MuK-Special: Animation

       Belegarbeit von Nadine Rödel und Cornelia Kampe zum Thema : "Animationserstellung"
       (Voltaire-Gesamtschule, Klassenstufe 12, Schuljahr 1999/2000, Fachlehrer: Herr Kassulke)

1. Was ist überhaupt „Animation"?

Animation von animare (lat.): belebt, bewegt. „Animation ist die Vortäuschung von Bewegung durch graduelle Veränderung über die Zeit". ("time sequence of visual changes in a scene"). Durch die Trägheit des menschlichen Auges (Nachwirkzeit) entsteht ab ca. 20 Bildern pro Sekunde der Eindruck einer flüssigen Bewegung.

Konventionelle Animation

Schon seit den Anfängen der visuellen Abbildung (sprich: der Malerei) war man bemüht, den dargestellten Szenen 'Leben' in Form von Bewegung einzuhauchen. Dies wurde zum Teil durch bewegliche Teile des Bildes verwirklicht. Tüftler und Bastler kreierten die sonderbarsten Gerätschaften mit phantastischen Namen wie "Laterna Magica", "Phenakistoskop", „Kinematoskop", usw. All diese Geräte basieren auf dem raschen Wechsel leicht veränderter Bilder. Dieses Verfahren gibt es leicht abgewandelt auch als bekanntes "Daumenkino". Mit der Entwicklung der Photographie im 18. Jahrhundert erschlossen sich der Animation neue Möglichkeiten. Nun war es möglich, eine Bewegung in einer raschen Folge von Photos einzufangen.

Computeranimation

Die Computeranimation ist in vielfältiger Weise die Weiterführung der konventionellen Animation mit modernen Mitteln. Sie reicht von der bloßen Aufzeichnung des konventionell Animierten, der Verfremdung von herkömmlich gedrehten Filmen (Special Effects) über den vollständig am Computer generierten Film bis zur interaktiven Virtuellen Realität.

1.2. Der Medientyp Animation

Animation (lat.) bedeutet „Belebung". Im herkömmlichen Sinn wird Animation im Zusammenhang mit der Filmtechnik als eine Szene bewegter Bilder verstanden. Das klassische Beispiel dafür ist der Zeichentrickfilm. Der Begriff lässt sich jedoch verallgemeinern. Animation eines grafischen Objektes ist nicht nur auf die Veränderung dessen Position (Bewegung) beschränkt. Neben dem Attribut Position, gehören beispielsweise Attribute wie Form, Farbe, Orientierung und Oberflächenstruktur zu einem Grafikobjekt. Generell können alle Attribute animiert werden.

In einer Animation werden allerdings nicht nur Objekte betrachtet, sondern auch deren Umgebung. So können Filmszenen auch aus Veränderungen der Beleuchtungsintensität oder Kameraposition bestehen. Allgemein wird Animation als zeitkontinuierliche Änderung einer oder mehrerer Attribute eines Objekts definiert. Unter Objekte fallen neben den oben schon aufgeführten grafischen Objekten beispielsweise auch Audioobjekte, die sich in Lautstärke, Frequenz und Klang animieren lassen. Der Vorteil bei der Verwendung von Animationen besteht darin, dass dem Betrachter innerhalb kurzer Zeit viele Informationen präsentiert werden können. Die Informationsaufnahme ist im günstigsten Fall höher als beim Lesen eines Textes oder beim Betrachten einer Grafik.

Animationen wecken zudem das Interesse des Betrachters und führen nicht so schnell zu Ermüdungserscheinungen wie textuelle Darstellungen. Der dreidimensionale Eindruck, den der Mensch trotz seines zweidimensionalen Sehens bekommt, hängt zum Teil von Bewegungen ab. Weiter entfernte Objekte bewegen sich langsamer als nähere.

Zu den typischen Einsatzgebieten der Animation gehören neben der Unterhaltung (Zeichentrick, Computerspiele, etc.) auch der Entwurf und Präsentation von Produkten. Darunter fällt auch die Werbebranche, die seit einigen Jahren verstärkt Computeranimationen einsetzt. Weiterhin sind Animationen aus Bildung und Nachrichten bekannt, wo sie dem Zuschauer komplexe Vorgänge transparent übermittelt. Ein großes Einsatzgebiet ist die Visualisierung von Simulationen. Nur durch die Animation können Auswirkungen vieler Simulationen für den Benutzer sichtbar werden. Beispielsweise werden Animationen in der Wetterforschung eingesetzt.

2. Klassische Animationstechniken

2.1 Dynamik in stehenden Bildern

Der Eindruck eines dynamischen Vorgangs muss nicht immer an ein zeitkontinuierliches Medium gebunden sein. Schon ein einzelnes Bild kann viel über Zustandsänderungen einer Szene aussagen. Einige Techniken, in stehenden Bildern Dynamik zu erzeugen, werden hier vorgestellt:

Körperhaltung: Der Betrachter kann anhand der Körperhaltung einer Figur deren Bewegung und Bewegungsrichtung erkennen. So kann ein Läufer von einem stehenden Menschen unterschieden werden und die Bewegungsrichtung des Läufers ist erkennbar.

Deformierung eines Objektes kann z.B. beim freien Fall oder auch bei Kollisionen eingesetzt werden. Aus der veränderten Form kann der Betrachter auf Aufschlagsstärke und die vorherige Bewegungsrichtung der Objekte schließen.

Wellenformen bedeuten für den Betrachter fast immer eine Bewegung oder (periodische) Zustandsänderung eines Objektes. So werden Wasser, Rauch, Flammen oder Dampf immer wellenförmig gezeichnet.

Explosionen und Blitze sind Beispiele dafür, wie sich komplexe Abläufe durch eine einfache Zeichnung darstellen lassen. Der Betrachter kann bei geschickter Konstruktion die Bewegungsrichtung, Ausmaß und gleichzeitig die Wirkung auf die Figuren ermessen.

Spuren zeigen den vollendeten Weg eines Objektes an. Dadurch lässt sich z.B. eine Reise dokumentieren.

Unschärfe oder Verwackeln ist aus der Fototechnik bekannt und vermittelt dem Betrachter den Eindruck, dass sich das unscharfe Objekt im Moment der Aufnahme schnell bewegt hätte. Beim Erstellen eines Bildes muss der Zeichner die Gesetze der Perspektive und die Naturgesetze, wie Schwerkraft und Trägheit der Körper beachten. Dies gilt sowohl in einem Film wie auch in einzelnen Bildern.

2.2. Der Zeichentrickfilm

Der Zeichentrickfilm bietet aufgrund seiner inzwischen langen Geschichte ein breites Repertoire an Animationstechniken. Die einfachste Art, eine Szene zu erstellen, besteht darin, jedes einzelne Bild komplett zu zeichnen und ab zu fotografieren. Die in der Videotechnik vorgegebene Anzahl von 24 Bildern pro Sekunde dient als Richtlinie für Planung und Berechnung der einzelnen Bewegungsabläufe. Dabei genügt es allerdings zwölf Zeichnungen pro Sekunde zu erstellen, die dann jeweils zweimal abfotografiert werden. Dies reicht aus, um dem Zuschauer eine fließende Animation zu bieten. Bevor mit der Erstellung des Zeichentrickfilms begonnen werden kann, sind Vorarbeiten zu leisten. Der Inhalt des Films wird in einem Drehbuch festgehalten. Das Drehbuch beschreibt jedoch nur rein textuell die Handlung.

Für die Regie ist jedoch notwendig einen zeitlichen Ablaufplan mit visuellen Elementen zu erstellen. Aus dem Drehbuch wird darum ein Storyboard erstellt, in dem entlang einer Zeitleiste die Handlungsführung, Szenenwechsel und Kamerabewegungen aufgeführt sind. Anhand der Zeitleiste kann dann genau berechnet werden, wie viele Phasen für eine Bewegung gezeichnet werden müssen. Außerdem werden Charakterzüge und Mimik der Figuren sowie grobe Landschaftsskizzen entworfen. Das Storyboard ist sowohl für die Regie, als auch für die Zeichner und den Kameramann wichtig und von großem Vorteil. Deshalb wird es in ein Layout für die Zeichner und einen Fahrplan für den Kameramann aufgeteilt:

Das Layout enthält die Unterteilung der Szenen in ständig bewegte, zeitweise bewegte und unbewegte Objekte. Für bewegte Objekte werden Schlüsselzeichnungen erstellt. Schlüsselzeichnungen repräsentieren wichtige Aktionen innerhalb einer Animation. So werden das Auftreten von Charakteren, Bewegungsänderungen in Geschwindigkeit und Richtung oder Änderungen der Perspektive als Schlüsselbild festgehalten. Ist das Herstellungsteam des Films mit dem Layout zufrieden, können die fehlenden Phasen zwischen den Schlüsselbildern gezeichnet werden.

Der Fahrplan enthält die typischen Kameraanweisungen, wie Fahrt, Zoom, Schnitte, Auf-, Ab- und Überblendungen. Ebenso wird die Beleuchtung detailliert festgehalten.

Aus diesen Vorarbeiten kann dann je nach Anspruch des Filmes von einer einfachen Strichzeichnung bis hin zur kolorierten Fassung mit mehreren Hintergründen und Panoramen, Musik, Sprache und Geräuschuntermalung alles erstellt werden. Um die Zeichenarbeit jedes einzelnen Bildes zu reduzieren, werden verschiedene Methoden benutzt. Der Hintergrund, der nur einmal zu zeichnen ist, wird von den animierten Objekten getrennt. Das Objekt kann wieder aufgeteilt werden. So wird zum Beispiel der statische Rumpf von den Gliedmaßen getrennt, um den Rumpf nicht bei jedem Bild mitzeichnen zu müssen.

Viele Animationen sind periodisch, d.h. dass die Szene aus wenigen Phasen besteht, die sich fortlaufend wiederholen. Ein laufender Mensch kann beispielsweise aus wenigen Phasen zusammensetzt werden, die dann nacheinander über einen Hintergrund bewegt werden. Für wellenartige Bewegungen, wie Rauch, Wasser, etc., müssen meistens nur drei bis sechs Phasen gezeichnet werden.

Die verschiedenen Objekte und Hintergründe werden auf Folien gezeichnet, die beim Abfotografieren auf einem speziellen Tricktisch von hinten beleuchtet werden, um einen höheren Kontrast zu bewirken. Zusätzlich können mehrere Lichtquellen eingesetzt werden, um bessere Farbsättigung und Beleuchtungseffekte zu erzielen.

Wichtig ist, dass Folien und Kamera am Tricktisch fixiert sind, damit es keine unbeabsichtigten Verschiebungen und später keine unbeabsichtigten Bewegungen im Film gibt. Die Folien, die die verschiedenen Phasen einer Animation darstellen, werden hintereinander auf den Hintergrund gelegt und abfotografiert.

Außerdem können die Folien dabei verschoben werden, um eine Bewegung zu erzeugen. Neben der Bewegung des Objektes kann auch ein Panorama hinter den Figuren stückweise bewegt werden. Später im Film erscheint es so, als ob sich die Figur entlang einer Landschaft bewegt. Durch die Verwendung mehrerer Folien übereinander lässt sich eine dreidimensionale Szene vortäuschen. Eine Folie, der Horizont, bleibt während der Aufnahme unbewegt. Weiter entfernte Gegenstände, z.B. ein Gebäude, bewegen sich langsam. Nahe Objekte wie die Hauptfiguren werden dementsprechend schneller bewegt.

Zeichentrickfilm lässt sich einfach mit Realszenen verbinden. Die Hintergrundbeleuchtung des Tricktisches wird dabei durch einen Spiegel ersetzt, auf dem der Realfilm projiziert wird. Die Folien werden dann auf dem Tricktisch fixiert und bilden so eine Einheit mit dem Realbild.

2.3. Der Animationsfilm

Um Plastilinpuppen, Einrichtungsgegenstände oder sonstige starre Gegenstände zu bewegen, bedarf es einer genauen Planung der Bewegungsabläufe. Objekte und Kamera müssen millimetergenau für jede Aufnahme verändert werden. Wichtig dabei ist, dass die Veränderungen gleichmäßig geschehen. Im Gegensatz zum Zeichentrickfilm, in dem das Ergebnis schon anhand der Folien im voraus zu kontrollieren ist, liegt die Hauptarbeit hier beim Abfotografieren.

Soll der Film animierte Gegenstände und Schauspieler gleichzeitig enthalten, bedeutet es für die Darsteller eine besondere Anstrengung an Körper und Disziplin. So muss der Darsteller mehrere Minuten in einer bestimmten Stellung verharren und darauf warten, bis Kamera, Beleuchtung und Objekte für die nächste Aufnahme verändert wurden.

Verändert der Schauspieler seine Position oder Mimik, muss oft die gesamte Szene von vorne gedreht werden, da die ursprüngliche Position mit allen Einzelheiten nur schwer wiederhergestellt werden kann. Ist die Arbeit zwischen Zeichner, Regisseur und Kameramann beim Zeichentrickfilm in zeitliche, voneinander unabhängige Phasen unterteilt, so müssen beim Animationsfilm alle Beteiligten gleichzeitig zusammenwirken. Der große Vorteil dieser Art des Filmens liegt in der vollständigen Dreidimensionalität der Szenen. Allerdings ist die Animation fast nur auf Bewegung beschränkt. So können Farbwechsel, Größen- und Formänderungen starrer Objekte nur schwer realisiert werden.

3. Die Computeranimation

Die Computeranimation kann unter verschiedenen Aspekten betrachtet und in Bereiche unterteilt werden. So unterscheidet man zwischen Bewegungs- und Zustandsanimation. Animationen sind rechnergestützte Generierungen einer Sequenz von Bildern, von denen jedes folgende eine leichte Veränderung des vorherigen ist.

Die Animationstechniken unterscheiden sich auch aufgrund der verschiedenen Computergrafikformate. In der 2D-Technik werden Grafiken meist in Pixmaps angelegt. Die 3D-Technik arbeitet nur mit Vektorgrafiken. Die Anwendungsgebiete der Computeranimation sind z.B. Spiele, Präsentationen und Simulationen. Die Begriffe Animation und Simulation werden oft nicht sauber getrennt. Die Simulation ist allgemein eine Nachbildung von Objektverhalten unter bestimmten physikalischen Gesetzen. Die Animation zeigt die wahrnehmbaren Veränderungen der Objekte in einer bestimmten Zeitspanne. Simulationen können allerdings vollkommen ohne Visualisierung stattfinden und bieten nur ein Endergebnis, gehören damit also nicht zur Animation.

3.1. Pixelgrafik

Pixmaps werden mit einem Malprogramm erstellt. Zudem besteht die Möglichkeit eine Vorlage einzuscannen und im Computer weiterzuverarbeiten. Malprogramme bieten Funktionen zum Erzeugen und Manipulieren von Bildern. Verschiedene Elemente wie Kreise, Rechtecke, etc. können in das Bild eingefügt werden.

Bildausschnitte können z.B. vergrößert, gelöscht oder verfärbt werden. Spezielle Programme zum Bearbeiten von Fotos bieten zudem Funktionen, wie Kontrast- und Helligkeits-änderungen oder Farbfilter an. Die 2D-Grafiktechnik des Computers ähnelt in vielen Bereichen dem Zeichentrick. Die Trennung von bewegten Figuren und (mehreren) Hintergründen ist genauso wie in der analogen Folientechnik möglich. Diese Technik wird beispielsweise in Spielen eingesetzt. Animierte Pixmaps(Sprites) werden über einen starren Hintergrund bewegt. Verfahren, die Computeranimationsprogramme anbieten, um die Erstellung eines Films zu erleichtern, werden unter Punkt 4 vorgestellt.

3.2. 2D-Morphing

Ein Beispiel für die einfache Erstellung einer Animation mit Hilfe des Computers ist das Morphing. Beim Morphing wird gleichzeitig die Form und die Farbe eines Bildes verändert. Ziel ist es, einen fließenden Übergang zwischen zwei Pixmaps zu erzeugen. Dabei muss der Benutzer markante Punkte in Anfang- und Endbild bestimmen. Zum Beispiel werden bei Porträtfotos Augen, Mundwinkel, Nase, etc. markiert. Die Punkte werden durch ein Netz verbunden, welches die Pixmaps in Bildbereiche einteilen. Die Pixel der Zwischenbilder werden aus den Farben des Anfangs- und Endbilds gemischt. Dabei nimmt der prozentuale Anteil des Endbildes zu.

3.3. Vektorgrafik

Bei der Erzeugung von Computergrafik kann zwischen dem direkten und indirekten Modus unterschieden werden. Grafiksysteme, die Bilder im direkten Modus erzeugen (z.B. Malprogramme) können zwar vordefinierte Formen wie Rechtecke, Kreise oder Polygone in die Pixmap einfügen, der Benutzer kann jedoch nicht eine schon gezeichnete Form auswählen und verändern. Das Programm fügt die Formen direkt in die Grafik ein, ohne die Formen separat abzuspeichern. Manipulationen können auf Pixelebene vorgenommen werden. Eine Pixelmenge, häufig ein rechteckiger Bildausschnitt, kann ausgewählt und beispielsweise in Farbe und Größe verändert werden. Zeichenprogramme arbeiten im indirekten Modus. Der Benutzer kann im Gegensatz zum Malprogramm hier jederzeit die zuvor platzierten Formen auswählen und editieren. Je nach Anwendung heißen die vordefinierten Formen auch Symbole, Schablonen oder Objekte. Die Objekte werden vom Grafiksystem mit den zugehörigen Attributen, wie Größe und Position, gespeichert. Dies ermöglicht die spätere Editierung der Objekte. Die Grafikobjekte werden in der Regel aus Linienzügen zusammengesetzt und im Grafiksystem als Vektoren abgespeichert, welche die einzelnen Linien repräsentieren. Wird ein Objekt vom Benutzer verändert, erzeugt das Zeichenprogramm automatisch eine aktualisierte Grafik. Die Benutzung von Vektorgrafiken hat in der Animation Vorteile. Da die Attribute eines Grafikobjektes bei der Vektorgrafik mit abgespeichert werden, können alle Attribute auch animiert werden. So ist der Anwender nicht mehr auf die Animation von Pixelposition und -farbe beschränkt, sondern er kann Objekte auch in Größe, Position, Farbe und Form animieren. Bei der Erstellung von Simulationen können neben den oben aufgeführten geometrischen Attributen noch Eigenschaften wie Gewicht, Temperatur, etc. den Objekten zugewiesen werden. Komplexe Vorgänge werden durch die zeitliche Veränderung dieser Eigenschaften simuliert und können als Animation dargestellt werden.

3.4. 3D-Technik

Der Arbeitsablauf einer Animationserstellung im 3D-Raum kann in vier Bereiche gegliedert werden, die im folgenden genauer erläutert werden:

1. Im Modeller legt der Benutzer Form, Größe und Position der Objekte im dreidimensionalen Raum fest.

2. Der Shader definiert Oberflächenstrukturen für Objekte mit optischen Eigenschaften wie Transparenz- und Reflexionsverhalten. Die einzelnen Objekte werden zu einer Szene zusammengefasst. Außerdem werden Lichtquellen und Kamera positioniert.

3. Der Renderer berechnet(rendert) aus den Daten des Modellers und Shaders eine Grafik. Je nach verwendeten Renderverfahren werden Schattenwurf der Objekte, Reflexion und Transparenz der Oberflächen berücksichtigt.

4. Im Animationsmodul kann der Benutzer Bewegungen und Zustandsänderungen der Objekte, der Kamera und der Lichter festlegen. Spezielle Funktionen von Animationsprogrammen werden unter Punkt 4 beschrieben.

4. Computerunterstützung bei der Erstellung von Animation

Bei der Erstellung einer Animation müssen generell die drei verschiedenen Bereiche der Beleuchtung, Kamera und der Objekte beachtet werden. Jeder dieser Bereiche kann in Zustand und Position geändert werden. Ein bewegtes Licht kann zum Beispiel ein Autoscheinwerfer sein. Sonnenauf- und Untergänge sind Beispiele für die Animation der Intensität und Farbe einer Lichtquelle. Bei der Kamera gehören Schwenks und Fahrten durch die Szene zu den Bewegungsanimationen. Änderungen des Zustands ergeben sich aus verschiedenen Objektivarten, Brennweiten und Belichtungszeiten. Objekte können wiederum neben der Positionsänderung und Rotation andere Formen (Morphing), Größen (Skalierung) oder Farben annehmen. Interessante Effekte lassen sich durch Kombinationen der Bewegungs- und Zustandsanimation der Bereiche Beleuchtung, Kamera und der Objekte erzeugen. Zu den wichtigsten Funktionen, die ein Animationsprogramm zur Verfügung stellt, um den Benutzer bei der Erstellung einer Animation zu unterstützen, gehören die Zwischenbildanimation und die Pfadanimation. Diese beiden Verfahren sind in allen Animationsprogrammen enthalten und sollen näher vorgestellt werden.

Die Zwischenbildanimation ermöglicht die automatische Erzeugung von Zwischenbildern bei Vorgabe von Schlüsselszenen. Schlüsselszenen sind vom Benutzer vorgegebene Bilder, die in der Animationssequenz vorkommen und wichtige Abschnitte der Animation repräsentieren. Nötig sind mindestens ein Anfangs- und Endbild einer Sequenz, um daraus Zwischenbilder zu generieren.

Die Pfadberechnung vereinfacht die Bewegungsanimation von Grafikobjekten. Das Objekt wird entlang eines frei definierbaren Pfades zu einer Zielposition bewegt. Der Pfad wird häufig durch einen Spline repräsentiert. Bei der Erzeugung der Animation durch den Computer werden Geschwindigkeitswerte sowie Beschleunigungs- und Bremswerte berücksichtigt, um eine natürliche Verhaltensweise der Grafikobjekte zu simulieren.

Weitere Hilfsfunktionen können von Animationsprogrammen angeboten werden. Die Programme unterscheiden sich allerdings in Aufbau und Vielfalt der angebotenen Funktionen. Deshalb werden hier einige Verfahren nur kurz vorgestellt:

Bewegungsbegrenzungen dienen zur Fehlervermeidung. Z.B. kann sich eine Billardkugel nur auf einem Tisch bewegen. Bei einem Animationsfehler könnte die Kugel jedoch über den Tisch hinausgehen oder sogar in den Tisch eindringen.

Die Skelettanimation bietet eine Vereinfachung bei der Veränderung der Orientierung eines Objekts. Mit der Orientierung (Lage) eines Objektes ändert sich gleichzeitig die Form.

Die Skelettanimation bietet dem Benutzer den Vorteil, die Orientierung des Grafikobjektes mit Hilfe eines ,"Knochengerüsts"` leichter zu verändern. Der Computer errechnet beim Bewegen des Skelettes automatisch die neue Lage und Form des Objekts.

Physikalische Simulatoren versuchen, das Verhalten von Objekten unter natürlichen Bedingungen nachzubilden. Beispielsweise können Schwerkraft, Windverhältnisse und Masseträgheit bei der Erstellung einer Bewegungsanimation berücksichtigt werden. Dadurch wirkt die Bewegung der Objekte in der Animation realer.

Hierarchische Animationen bieten die Möglichkeit einzelne Objekte relativ zu der Position anderer Objekte zu bewegen. Beispielsweise kann so das Sonnensystem modelliert werden: Der Mond dreht sich um die Erde. Gleichzeitig dreht sich die Erde um die Sonne. Die Bewegung des Mondes hängt somit von der Position der Erde ab. Die komplexe Bahnberechnung des Mondes übernimmt der Computer.

Ein anderes Beispiel ist der menschliche Gang. Die Oberschenkel sind abhängig von der Position des Rumpfes. Daran wiederum sind Unterschenkel und schließlich Füße befestigt.

Bewegungen des Rumpfes führen also zur Bewegung der Beine und Füße.

Inverse Kinematik ist ebenfalls hierarchisch aufgebaut, bietet dem Benutzer allerdings noch weitere Hilfsmöglichkeiten. In Abb. 8.14 ist ein hierarchisches Modell zu sehen. Der Unterschenkel ändert zwar seine Position abhängig vom Oberschenkel, seine Eigenbewegung muss allerdings immer noch vorgegeben werden. Durch inverse Kinematik wird die Eigenbewegung gleichzeitig mit der neuen Position berechnet. Wird das unterste Glied in einer Objekthierarchie bewegt, in diesem Fall der Fuß, folgen alle anderen Objekte entsprechend ihrer Verkettung nach.

5. Einsatzbereiche der Computeranimation

Computeranimationen werden in zahlreichen Bereichen eingesetzt. Prominentestes Beispiel dürfte die Verwendung als "Special Effects" bei der Produktion von Kinofilmen sein, auch in der Werbung sind die computerberechneten Effekte kaum mehr wegzudenken. Die Animationen werden aber auch in anderen Bereichen eingesetzt, z.B. als Produktpräsentationen (schon vor dem ersten Spatenstich das fertige Haus besuchen), zur Visualisierung von komplexen Abläufen oder Ergebnissen (Moleküle bei der Reaktion beobachten), in der Forschung und Lehre (simulierte Operationen am virtuellen Patienten), oder interaktive Spiele und virtuelle Realität. Auch moderne Bildbearbeitungssysteme mit ihren simulierten Werkzeugen zählen zur Computeranimation.

6. Animationsverfahren am Computer von den Anfängen bis jetzt:

"Strichlein"animation

Die "Strichlein"animation kommt aus der Frühzeit der Computer, als die Darstellungsgeräte noch nicht auf der Zeilen-Spalten Matrix basierten, die heute für Monitore üblich ist, sondern die beiden Ablenkeinheiten der Kathodenstrahlröhre noch einzeln von den Benutzerprogrammen angesteuert wurden. Dabei haben sich dann Kurven und ähnliches darstellen lassen, aufgrund der langen Nachleuchtzeiten und der begrenzten Arbeitsgeschwindigkeit der Rechner waren komplexere Darstellungen von beispielsweise Drahtgittermodellen nur sehr begrenzt möglich.

Palettenanimation

Palettenanimation ist eine der einfachsten Möglichkeiten, ein Bild auf dem Monitor in Bewegung zu versetzen. Dabei werden die den einzelnen Punkten zugeordneten Farben verändert, üblicherweise reihum oder gezielt auf eine andere Zusammensetzung hin. Bei geschickter Einteilung der Palette lassen sich sogar vollkommen unterschiedliche Bilder ineinander überblenden.

Spriteanimation

Hauptsächlich in Spielen angewandt, bietet die Spriteanimation bei einen in Echtzeitumgebungen vertretbaren Rechenaufwand überzeugende Darstellung von Bewegungen in der Ebene und auch im Raum. Häufig wird das sogenannte Frame-Buffering eingesetzt, bei der auf zwei oder mehr "virtuellen" Bildschirmseiten die folgenden Bilder vorberechnet werden. Durch den Austausch des kompletten Bildes auf einmal soll unangemessenes Flackern vermieden werden, das entstehen würde, wenn direkt am Bildschirm der Hintergrund wiederhergestellt und das Sprite an seiner neuen Position darüber gemalt wird.

Vektoranimation

Aus je drei räumlichen Vektoren zusammengesetzte Dreiecke (patches) werden mit Matrixtransformationen rotiert und skaliert; häufig sind gerade solche arithmetischen Operationen vom Prozessor besonders unterstützt. Manchmal werden auch (meist konvexe) Polygone zur Definition der Objekte eingesetzt, die dann aber von den Darstellungsalgorithmen wieder in Dreiecke zerlegt werden. Bei der Berechnung gibt es diverse Möglichkeiten, wie die einfache einfarbige Füllung (solid filling), verschieden schattierte Darstellungen (Gouraud-shading, Phong-shading), mit Bildern "bezogene" Flächen (texture-mapping) sowie Kombinationen aus Schattierung, Texturierung und Reflexion (environmental-mapping). Wird mit Hilfe von modernen hardware-beschleunigten 3D-Grafikkarten, die zum Teil auch atmosphärische Effekte wie Nebelschwaden erzeugen können, auch in Spielen und virtuellen Umgebungen eingesetzt. Weil jedoch die Rechenleistungen, die für eine realistische Darstellungsqualität in Echtzeit erforderlich sind, zur Zeit noch nicht bezahlbar sind, bleiben solche Anwendungen dann doch häufig den Militärs vorbehalten, die mit Hochleistungsrechnern generierte Flugsimulationen zum Pilotentraining einsetzen. Möglichkeiten zur Beschleunigung der Berechnung sind z.B. z-buffering, back-face-removal und die Reduzierung der Polygonanzahl.

Seiten-(Vollbild-)Animation

Bei der Vollbildanimation werden die Bilder im Voraus berechnet und dann "nur" mehr abgespielt. Dieses Verfahren eignet sich für Produktpräsentationen, Darstellung wissenschaftlicher Ergebnisse, in der Werbung und natürlich auch im Kino. Durch entsprechenden Aufwand während der Produktion (Knotenzahl der Modelle, Rekursionstiefen, algorithmische Berechnungsverfahren, ...) lassen sich beliebige Realitätsgrade erreichen. Angewandt werden vor allem Raytracingverfahren.

Special-Effects

Der Einsatz von Computertechnologien in Film und Fernsehen nimmt immer mehr zu. Vom Rechner erzeugte Special-Effects werden in fast jeder neueren Produktion eingesetzt, sei es, dass Haltevorrichtungen von Stuntmen entfernt werden sollen, bei der Wettervorhersage ein Flug über die betreffende Gegend gezeigt wird und der Sprecher davorsteht, Gebäude gesprengt werden, Personen auftreten, die schon längst gestorben sind oder Dinosaurier tanzen, etc, etc. Die Möglichkeiten sind nur durch die Kreativität der Filmemacher begrenzt, spezielle Firmen wie ILM oder Pixar (und duzende andere) stellen dann die benötigtete Soft- und Hardware sowie das Know-How zur Umsetzung.

7. Animationserstellung

Konzeption

Zuerst muss einmal die Idee da sein. Darauf aufbauend wird ein Drehbuch erstellt, das mit einen Grobumriss der geplanten Animation anfängt, den Handlungsablauf beschreibt sowie die Aufteilung der Animation in verschiedene Sequenzen oder Kameraeinstellungen vorgibt. Diese Aufteilung zusammen mit den "handelnden" Objekten geben das Storyboard, das auch kleine Skizzen der geplanten Szenen enthält.

Planung

Wichtiger Bestandteil der Planungsphase ist die Ausarbeitung eines detaillierten Projektplans für die restlichen Schritte. Darin müssen sowohl die finanzielle Sicherung wie auch die personelle und technische Ausstattung berücksichtig werden. Da im Verlauf der Entstehung einer Animation gewaltige Datenmengen anfallen, müssen ausreichende Kapazitäten von der Projektverwaltung bereitgestellt werden, die auch über entsprechende Absicherungen gegen Ausfälle verfügen. In der Planung werden auch die zu verwendeten Software- und Hardwareschnittstellen festgelegt, damit der reibungslose Ablauf später nicht durch evtl. unmögliche Formatwandelungen unterbrochen wird.

Entwurf

In der Entwurfsphase einer Computeranimation wird zuerst ein Arbeitsbuch erstellt um darin die Details der einzelnen Szenen zu beschreiben. Die Szenen werden in einzelne Bilder (frames) zerlegt und die Objekte in veränderliche "Akteure" sowie statische Umgebung aufgeteilt. Nicht jedes Bild muss explizit definiert werden, normalerweise werden in regelmäßigen Abständen sogenannte "key-frames" vorgegeben, anhand derer sich durch Interpolation oder diverse Partikel/Kinematik-Systeme die erforderliche Anzahl von Zwischenbildern erzeugen lässt. Auch die Vertonung wird in der Entwurfsphase passend zu den zeitlichen Abläufen der Szenen geplant.

Modellierung

Damit die Bilder dann auch berechnet werden können, müssen die Objekte in eine für den Computer interpretierbare Form gebracht werden. Dies können Script-Sprachen (vor allem bei Raytracern eingesetzt), algorithmische Definitionen oder im interaktiven Designprozess erstellte Drahtgittermodelle sein. Solche Modellierungen werden sehr leicht ziemlich komplex und sind nur mehr mit speziellen Werkzeugen handhabbar. Mit solchen Tools kann man aus einfachen geometrischen Formen beliebig detaillierte Modelle aufbauen.

Bilderzeugung

Die tatsächliche Bilderzeugung ist oft der längste Abschnitt der Animationserstellung. Für jedes einzelne Bild müssen sämtliche Bildpunkte berechnet werden, je nach eingesetztem Verfahren kann das pro Bild selbst auf hochgradig parallelisierten Vektorrechnern Stunden bis Tage dauern. Daher werden viele Tricks eingesetzt, um die benötigte Rechenleistung zu verringern, z.B. wird der Hintergrund einer Einstellung, bei der sich die Kameraposition nicht ändert, nur einmal berechnet und dann die bewegten Objekte eingefügt; Spiegelungen sind auch beliebtes Ziel von Sparmaßnahmen, so dass nicht tatsächlich jeder Sichtstrahl gespiegelt (und dabei evtl. gebrochen) wird, sondern ein vorberechnetes Bild in den Rahmen des Spiegels eingepasst ist.

Bilderzeugungsphase:

Aufzeichnung: Jetzt ist es soweit, dass die fertige Animation auf Video oder Film übertragen werden kann. Die Übertragung geschieht meistens Bild für Bild, da die zeitliche Abstimmung der Anzeige der Einzelbilder und der Aufnahmeoptiken wenig bis gar keinen Spielraum lassen. Spezielle Wiedergabegeräte für die Animation erlauben manchmal auch eine "Echtzeit"-Aufnahme auf Video. Zur Verteilung der Produktion auf (Video-)CD muss die anfallende Datenmenge reduziert werden. Diese Komprimierung wird heutzutage hauptsächlich von spezieller Hardware durchgeführt, da die eingesetzten Komprimierungsverfahren (Codecs) äußerst rechenintensiv sind, um bei möglichst geringen Datenmengen noch höchste Bild- und Tonqualität bieten zu können.

Nachbearbeitung: Ermöglicht durch die rasante Entwicklung der digitalen Nachbearbeitungsmöglichkeiten am Computer findet die Nachbearbeitung (post-production) häufig schon vor der endgültigen Aufzeichnung statt. Die frisch berechnete Animation wird noch in vollständig digitaler Form am Computer bearbeitet, geschnitten und vertont, was zu enormen Qualitätssteigerungen führt, da keine verlustbehafteten Umwandlungen während der Erzeugung und der Bearbeitung der Bilddate nötig sind.

Beispiele

Beispiele gibt es massenhaft, hier nur einige:

zur Palettenanimation: Logo, Drehung, Überblendung; Vektor-, Sprite-, Paletten-Animation: Crystal Dreams II Special Effects: Tron, Die Maske, Forest Gump, Jurassic Park, Star Wars, Star Trek, Independance Day, Stargate, ...

interaktive Animation: Lupe

Vollbildanimation: Luxo Jr., Toy Story

Animation eines Fotoapparates Clipart: mittels Zeichenboard nachgemalt, farbig gestaltet Bild 1 / 38 Bild 9 / 38 Bild 19 / 38

8. Technische Parameter bzw. Voraussetzungen am Computer

Dateiformate

Die Einzelbilder dieser Animation liegen in digitalisierter Form als PaintShopPro-Dateien vor. Sie müssen zu gif-Dateien transformiert werden, um eine Animation erstellen zu können, wofür der Microsoft Gif Animator genutzt wird. Das Dateiformat einer Animation muss so klein wie möglich gehalten werden, um die benötigte Zeit für den Download gering halten zu können.

Dateiumwandlung

Die Dateiumwandlung von PaintShopPro zu gif ist notwendig, da nur gif- und jpg-Bilder im Internet zu downloaden sind. Die Umwandlung erfolgt im Image Composer. Dazu öffnet man die benötigte Bilddatei, ändert nach Bedarf die Größe und speichert sie im Gif Format.

Speicherplatzbedarf

Ohne weitere Bearbeitung der Pixelauflösung oder ähnlichen Eigenschaften weist die Animation (zus.gif) ein Speichervolumen 580 KB auf. Die einzelnen Gif-Bilddateien haben eine Speicherkapzität zwischen 14 und 20 KB.

Verwendete Programme

Die Einzelbilder dieser Animation wurden mittels Adobe Photo Shop 5.0 und einem Zeichenbrett gemalt und im Image Composer als GIF-Bilder formatiert und anschließend im Microsoft Gif-Animator animiert.