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Dynamisches Hautmodell
für Muskelbasierte Gesichtsanimation

Zwischenergebnisse 01.12.2006



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

Technische Universität Hamburg-Harburg
Inhalt



  Selbstüberschneidungen bei einem 3D-Offset-Polygon
     Erkennung
     Behebung




Pawel Kazakow
Dynamisches Hautmodell - Zwischenergebnisse Dezember 2006
Selbstüberschneidungen


  Zur Offsetberechnung wird eine direkte Methode verwendet.
     Die Topologie des Polygons wird nicht verändert.
     Sehr schnelle Berechnung

  Selbstüberschneidungen
     Entstehen bei einer direkten Offset-Methode
     Können nicht verhindert werden
     Müssen nachträglich entfernt werden

  Herausforderungen bei Entfernung von Selbstüberschneidungen
     Erkennung
     Entfernung




Pawel Kazakow
Dynamisches Hautmodell - Zwischenergebnisse Dezember 2006
Effektivität einer direkten Offset-Methode




  Bereinigung der Selbstüberschneidungen ist die größte
   Herausforderung bei einer direkten Offset-Methode

  Die Effektivität einer direkten Offset-Methode wird an der
   Effizienz der Bereinigung der Selbstüberschneidungen
   gemessen




Pawel Kazakow
Dynamisches Hautmodell - Zwischenergebnisse Dezember 2006
Arten von Selbstüberschneidungen



  Globale
     Entstehen durch zu große Offset-Entfernung
     Ursprünglich gegenüberliegende Flächen überschneiden sich
     Können manuell behoben werden, durch Anpassung der
      Offset-Entfernung
     Automatische Bereinigung nicht sinnvoll
     Automatische Überprüfung der eingegebenen Offset-
      Entfernung denkbar, bevor der Offset-Polygon berechnet
      wird

  Lokale
     Entstehen, wenn der Offset-Polygon in die konkaven
      Bereiche der Originaloberfläche wächst


Pawel Kazakow
Dynamisches Hautmodell - Zwischenergebnisse Dezember 2006
Arten von Selbstüberschneidungen



  Lokale
     Entstehen, wenn der Offset-Polygon in die konkaven
      Bereiche der Originaloberfläche wächst
     Manuelle Bereinigung in der Praxis nicht möglich
     Automatische Erkennung und Bereinigung nötig

        Herausforderung
                  Erkennung
                  Behebung




Pawel Kazakow
Dynamisches Hautmodell - Zwischenergebnisse Dezember 2006
Direkte Offset-Methode                                     Wiederholung



  Offset-Polygon wird durch Verschiebung der Punkte berechnet
     Richtung: Vertexnormale
     Entfernung: manuell eingegebener Offset-Wert

  Verfahren
     Punktpositionen werden in einem Array gespeichert
     Zu jedem Punkt wird seine Vertexnormale multipliziert mit
      dem Offset-Wert dazuaddiert
     Anschließend werden die Punkte an das Polygon-Objekt
      übergeben




Pawel Kazakow
Dynamisches Hautmodell - Zwischenergebnisse Dezember 2006
Erkennung von Selbstüberschneidungen



  Ist es möglich Selbstüberschneidungen allein aus den neuen
   Knotenpositionen zu erkennen?



  Nein, da die Relationen der Punkte zueinander (Flächen und
   Kanten) vollständig fehlen. Zusätzliche Betrachtung der
   ursprünglichen Positionen ist deshalb auch keine Abhilfe.

             Überschneidung bezieht sich auf Kanten und Flächen,
              Punkte können sich nicht selbst überschneiden




Pawel Kazakow
Dynamisches Hautmodell - Zwischenergebnisse Dezember 2006
Erkennung von Selbstüberschneidungen




 Vorder- und Rückseite einer Polygonfläche

        Einzelne Polygonflächen haben eine Rück- und Vorderseite,
         definiert durch das Vorzeichen der Flächennormale (sie zeigt
         aus der Vorderseite)

        Beschreibt ein Polygon einen Volumenkörper (z.B. einen
         Kopf), zeigen die Flächennormalen i. d. R. nach außen, d. h.
         die Vorderseiten der Polygone sind außen zu sehen




Pawel Kazakow
Dynamisches Hautmodell - Zwischenergebnisse Dezember 2006
Erkennung von Selbstüberschneidungen



 Merkmale einer Selbstüberschneidung

        Rückseiten einiger Polygonflächen sind außen sichtbar




Pawel Kazakow
Dynamisches Hautmodell - Zwischenergebnisse Dezember 2006
Erkennung von Selbstüberschneidungen



 Merkmale einer Selbstüberschneidung

        Entstehung geschlossener Bereche in einem Polygon,
         Rückseiten geraten aber nicht nach außen




Pawel Kazakow
Dynamisches Hautmodell - Zwischenergebnisse Dezember 2006
Erkennung von Selbstüberschneidungen



 Merkmale einer Selbstüberschneidung allgemein

        Bestimmte Relation der Flächen zueinander ändert sich
         gegenüber der Relation derselben Flächen im
         Originalpolygon, sobald sie an einer lokalen
         Selbstüberschneidung beteiligt sind




Pawel Kazakow
Dynamisches Hautmodell - Zwischenergebnisse Dezember 2006
Erkennung von Selbstüberschneidungen



 Ansatz für die Erkennung allgemein

        Für jede Fläche muss diese Relation zu allen anderen
         Flächen im Offset-Polygon berechnet und mit den Relationen
         im Originalpolygon verglichen werden

                       Bei n Flächen müssten dann n² Relationen im
                        Original- und Offset-Polygon berechnet und
                        zwischengespeichert werden

        Um die Rechenzeit zu senken und Speicher zu sparen,
         könnte eine feste Anzahl (manuell festgelegt) der
         umliegenden Flächen überprüft werden (Überschneidungen
         topologisch weit entfernter Flächen werden nicht erkannt)



Pawel Kazakow
Dynamisches Hautmodell - Zwischenergebnisse Dezember 2006
Erkennung von Selbstüberschneidungen



 Herausforderungen

  Eine mathematische Relation zu finden, an der sicher erkannt
   werden kann, ob eine Überschneidung vorliegt

  Eine sehr effiziente Implementierung für diese Relation zu
   finden




Pawel Kazakow
Dynamisches Hautmodell - Zwischenergebnisse Dezember 2006
Erkennung von Selbstüberschneidungen


 Welche Eigenschaften ändern sich, wenn Punkte (und damit
 Flächen) in die Offset-Richtung verschoben werden?




Pawel Kazakow
Dynamisches Hautmodell - Zwischenergebnisse Dezember 2006
Behebung von Selbstüberschneidungen



 Ansatz:

        Zurückverschiebung der Punkte bis die Überschneidung
         aufgelöst wird

        Offset-Abstand wird lokal gesenkt




Pawel Kazakow
Dynamisches Hautmodell - Zwischenergebnisse Dezember 2006
Behebung von Selbstüberschneidungen




  Um den Offset-Polygon mit den Überschneidungen nicht zu
   verändern werden die neuen Positionen in einem Array
   gespeichert und später auf das Polygon angewendet

  Es ist nicht ausgeschlossen, dass Flächen nach der
   Verschiebung zusammenfallen. Dies wird vermutlich weder die
   Optik noch die Dynamik stören (sehr kurze Federverbindungen
   verhalten sich nicht anders als Verbindungen mit höherer
   Länge)




Pawel Kazakow
Dynamisches Hautmodell - Zwischenergebnisse Dezember 2006
Behebung von Selbstüberschneidungen



  Liefert der Originalpolygon wertvolle Zusatzinformationen?

  Bei der Verschiebung ändern sich die Vertexnormalen
     Vertexnormalen berechnen sich aus dem Durchschnitt der
      Normalen der Flächen, die den Punkt teilen
     Bei der Offset-Verschiebung kann die Parallelität der Offset-
      Flächen zu den Originalflächen nicht beibehalten werden
     Folglich ändern sich bei der Verschiebung die
      Vertexnormalen




Pawel Kazakow
Dynamisches Hautmodell - Zwischenergebnisse Dezember 2006
Behebung von Selbstüberschneidungen



  Liefert der Originalpolygon wertvolle Zusatzinformationen?

  Ja, denn die optimale Richtung eines Punktes für die
   Zurückverschiebung ist die Vertexnormale dieses Punktes im
   Originalpolygon.




Pawel Kazakow
Dynamisches Hautmodell - Zwischenergebnisse Dezember 2006
Behebung von Selbstüberschneidungen


 Experiment: Zurückverschiebung entlang der Offset-
   Vertexnormalen




        Originalpolygon               Offset-Entfernung: +5   Offset-Entfernung: -5



Pawel Kazakow
Dynamisches Hautmodell - Zwischenergebnisse Dezember 2006
Erkennung von Selbstüberschneidungen


  Bobachtung: Fehler durch die Verschiebung in Richtung der Offset-
  Vertexnormalen treten in den Bereichen der Selbstüberschneidungen auf




                 Offset-Entfernung: +5  -5                 Offset-Entfernung: -4


Pawel Kazakow
Dynamisches Hautmodell - Zwischenergebnisse Dezember 2006
www.muskelbasierte-gesichtsanimation.de

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Zwischenergebnisse 01.12.2006 - Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation

  • 1. Dynamisches Hautmodell für Muskelbasierte Gesichtsanimation Zwischenergebnisse 01.12.2006 www.muskelbasierte-gesichtsanimation.de Präsentation: Pawel Kazakow Betreuer: Prof. Helmut Weberpals Technische Universität Hamburg-Harburg
  • 2. Inhalt  Selbstüberschneidungen bei einem 3D-Offset-Polygon  Erkennung  Behebung Pawel Kazakow Dynamisches Hautmodell - Zwischenergebnisse Dezember 2006
  • 3. Selbstüberschneidungen  Zur Offsetberechnung wird eine direkte Methode verwendet.  Die Topologie des Polygons wird nicht verändert.  Sehr schnelle Berechnung  Selbstüberschneidungen  Entstehen bei einer direkten Offset-Methode  Können nicht verhindert werden  Müssen nachträglich entfernt werden  Herausforderungen bei Entfernung von Selbstüberschneidungen  Erkennung  Entfernung Pawel Kazakow Dynamisches Hautmodell - Zwischenergebnisse Dezember 2006
  • 4. Effektivität einer direkten Offset-Methode  Bereinigung der Selbstüberschneidungen ist die größte Herausforderung bei einer direkten Offset-Methode  Die Effektivität einer direkten Offset-Methode wird an der Effizienz der Bereinigung der Selbstüberschneidungen gemessen Pawel Kazakow Dynamisches Hautmodell - Zwischenergebnisse Dezember 2006
  • 5. Arten von Selbstüberschneidungen  Globale  Entstehen durch zu große Offset-Entfernung  Ursprünglich gegenüberliegende Flächen überschneiden sich  Können manuell behoben werden, durch Anpassung der Offset-Entfernung  Automatische Bereinigung nicht sinnvoll  Automatische Überprüfung der eingegebenen Offset- Entfernung denkbar, bevor der Offset-Polygon berechnet wird  Lokale  Entstehen, wenn der Offset-Polygon in die konkaven Bereiche der Originaloberfläche wächst Pawel Kazakow Dynamisches Hautmodell - Zwischenergebnisse Dezember 2006
  • 6. Arten von Selbstüberschneidungen  Lokale  Entstehen, wenn der Offset-Polygon in die konkaven Bereiche der Originaloberfläche wächst  Manuelle Bereinigung in der Praxis nicht möglich  Automatische Erkennung und Bereinigung nötig  Herausforderung  Erkennung  Behebung Pawel Kazakow Dynamisches Hautmodell - Zwischenergebnisse Dezember 2006
  • 7. Direkte Offset-Methode Wiederholung  Offset-Polygon wird durch Verschiebung der Punkte berechnet  Richtung: Vertexnormale  Entfernung: manuell eingegebener Offset-Wert  Verfahren  Punktpositionen werden in einem Array gespeichert  Zu jedem Punkt wird seine Vertexnormale multipliziert mit dem Offset-Wert dazuaddiert  Anschließend werden die Punkte an das Polygon-Objekt übergeben Pawel Kazakow Dynamisches Hautmodell - Zwischenergebnisse Dezember 2006
  • 8. Erkennung von Selbstüberschneidungen  Ist es möglich Selbstüberschneidungen allein aus den neuen Knotenpositionen zu erkennen?  Nein, da die Relationen der Punkte zueinander (Flächen und Kanten) vollständig fehlen. Zusätzliche Betrachtung der ursprünglichen Positionen ist deshalb auch keine Abhilfe.  Überschneidung bezieht sich auf Kanten und Flächen, Punkte können sich nicht selbst überschneiden Pawel Kazakow Dynamisches Hautmodell - Zwischenergebnisse Dezember 2006
  • 9. Erkennung von Selbstüberschneidungen Vorder- und Rückseite einer Polygonfläche  Einzelne Polygonflächen haben eine Rück- und Vorderseite, definiert durch das Vorzeichen der Flächennormale (sie zeigt aus der Vorderseite)  Beschreibt ein Polygon einen Volumenkörper (z.B. einen Kopf), zeigen die Flächennormalen i. d. R. nach außen, d. h. die Vorderseiten der Polygone sind außen zu sehen Pawel Kazakow Dynamisches Hautmodell - Zwischenergebnisse Dezember 2006
  • 10. Erkennung von Selbstüberschneidungen Merkmale einer Selbstüberschneidung  Rückseiten einiger Polygonflächen sind außen sichtbar Pawel Kazakow Dynamisches Hautmodell - Zwischenergebnisse Dezember 2006
  • 11. Erkennung von Selbstüberschneidungen Merkmale einer Selbstüberschneidung  Entstehung geschlossener Bereche in einem Polygon, Rückseiten geraten aber nicht nach außen Pawel Kazakow Dynamisches Hautmodell - Zwischenergebnisse Dezember 2006
  • 12. Erkennung von Selbstüberschneidungen Merkmale einer Selbstüberschneidung allgemein  Bestimmte Relation der Flächen zueinander ändert sich gegenüber der Relation derselben Flächen im Originalpolygon, sobald sie an einer lokalen Selbstüberschneidung beteiligt sind Pawel Kazakow Dynamisches Hautmodell - Zwischenergebnisse Dezember 2006
  • 13. Erkennung von Selbstüberschneidungen Ansatz für die Erkennung allgemein  Für jede Fläche muss diese Relation zu allen anderen Flächen im Offset-Polygon berechnet und mit den Relationen im Originalpolygon verglichen werden  Bei n Flächen müssten dann n² Relationen im Original- und Offset-Polygon berechnet und zwischengespeichert werden  Um die Rechenzeit zu senken und Speicher zu sparen, könnte eine feste Anzahl (manuell festgelegt) der umliegenden Flächen überprüft werden (Überschneidungen topologisch weit entfernter Flächen werden nicht erkannt) Pawel Kazakow Dynamisches Hautmodell - Zwischenergebnisse Dezember 2006
  • 14. Erkennung von Selbstüberschneidungen Herausforderungen  Eine mathematische Relation zu finden, an der sicher erkannt werden kann, ob eine Überschneidung vorliegt  Eine sehr effiziente Implementierung für diese Relation zu finden Pawel Kazakow Dynamisches Hautmodell - Zwischenergebnisse Dezember 2006
  • 15. Erkennung von Selbstüberschneidungen Welche Eigenschaften ändern sich, wenn Punkte (und damit Flächen) in die Offset-Richtung verschoben werden? Pawel Kazakow Dynamisches Hautmodell - Zwischenergebnisse Dezember 2006
  • 16. Behebung von Selbstüberschneidungen Ansatz:  Zurückverschiebung der Punkte bis die Überschneidung aufgelöst wird  Offset-Abstand wird lokal gesenkt Pawel Kazakow Dynamisches Hautmodell - Zwischenergebnisse Dezember 2006
  • 17. Behebung von Selbstüberschneidungen  Um den Offset-Polygon mit den Überschneidungen nicht zu verändern werden die neuen Positionen in einem Array gespeichert und später auf das Polygon angewendet  Es ist nicht ausgeschlossen, dass Flächen nach der Verschiebung zusammenfallen. Dies wird vermutlich weder die Optik noch die Dynamik stören (sehr kurze Federverbindungen verhalten sich nicht anders als Verbindungen mit höherer Länge) Pawel Kazakow Dynamisches Hautmodell - Zwischenergebnisse Dezember 2006
  • 18. Behebung von Selbstüberschneidungen  Liefert der Originalpolygon wertvolle Zusatzinformationen?  Bei der Verschiebung ändern sich die Vertexnormalen  Vertexnormalen berechnen sich aus dem Durchschnitt der Normalen der Flächen, die den Punkt teilen  Bei der Offset-Verschiebung kann die Parallelität der Offset- Flächen zu den Originalflächen nicht beibehalten werden  Folglich ändern sich bei der Verschiebung die Vertexnormalen Pawel Kazakow Dynamisches Hautmodell - Zwischenergebnisse Dezember 2006
  • 19. Behebung von Selbstüberschneidungen  Liefert der Originalpolygon wertvolle Zusatzinformationen?  Ja, denn die optimale Richtung eines Punktes für die Zurückverschiebung ist die Vertexnormale dieses Punktes im Originalpolygon. Pawel Kazakow Dynamisches Hautmodell - Zwischenergebnisse Dezember 2006
  • 20. Behebung von Selbstüberschneidungen Experiment: Zurückverschiebung entlang der Offset- Vertexnormalen Originalpolygon Offset-Entfernung: +5 Offset-Entfernung: -5 Pawel Kazakow Dynamisches Hautmodell - Zwischenergebnisse Dezember 2006
  • 21. Erkennung von Selbstüberschneidungen Bobachtung: Fehler durch die Verschiebung in Richtung der Offset- Vertexnormalen treten in den Bereichen der Selbstüberschneidungen auf Offset-Entfernung: +5  -5 Offset-Entfernung: -4 Pawel Kazakow Dynamisches Hautmodell - Zwischenergebnisse Dezember 2006