ANIMATIONEN MIT MAYA

Proseminar
3D-Modellierungsprogramme
ANIMATIONEN MIT MAYA
Ramzi Karoui
Uni-Ulm SS 06
3D-Modellierungsprogramme
Animationen mit Maya
INHALTSVERZEICHNIS
1. Einführung ………………………………………………………………………………… 3
2. Die Animationsarten ……………………………………………………………………… 4
2.1. „Keyframe“-Animation ……………………………………………………………… 4
2.2. „Path“-Animation …………………………………………………………………..... 5
2.3. Nicht-lineare-Animation ……………………………………………………………... 6
3. Tools und Einstellungen …………………………………………………………………... 8
3.1.
3.2.
3.3.
3.4.
Der „Range Time Slider“ …………………………………………………………….. 8
Die „Frame Rate“ einstellen …………………………………………………………. 8
Den „Range“ festlegen ................................................................................................... 9
Der „Graph-Editor“ …………………………………………………………………... 9
4. Weitere Animationsmöglichkeiten ………………………………………………………. 11
5. Zusammenfassung ………………………………………………………………………… 11
6. Referenzen …………………………………………………………………………………. 12
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3D-Modellierungsprogramme
Animationen mit Maya
1. Einführung
1.1. Animationen
In der 3D-Computergrafik versteht man unter Animationen die Produktion einer Bildsequenz,
indem die einzelnen Bilder sich verändern, um ein bestimmtes Ereignis zu beschreiben. Dies
kann ein fahrendes Auto sein, ein fliegendes Flugzeug, ........, oder alles andere, was man sich
vorstellen kann.
Dabei steht jedes Bild für ein „Frame“. Der Begriff „Frame“ stammt aus der Filmbranche, wo
die „Echtzeit-Bilder“, die man auf dem Fernsehbildschirm sieht, einzelne Schnappschüsse der
Zeit sind, die nacheinander abgespielt werden.
In der Welt des Films wird jede Sekunde „Echtzeit“ mit 24 Frames dargestellt. Daher läuft ein
Film mit 24 Frames pro Sekunde ab (24 fps). Beim Fernsehen gibt es jedoch mehrere
länderspezifische Normen. In Europa wird als Fernsehnorm PAL verwendet, in Japan, den
Vereinigten Staaten und Kanada NTSC. In anderen Teilen der Welt ist es SECAM. Diese
Videonormen haben andere Frame-Raten: PAL und SECAM 25 Frames pro Sekunde, NTSC 30
fps.
1.2. Maya
Maya ist eine 3D-Modellierungssoftware, die von „Alias | Wavefront“ entwickelt wurde, mit
dem Anspruch die beste aller 3D-Anwendungen zu sein – zumindest was die Animation von
Figuren und Effekten angeht.
Dieses Programm hat sich durch seine Leistungsfähigkeit und Flexibilität zu einer festen Größe
in der 3D-Grafikbranche entwickelt. Von Spezialeffekten für Filme bis hin zu
Produktvisualisierung, Kunst und Spiele ist Maya inzwischen zu einem Standard geworden.
Zudem enthält Maya leistungsfähige Features, unter anderem ein eingebautes Dynamic-System,
Pelz- und Stoffsimulation und ein großes Set an Modellierungswerkzeugen.
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Animationen mit Maya
2. Die Animationsarten
Animieren ist der Prozess, der uns erlaubt, die Eigenschaften eines Objekts, die sich durch die
Zeit verändern, festzulegen und zu bearbeiten. Dazu kann man unterschiedliche Methoden
verwenden, nämlich:
-
„Keyframe“-Animation
„Path“-Animation
Nicht-lineare-Animation
Jede Methode hat ihre eigenen Fähigkeiten, deswegen muss man entscheiden, welche Methode
für ein bestimmtes Ereignis die geeignet ist. Um diesen Zweck würden wir zunächst jede
Methode näher anschauen.
2.1. „Keyframe“-Animation:
Die „Keyframe“-Animation oder auch „Keyframing“ genannt ist die Standardmethode zum
Animieren. Dabei werden die „Frames“ automatisch erstellt, mit anderen Worten braucht man
nur „Keyframes“ für die Ein- und Ausgangspositionen eines Objektes zu setzen, dann füllt
Maya die Zwischen-Frames auf.
Eine weitere Eigenschaft dieser Methode ist die Tatsache, dass sie zeitabhängig ist. D.h. wenn
die Animation einen bestimmten Zeitpunkt erreicht, wo ein „Key“ gesetzt ist, werden die
Attribute eines Objektes die angegebenen Werte übernehmen.
Bei einer einfachen Animation, beispielsweise einem Würfel, der sich von einem Punkt A zu
einem Punkt B bewegt, erstellt man zunächst einen „Keyframe“ mit der Ausgangsposition des
Würfels in Frame 1. dann macht man den letzten „Frame“ der Animation, sagen wir Frame 24.
Man bewegt den Würfel 10 Einheiten auf der x-Achse weiter und erstellt einen zweiten
„Keyframe“. Die Software interpoliert zwischen den beiden „Keys“ und generiert Werte für die
Position des Würfels auf jedem Frame zwischen 1 und 24. Das Ergebnis: der Würfel bewegt
sich über den Bildschirm, wenn man die Animation abspielt.
Abb. 1: „Keyframing“
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Daraus ergibt sich eine lineare Animation, d.h. ohne Beschleunigung. Unser Würfel würde
sofort zu bewegen anfangen, mit gleicher Geschwindigkeit weiterfahren und dann abrupt stehen
bleiben. Diese Bewegung wirkt aber nicht natürlich, der Betrachter geht eben davon aus, dass
der Würfel zunächst beschleunigt wird, eine bestimmte Geschwindigkeit erreicht und dann
langsamer wird bevor er schließlich stehen bleibt, was den physikalischen Gesetzen entspricht.
Um dieses Ergebnis zu erreichen, müssen die „Keyframes“ anders interpoliert werden. Diese
gleichmäßige beschleunigte Animation nennt man „Ease-in, Ease-out“.
Bei mancher Software lassen sich die Interpolationstypen aus einer Liste mit Voreinstellungen
auswählen. Bei Maya wird die Interpolation über Funktionskurven beliebig festgelegt, was dem
Anwender mehr Freiheit lässt (mehr dazu erfahren wir im Abschnitt 3.4. Der „Graph-Editor“).
Wie wir gesehen haben, eine „Keyframe“-Animation basiert auf „Keyframes“. Diese sind
nichts anderes als willkürliche Markierungen, die die Werte der Objekteigenschaften an einem
bestimmten Zeitpunkt bezeichnen.
Die „Keyframes“ oder kurz „Keys“ sind mit einem roten Strich auf dem „Time-Slider“ (wird
später behandelt) zu erkennen. Diese können umorganisiert, dupliziert oder gelöscht werden.
Keyframes
Abb. 2: „Keyframes“
Wenn man ein Objekt animieren will, setzt man auf den „Time-Slider“ „Keys“ die hinweisen,
wo die Attribute dieses Objekts während der Animation geändert werden sollen.
Um diese Attribute zu verändern, kann man entweder numerische Werte angeben oder einfach
die Eigenschaften des Objektes manuell verändern (durch Skalieren, Rotieren, verschieben, ...).
2.2. „Path“-Animation:
Die „Path“-Animation erlaubt es, ein Objekt entlang einem Pfad zu animieren. Der Pfad wird
durch eine Kurve beschrieben, die die Bewegung des Objekts kontrolliert. Im Gegensatz zu
„Keyframing“, wird bei dieser Methode die Bewegung durch die Stelle des Objekts entlang der
Kurve berechnet.
Dabei wird das zu animierende Objekt an eine „NURBS“-Kurve angehängt, dann folgt es der
gebogenen Strecke um eine Bewegung darzustellen. Die „NURBS“-Kurve kann erst als Pfad
bezeichnet werden wenn das Objekt an sie angehängt wird. Die Stelle an der es positioniert wird
ist jedoch sein Rotationspunkt.
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Man kann beliebig auswählen, in welchem Zeitpunkt bzw. an welcher Stelle der Kurve das
Objekt positioniert werden soll. Ob es gerade oder schief, horizontal oder vertikal fahren soll,
kann man auch freiwillig entscheiden, indem man die Orientierung des Objekts während seiner
Bewegung mittels der lokalen Rotationsachsen kontrollieren kann.
Wenn man eine „Path“-Animation erstellt bemerkt man, dass an den äußersten Enden der Kurve
jeweils ein nummerierter Punkt auftaucht. Das sind die „Path Markers“, die die „Keys“ der
Animation bezeichnen, und die entsprechenden Nummern sind nichts anderes als die Start- und
End-„Frames“. Diese Markierungen kann man noch synchronisieren, wenn das Objekt schneller
oder langsamer das Ende des Pfades erreichen soll.
Die „Path“-Animation ist besonderes hilfreich wenn man solche Objekte animieren will, deren
Bewegungen eine bestimmte Flugbahn beschreiben wie etwa Autos, Flugzeuge, Züge,
Kameras….
Objekt
NURBS-Kurve
Start-Frame
End-Frame
Abb. 3: „Path-Animation“
2.3. Nicht-lineare Animation:
2.3.1. Eigenschaften
Die nicht-lineare-Animation wird besonderes bei der Charakter-Animation verwendet.
Nachdem eine Figur beispielsweise mit der „Keyframing“-Methode animiert wurde, kann
man die entsprechenden Animationsdaten in eine einzige Sequenz, Animationsclip genannt,
erfassen.
Maya unterscheidet zwei Typen von Clips und zwar die ursprünglichen- und die regulären
Clips. Genauer werden die originalen Animationsdaten einer Figur in die ursprünglichen
Clips eingelagert, dann erstellt Maya Instanzen dieser Clips, die sog. regulären Clips, die
man verwenden kann, um die Bewegung einer Figur zu definieren. Diese letzten können
dann in den „Trax Editor“ hineingefügt und dort verwaltet werden.
Das Manipulieren, Verschieben und Synchronisieren von regulären Clips, um eine Folge
von Figurenbewegungen zu erzeugen, ist die Basis einer nicht-linearen-Animation.
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Als Beispiel dazu wollen wir einen laufenden Mann gestalten. Dafür müssen wir nicht jeden
Schritt erstellen, sondern es genügt, nur einen zu erstellen und ihn als Clip
zusammenzufassen, den wir beliebig oft verwenden können durch Instanzen, die
nacheinander angelegt werden, um die ganze Schrittfolge zu realisieren.
Diese Instanzen können noch editiert werden, um z.B. einen Sprung zu erzeugen, ohne den
ursprünglichen Clip zu betreffen.
2.3.2. Der „Trax Editor“
Der „Trax Editor“ ist ein Animationstool, das uns erlaubt, Figuren und deren
Animationsclips auszuwählen und zu steuern, Animationssequenzen zu stapeln und
zusammenzuschließen sowie Audioclips zu synchronisieren. Man kann auch die Clips
ausstrecken oder enger machen, dass die „Keyframes“ des Clips langsamer oder schneller
sich ablaufen.
Im „Outliner“ werden sowohl die ursprünglichen Clips, die man in der Szene gestaltet hat,
als auch die regulären Clips aufgelistet. Zunächst wählt man den gewünschten Clip und
kann diese durch „drag and drop“ in die „Track view area“ ablegen. Dadurch fügt Maya eine
Kopie dieses Clips dem entsprechenden Charakter zu. In dem Fall wo man einen Clip für
ein zu animierendes Objekt erstellt, der noch nicht Teil eines Charakter-Satzes ist, stellt der
„Trax Editor“ automatisch für dieses Objekts einen Charakter bereit.
Es ist noch zu erwähnen, dass man im „Trax Editor“ mit allen Animationstypen,
ausgenommen die „Path“-Animation, arbeiten kann.
Character
Clips
Track view area
Outliner
Timeline
Abb. 4: Der „Trax-Editor“
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3. Tools und Einstellungen
In diesem Abschnitt werden wir die Tools, die wir beim Animieren häufig brauchen, kennen lernen
und die wichtigsten Animationseinstellungen vornehmen.
3.1. Der „Range-Time-Slider“
Das ist ein spezifisches Tool zum Animationsprozess in Maya und sehr bedeutend in der
Benutzeroberfläche. Es besteht, wie sein Name besagt, aus einem „Time“- bzw. „Range-Slider“.
Der „Time-Slider“ wird beispielsweise gebraucht, um die Animation abzuspielen, um sie auf ein
bestimmtes „Frame“ zu legen oder auch anzuschauen, wo „Keys“ gesetzt sind.
Was den „Range-Slider“ angeht, wird er verwendet, um die Länge einer Animation in „Frames“
einzustellen. Mit diesem Tool kann man den „Playback-Start“- und „Endframe“ festlegen,
folglich wird die Animation auf diesen Abschnitt eingeschränkt.
Man kann auch die „Range-Bar“ auf einen anderen Abschnitt verschieben bzw. ausstrecken, um
die ganze Animation anzuzeigen.
Abb. 5: Der „Rang-Time-Slider“
3.2. Die „Frame Rate“ einstellen
Man kann weitere Einstellungen wie etwa die Animationslänge und die „Frame-Rate“ in der
„Preferences-Dialog-Box“ vornehmen.
Die „Frame-Rate“ legt die Animationslänge und die Animationsflüssigkeit fest. Standardmäßig
setzt Maya die Animation auf Filmeinstellungen (sprich 24 fps), d.h. in jeder Sekunde der
Animation werden 24 Frames abgespielt.
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Abb. 6: Die „Preferences-Dialog-Box“
3.3. Den „Range“ festlegen
Der „Range“ einer Animation bezeichnet seine Länge in „Frames“. Um ihn zu bestimmen, muss
man im Voraus wissen, wie lang die Animation in Sekunden dauern wird, dann wird die
Animationslänge (in Sekunden) mit der „Frame-Rate“ multipliziert.
Range (frames) = Frame-Rate (fps) * Animation length (sec)
3.4. Der Graph-Editor:
Der „Graph-Editor“ ist ein sehr nützliches Tool, um die gesetzten „Keys“ zu schätzen und zu
bearbeiten. Er stellt die abgeänderten Attribute in Form einer Kurve, die angibt wie oft und wie
schnell Attribute geändert worden sind, dar.
Man kann die Form der Kurve ändern und genau steuern, ohne weitere „Keys“ hinzufügen zu
müssen, indem man auf die einzelnen „Keys“ eingreift und die Tangenten-„Handles“
manipuliert, genau wie bei einer „Bézier“-Kurve in einem Zeichenprogramm.
Man kann auch die Kurven mit der TCB-Steuerung („Tension, Continuity, Bias“) bearbeiten.
TCB steht für die drei Werte eines „Keyframes“, über die sich die Form der eingehenden und
ausgehenden Kurve verändern lässt.
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Maya stellt auch spezielle „Keys“ zur Bearbeitung der Funktionskurven zur Verfügung, die
einen bestimmten Abstand zu den benachbarten Keys halten, die sog. „Breakdowns“. Wenn nur
der letzte „Keyframe“ um einige „Frames“ nach hinten verschoben wird, verschiebt sich auch
der „Breakdown“, da er zwischen den beiden „Keys“ liegt. Dadurch ist es möglich ein Segment
der Animation zu skalieren, ohne ein spezielles Werkzeug dafür zu benötigen oder jeden
„Keyframe“ manuell verschieben zu müssen.
Im „Graph-Editor“ taucht jedes „keyed“ Attribut als eine Linie auf, die entweder nach oben
oder nach unten verläuft, um ihren Wert über die Zeit anzuzeigen. Die Animationszeit geht von
links nach rechts, während die Animationsdaten auf der vertikalen Skala abgebildet sind.
Attributenwerte
„keyed“ Attribute
Funktionskurve
Die folgende Abbildung zeigt
uns, wie eine lineare Interpolation
im „Graph-Editor“ durch eine
gerade Linie zwischen den
„Keyframes“ dargestellt wird.
Dies bedeutet, dass die
Veränderungen der Attributenwerte im Laufe der Zeit konstant
erfolgen. Auf der nächsten
Abbildung sieht man, wie eine
beschleunigte Interpolation, auch
„Ease-in, Ease-out“ genannt,
durch eine gebogene Linie
dargestellt wird.
Frames
Abb. 7: lineare Interpolation
Attributenwerte
„Key“
„keyed“ Attribute
Tangente
Funktionskurve
Frames
Abb. 8: „Ease-in, Ease-out“ Interpolation
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4. Weitere Animationsmöglichkeiten
Hauptsächlich haben wir die Grundanimationsarten behandelt, jedoch gibt es noch andere
fortschrittliche Methoden zur Erstellung von Animationen mit Maya, die zu erwähnen sind,
nämlich:
-
Die „Driven key“-Animation
Diese Methode erlaubt es, interaktive Animationen zu gestalten. Dabei werden die Attribute
zwei verschiedener Objekte miteinander verknüpft, so dass die Änderungen der Attribute
des Ersten des Zweiten beeinflussen.
-
Die „Motion Capture“-Animation
Diese Art von Animation macht es möglich, komplizierte Bewegungsdaten zu generieren,
die wir verwenden können, um Figuren zu animieren.
-
Die „Dynamic“-Animation
Die „Dynamic“-Animation bringt die Gesetze der Physik in Spiel, um Naturkräfte zu
simulieren. Sie wird zur Erstellung realistischer Bewegungen verwendet, die mit den
„Standardmethoden“ schwer zu realisieren sind, wie etwa um ein Erdbeben oder
physikalische Partikel zu simulieren.
5. Zusammenfassung
Tatsächlich hat uns diese Einführung in den Animationsprozess mit Maya die Grundbegriffe
vorgestellt und einen Überblick über die elementaren Methoden zum Erstellen und Bearbeiten von
Animationen, nämlich die “Keyframe”-Animation, die “Path”-Animation und die Nicht-lineareAnimation geliefert.
Wir haben auch die meist verwendeten Tools zum Animieren sowie die wichtigsten
Animationseinstellungen kennengelernt.
Schließlich haben wir erfahren, dass Maya noch mehr Animationsmöglichkeiten für die Erstellung
komplexer Animationen anbietet, und zwar die „Driven Key“-Animation, die „Motion Capture“Animation und die Dynamic“-Animation.
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6. Referenzen
-
Maya 4.5 Fundamentals: Jim Lammers with Lee Gooding, New Riders Verlag, 2003.
-
Digitales 3D-Design: Simon Danaher, Stiebner Verlag, 2002.
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