  Hautmodelle

  Offset




Pawel Kazakow
Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
Inhalt
                                                              3




  Einführung

  Anatomie

  Muskelmodelle

  Hautmodelle

  Offset




Pawel Kazakow
Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
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 Echtzeitsimulation


Pawel Kazakow
Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
Hauptziel
                                                                  5




 Hauptziel ist die realitätsnahe Simulation der Mimik, also der
 sichtbaren Bewegungen des menschlichen Gesichts!


  Hautbewegungen

  Augenbewegungen

  Zungenbewegungen




Pawel Kazakow
Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
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 Kazakow
Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
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 Kazakow
Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
Gesichtsgeometrie
                                                                                  8




                                                     Hautgeometrie ist eine
                                                     Polygonoberfläche




                                                     Quellen
                                                      3D-Scanner
                                                      Rekonstruktion von Fotos
                                                      Manuelle Modellierung



Pawel Kazakow
Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
Parametergesteuerte Gesichtsanimation
                                                              9




                                             Steuerung




                                                 Haut




Pawel Kazakow
Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
Muskelbasierte Gesichtsanimation
                                                                     10




                     Steuerung




                       Muskeln                                Haut




                      Knochen




Pawel Kazakow
Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
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 Forschungsfeld



Pawel Kazakow
Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
Inhalt
                                                              12




  Einführung

  Anatomie

  Muskelmodelle

  Hautmodelle

  Offset




Pawel Kazakow
Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
Schädel
                                                              13




Pawel Kazakow
Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
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 herunterskalieren




Pawel Kazakow
Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
Erzeugung der Schädelgeometrie
                                                              15




Pawel Kazakow
Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
Erzeugung der Schädelgeometrie
                                                              16




Pawel Kazakow
Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
Gesichtsmuskeln und Muskeltypen
                                                                                      17




                                              Linearmuskeln (und Flächenmuskeln)
                                                 Kontrahieren auf einen Fixpunkt zu




                                              Schließmuskeln
                                                Haben Kontraktionszentren



Pawel Kazakow
Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
Haut
                                                              18




Pawel Kazakow
Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
Haut: Epidermis
                                                              19




Pawel Kazakow
Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
Haut: Fascia
                                                              20




Pawel Kazakow
Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
Haut: Dermis
                                                              21




Pawel Kazakow
Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
Inhalt
                                                              22




  Einführung

  Anatomie

  Muskelmodelle

  Hautmodelle

  Offset




Pawel Kazakow
Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
Muskelmodelle
                                                              23




 Erzeugung der Muskelgeometrie

  Flächenduplikation
  Pfadextrusion



 Kontraktionssteuerung

     Skalierung
     Kraftfeld
     Pfadkontraktion
     Federkraft


Pawel Kazakow
Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
Flächenduplikation
                                                                                24




                                                  Muskelgeometrie wird
                                                   unmittelbar aus der
                                                   Hautgeometrie erzeugt

                                                  Zuordnung der Muskelpunkte
                                                   zu den Hautpunkten einfach

                                                  Für jede Hautgeometrie
                                                   müssen die Muskeln erneut
                                                   erstellt werden




Pawel Kazakow
Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
Flächenduplikation
                                                                                25




                                                  Muskelgeometrie wird
                                                   unmittelbar aus der
                                                   Hautgeometrie erzeugt

                                                  Zuordnung der Muskelpunkte
                                                   zu den Hautpunkten einfach

                                                  Für jede Hautgeometrie
                                                   müssen die Muskeln erneut
                                                   erstellt werden




Pawel Kazakow
Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
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
                                                   werden

Pawel Kazakow
Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
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
                                                   werden

Pawel Kazakow
Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
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
                                                   werden

Pawel Kazakow
Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
Muskelmodelle
                                                              29




 Erzeugung der Muskelgeometrie

  Flächenduplikation
  Pfadextrusion



 Kontraktionssteuerung

     Skalierung
     Kraftfeld
     Pfadkontraktion
     Federkraft


Pawel Kazakow
Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
Muskelkontraktion mit Skalierung
                                                                                  30


                                                              konvexer Muskel
                                                              Schädeloberfläche




                                    Konvexer Muskel
                                    dringt bei Skalierung
                                    in den Schädel ein

Pawel Kazakow
Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
Muskelkontraktion mit Skalierung
                                                                                  31


                                                              konvexer Muskel
                                                              Schädeloberfläche




                                    Konvexer Muskel
                                    dringt bei Skalierung
                                    in den Schädel ein

Pawel Kazakow
Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
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 Kazakow
Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
Muskelkontraktion entlang eines Pfades
                                                              33




Pawel Kazakow
Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
Muskelkontraktion entlang eines Pfades
                                                              34




Pawel Kazakow
Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
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 Muskeln




Pawel Kazakow
Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
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 Muskel


Pawel Kazakow
Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
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 möglich

Pawel Kazakow
Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
Muskelkontraktion mit Federkraft
                                                              38




Pawel Kazakow
Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
Muskelkontraktion mit Federkraft
                                                              39




Pawel Kazakow
Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
Muskelkontraktion mit Federkraft
                                                              40




Pawel Kazakow
Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
Muskelkontraktion mit Federkraft
                                                              41




Pawel Kazakow
Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
Inhalt
                                                              42




  Einführung

  Entwicklungsumgebung

  Anatomie

  Muskelmodelle

  Hautmodelle

  Offset


Pawel Kazakow
Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
Hautmodelle
                                                              43




  Einfaches Hautmodell

  Hautmodell von K. Kähler et al. (2003)

  Hautmodell von Y. Lee et al. (1995)




Pawel Kazakow
Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
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 geeignet


Pawel Kazakow
Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
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 + 2v

Pawel Kazakow
Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
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 + 2v

Pawel Kazakow
Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
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 Kazakow
Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
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 Kazakow
Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
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 voraus




Pawel Kazakow
Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
Hautmodell von Y. Lee et al.
                                                                                50




                                                         Epidermis

                                                         Fettgewebe

                                                         Faszieschicht
                                                         Muskelschicht
                                                         Knochenoberfläche

                                                    v : Knotenanzahl
                                                    e : Kantenanzahl
                                                    h : Anzahl der Hautfedern

                                                    h ≤ 4e + 2v

Pawel Kazakow
Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
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
   möglich



Pawel Kazakow
Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
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. erstellt




Pawel Kazakow
Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
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<2s




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Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
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 Unterkiefer

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Inhalt
                                                              55




  Einführung

  Anatomie

  Muskelmodelle

  Hautmodelle

  Offset




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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 Offset

Pawel Kazakow
Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
Offsetdefinition und Vergleich mit Skalierung
                                                                       57



 Eine Offsetgeometrie beschreibt die Form der
 Originalgeometrie, versetzt um einen Offsetabstand.




                   Skalierung                                 Offset

Pawel Kazakow
Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
Skalierung und Offset im Vergleich
                                                              58




Pawel Kazakow
Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
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 Federverbindungen

Pawel Kazakow
Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
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 Kazakow
Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
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 werden




Pawel Kazakow
Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
Selbstüberschneidungen
                                                              62




  Bei einer direkten Offsetmethode entstehen zwangsläufig
   Selbstüberschneidungen

  Selbstüberschneidungen müssen nachträglich entfernt
   werden



             d                                         2d




Pawel Kazakow
Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
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                       B



Pawel Kazakow
Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
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 Kazakow
Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
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 Originalpolygon



Pawel Kazakow
Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
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 Originalpolygon


Pawel Kazakow
Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
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 min



Pawel Kazakow
Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
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. erzielt


Pawel Kazakow
Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
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. erstellt



Pawel Kazakow
Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
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 erkennen


Pawel Kazakow
Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!
                                                                                     71




                   Fragen?
                                    Live Demos in Maya…

                                                www.muskelbasierte-gesichtsanimation.de




Pawel Kazakow
Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
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. – Forschungsbericht



Pawel Kazakow
Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation

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Abschlussvortrag 23.03.2007 - Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation

  • 1. Technische Universität Hamburg-Harburg The Parallel Computing Group Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation Studienarbeit im Studiengang Informatik-Ingenieurwesen Pawel Kazakow 23.03.2007 www.muskelbasierte-gesichtsanimation.de Betreuer: Prof. Dr. Helmut Weberpals
  • 2. Inhalt 2  Einführung  Anatomie  Muskelmodelle  Hautmodelle  Offset Pawel Kazakow Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
  • 3. Inhalt 3  Einführung  Anatomie  Muskelmodelle  Hautmodelle  Offset Pawel Kazakow Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
  • 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 Echtzeitsimulation Pawel Kazakow Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
  • 5. Hauptziel 5 Hauptziel ist die realitätsnahe Simulation der Mimik, also der sichtbaren Bewegungen des menschlichen Gesichts!  Hautbewegungen  Augenbewegungen  Zungenbewegungen Pawel Kazakow Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
  • 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 Kazakow Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
  • 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 Kazakow Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
  • 8. Gesichtsgeometrie 8 Hautgeometrie ist eine Polygonoberfläche Quellen  3D-Scanner  Rekonstruktion von Fotos  Manuelle Modellierung Pawel Kazakow Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
  • 9. Parametergesteuerte Gesichtsanimation 9 Steuerung Haut Pawel Kazakow Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
  • 10. Muskelbasierte Gesichtsanimation 10 Steuerung Muskeln Haut Knochen Pawel Kazakow Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
  • 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 Forschungsfeld Pawel Kazakow Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
  • 12. Inhalt 12  Einführung  Anatomie  Muskelmodelle  Hautmodelle  Offset Pawel Kazakow Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
  • 13. Schädel 13 Pawel Kazakow Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
  • 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 herunterskalieren Pawel Kazakow Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
  • 15. Erzeugung der Schädelgeometrie 15 Pawel Kazakow Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
  • 16. Erzeugung der Schädelgeometrie 16 Pawel Kazakow Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
  • 17. Gesichtsmuskeln und Muskeltypen 17 Linearmuskeln (und Flächenmuskeln) Kontrahieren auf einen Fixpunkt zu Schließmuskeln Haben Kontraktionszentren Pawel Kazakow Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
  • 18. Haut 18 Pawel Kazakow Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
  • 19. Haut: Epidermis 19 Pawel Kazakow Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
  • 20. Haut: Fascia 20 Pawel Kazakow Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
  • 21. Haut: Dermis 21 Pawel Kazakow Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
  • 22. Inhalt 22  Einführung  Anatomie  Muskelmodelle  Hautmodelle  Offset Pawel Kazakow Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
  • 23. Muskelmodelle 23 Erzeugung der Muskelgeometrie  Flächenduplikation  Pfadextrusion Kontraktionssteuerung  Skalierung  Kraftfeld  Pfadkontraktion  Federkraft Pawel Kazakow Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
  • 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 werden Pawel Kazakow Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
  • 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 werden Pawel Kazakow Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
  • 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 werden Pawel Kazakow Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
  • 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 werden Pawel Kazakow Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
  • 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 werden Pawel Kazakow Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
  • 29. Muskelmodelle 29 Erzeugung der Muskelgeometrie  Flächenduplikation  Pfadextrusion Kontraktionssteuerung  Skalierung  Kraftfeld  Pfadkontraktion  Federkraft Pawel Kazakow Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
  • 30. Muskelkontraktion mit Skalierung 30 konvexer Muskel Schädeloberfläche Konvexer Muskel dringt bei Skalierung in den Schädel ein Pawel Kazakow Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
  • 31. Muskelkontraktion mit Skalierung 31 konvexer Muskel Schädeloberfläche Konvexer Muskel dringt bei Skalierung in den Schädel ein Pawel Kazakow Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
  • 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 Kazakow Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
  • 33. Muskelkontraktion entlang eines Pfades 33 Pawel Kazakow Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
  • 34. Muskelkontraktion entlang eines Pfades 34 Pawel Kazakow Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
  • 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 Muskeln Pawel Kazakow Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
  • 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 Muskel Pawel Kazakow Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
  • 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 möglich Pawel Kazakow Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
  • 38. Muskelkontraktion mit Federkraft 38 Pawel Kazakow Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
  • 39. Muskelkontraktion mit Federkraft 39 Pawel Kazakow Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
  • 40. Muskelkontraktion mit Federkraft 40 Pawel Kazakow Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
  • 41. Muskelkontraktion mit Federkraft 41 Pawel Kazakow Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
  • 42. Inhalt 42  Einführung  Entwicklungsumgebung  Anatomie  Muskelmodelle  Hautmodelle  Offset Pawel Kazakow Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
  • 43. Hautmodelle 43  Einfaches Hautmodell  Hautmodell von K. Kähler et al. (2003)  Hautmodell von Y. Lee et al. (1995) Pawel Kazakow Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
  • 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 geeignet Pawel Kazakow Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
  • 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 + 2v Pawel Kazakow Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
  • 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 + 2v Pawel Kazakow Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
  • 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 Kazakow Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
  • 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 Kazakow Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
  • 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 voraus Pawel Kazakow Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
  • 50. Hautmodell von Y. Lee et al. 50 Epidermis Fettgewebe Faszieschicht Muskelschicht Knochenoberfläche v : Knotenanzahl e : Kantenanzahl h : Anzahl der Hautfedern h ≤ 4e + 2v Pawel Kazakow Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
  • 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 möglich Pawel Kazakow Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
  • 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. erstellt Pawel Kazakow Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
  • 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<2s Pawel Kazakow Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
  • 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 Unterkiefer Pawel Kazakow Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
  • 55. Inhalt 55  Einführung  Anatomie  Muskelmodelle  Hautmodelle  Offset Pawel Kazakow Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
  • 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 Offset Pawel Kazakow Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
  • 57. Offsetdefinition und Vergleich mit Skalierung 57 Eine Offsetgeometrie beschreibt die Form der Originalgeometrie, versetzt um einen Offsetabstand. Skalierung Offset Pawel Kazakow Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
  • 58. Skalierung und Offset im Vergleich 58 Pawel Kazakow Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
  • 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 Federverbindungen Pawel Kazakow Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
  • 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 Kazakow Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
  • 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 werden Pawel Kazakow Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
  • 62. Selbstüberschneidungen 62  Bei einer direkten Offsetmethode entstehen zwangsläufig Selbstüberschneidungen  Selbstüberschneidungen müssen nachträglich entfernt werden d 2d Pawel Kazakow Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
  • 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 B Pawel Kazakow Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
  • 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 Kazakow Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
  • 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 Originalpolygon Pawel Kazakow Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
  • 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 Originalpolygon Pawel Kazakow Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
  • 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 min Pawel Kazakow Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
  • 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. erzielt Pawel Kazakow Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
  • 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. erstellt Pawel Kazakow Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
  • 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 erkennen Pawel Kazakow Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
  • 71. Vielen Dank für die Aufmerksamkeit! 71 Fragen? Live Demos in Maya… www.muskelbasierte-gesichtsanimation.de Pawel Kazakow Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation
  • 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. – Forschungsbericht Pawel Kazakow Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation

Notes de l'éditeur

  1. 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.
  2. Demo 1 – Dynamikanimation
  3. Demo 2 – gegebene Hautgeometrie, Polygone
  4. 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
  5. Parametergesteuerte Gesichtsanimation Erste Versuche um 1970 Aufwand und Kosten bei großen Projekten akzeptabel Muskelbasierte Gesichtsanimation Erste Versuche um 1990 Offenes Forschungsfeld
  6. Von den 26 Gesichtsmuskeln des Menschen sind im wesentlichen 8 für die Mimik verantwortlich http://de.wikipedia.org/wiki/Gesichtsmuskeln
  7. Hautdicke: 1 bis 4 mm
  8. Hautdicke: 1 bis 4 mm
  9. Hautdicke: 1 bis 4 mm
  10. Hautdicke: 1 bis 4 mm
  11. Festlager: Starrer Körper (z. B. der Schädel) Gleitlager: Elastischer Körper (z. B. Haut)
  12. Festlager: Starrer Körper (z. B. der Schädel) Gleitlager: Elastischer Körper (z. B. Haut)
  13. Ruhelänge der Federn zwischen Haut und Knochen ist gleich Null.
  14. Ruhelänge der Federn zwischen Haut und Knochen ist gleich Null.
  15. Wenig Speicherverbrauch
  16. Jahr: 1995
  17. Mehr Federn zusätzlich wegen der geforderten höheren Auflösung des Polygons.
  18. 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!
  19. DEMO: Skalierung des einfachen Kopfes
  20. Offset 3D: offenes Forschungsfeld