Motion Capturing

MOTION CAPTURING

Hausarbeit von Valerie Weischenberg

ALLGEMEINES

Motion Capturing bezeichnet in erster Linie die Erfassung von Bewegungsabläufen. Hierzu wird ein Trackingverfahren angewendet, welches es ermöglicht, jegliche Bewegungen in ein von Computern lesbares Format umzuwandeln. Computer können so Bewegungen analysieren & aufzeichnen, um diese dann beispielsweise in 3D Animationen weiterzuverarbeiten. Menschliche Bewegungen werden durch auf dem Körper angebrachten Sensoren via Infrarot aufgenommen und digital umgewandelt, um letztendlich dadurch die zu animierenden Charakter zu steuern.

Die Menge der erfassten Daten variiert je nach Anzahl der verwendeten Sensoren (auch Marker genannt). Angefangen bei einfachen Bewegungen bis hin zur Aufzeichnung von verschiedenen Gesichtsausdrücken (Performance Capturing).

In den unten aufgeführten Bildern wird aufgezeigt, wie die Technik des Motion Capturing funktioniert: 

Eine Person wird mit Markern (Sensoren) an den nötigen Stellen des Körpers versehen und in einen virtuellen -von einem Computer bereits erfassten- Raum positioniert. Dieser Raum wird in einem Greenscreenstudio mittels weiterer Sensoren abgesteckt. Die Kameras werden speziell -auf diesen Raum zugeschnitten- justiert, wobei die Entfernungen und Winkel zu den Sensoren die größte Rolle spielen. Nur dadurch können genaue Bewegungen über Infrarot erfasst werden. Denn die Kameras senden einen „Infrarotstrahl“ an die am Körper angebrachten Sensoren und werden von diesen wieder zurückgeschickt.

Die daraus resultierenden Werte, werden durch einen Computer berechnet und es entstehen digitale 3D-Bewegungen.

1998 kam dieses System erstmals bei Star Wars Episoden 1-3 zum tragen. Auch „Gollum“ ist eine durch Motion Capturing animierte Figur.

Bei diesen Filmen wurde allerdings zwischen den in der realen Welt animierten Personen und vom Computer generierten Figuren geswitcht, ohne dass eine Grenze sichtbar wird.

Der erste „reine“ Animationsfilm, der die Technik des Motion Capturing bekannt machte, war „Der Polarexpress“ aus 2004. Hier konnte Tom Hanks mehrere Personen verkörpern.

ANFÄNGE & VORLÄUFER

Bereits Ende des 19. Jahrhunderts wurden Bewegungsabläufe aufgezeichnet und analysiert. Durch Eadweard Muybridge wurde beispielsweise durch Serienfotografie die exakte Beinstellung eines Pferdes während dem Galopp bestimmt. So wurde erstmals der Beweis erbracht, dass sich beim galoppierenden Pferd, zeitweise alle vier Beine in der Luft befinden.

Zur Herstellung von richtigen Filmen konnte diese Analyse noch wenig beitragen, trotzdem sind Muybridges Fotos bis heute Vorbild für Animatoren.

Erst mit der Erfindung der Rotoskopie durch Max Fleischer, entstand ein Verfahren, das geeignet war, komplexe Bewegungen relativ einfach in Zeichentrick zu übertragen.

                                                                     

                                                                 ROTOSKOPIE

Mittels einer Kamera wird hier das Bild auf eine Oberfläche projiziert, sodass der Zeichner die Bewegungen Bild für Bild abpausen oder abzeichnen kann.

EIN FILM VON MAX FLEISCHER, DER MITTELS ROTOSKOPIE ERSTELLT WURDE:

TECHNIKEN

Auch beim Motion Capturing kann zwischen mehreren Verfahrensweisen unterschieden werden, diese können allerdings auch in Kombination auftreten.

Unterschieden wird zwischen:

OPTISCHEN VERFAHREN

• Tracken mit Markern

—> hier wird mit speziellen Infrarotkameras gearbeitet, die die Positionen der        Marker verfolgen. Anhand dieser Bewegungsverfolgung in den einzelnen Kamerabildern, kann mittels einer Messtechnik die Position (Bewegung) der Sensoren in 3D berechnet werden.

• Tracken ohne Marker

—> via Mustererkennung: hier wird über eine Mustererkennung in der Bildverarbeitung möglich, markerlos zu tracken

—> via Silhouettetracking: hier wird zuerst über bildverarbeitende Algorithmen  eine Silhouette vom Raum extrahiert, im Anschluss wird ein virtuelles Modell verwendet, um die Gelenkpositionen zu erfassen und zum Schluss ist es möglich damit die kinematischen Parameter zu berechnen. 

—> Die Vorteile beim Tracken ohne Marker:

- Fehler der Marker werden vermieden ( z.B. Verschiebungen auf der Haut oder ungenaues       Anbringen der Sensoren)

- Diese Methode ist auch wesentlich umaufwendiger im Gegensatz zum Tracking mit Markern

NICHTOPTISCHE VERFAHREN

Als nichtoptische Verfahren werden beispielsweise magnetisches Tracking, als auch akustisches Tracking (ein akustischer Sender ermittelt ein Schallsignal, das von mindestens 3 Empfängern, sie an verschiedenen Orten aufgestellt sind, registriert wird) bezeichnet.

DIGITALE WEITERVERARBEITUNG DER TRACKINGDATEN FÜR ANIMATIONSFILME

Über ein geeignetes Plugin können die rohe Trackingdaten in 3D-Systeme importiert werden. In der Weiterverarbeitung werden diese auf ein virtuelles Skelettübertragen.

Das Konstrukt des Skeletts (Rigging) legt fest, wie die einzelnen Teile eines Meshes (Polygonnetz- siehe Bilder unten) bewegt, bzw. animiert werden können.

Das Rig (Skelett) kann also mit den sogenannten „Meshes“ verknüpft werden und im nächsten Step dem „Skinning“ (ein Drahtgittermodell) zugeordnet werden. Das Skinning legt demnach die grundlegende Motorik des Charakters fest.

Durch das Skinning ist auch es auch möglich, die Gewichtung einzelner Teile des Drahtgitters zu überlagern, sodass  z.B. beim Beugen eines Armes eine Muskelbewegung/Schwellung simuliert wird. Dies lässt den Charakter noch reeller und glaubwürdiger erscheinen.

FILME BEI DENEN MOTION CAPTURING ZUR ANIMATION VON COMPUTERGENERIERTEN CHARAKTEREN VERWENDET WURDE

„Der Polarexpress“

„Avatar“, „Planet der Affen“ & „Fluch der Karibik“

„Smaug“ aus „Der Hobbit“

FAZIT

Bei der Recherche über Motion Capturing stößt man immer wieder auf die Vorreiter und Anfänge der Animation. Man kann wunderbar sehen, wie sich im Laufe der Zeit Verfahrensweisen immer weiterentwickeln und optimieren, aber doch immer wieder auf den „Ursprung“ zurückgegriffen wird.