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Photorealistic Human Character Design

Vorgänge und Techniken im 3D-Produktionsablauf

©2006 Diplomarbeit 144 Seiten

Zusammenfassung

Inhaltsangabe:Einleitung:
Photorealistic Human Character Design im Bereich von 3D-Produktionen schafft neue Möglichkeiten der Simulation der Wirklichkeit in virtuellen Anwendungen. Die Begeisterung für neue Generationen fotorealer Computerspiele oder die mögliche Umsetzung aufwendiger Actionszenen in Kinofilmen wird erst durch den Einsatz real wirkender Darsteller ermöglicht. Ein Meilenstein in der filmischen Umsetzung ist die „Matrix-Trilogie”. Viele Szenen wurden in diesem Film sehr wirklichkeitsnah durch 3D-Applikationen generiert. Ohne den Einsatz des Character Designs und dem akribischen Detailbewusstsein für Bewegungsabläufe und der Schaffung einer Illusion, die die Wirklichkeit sehr überzeugend darstellt, wäre der Film in der angestrebten Faszination und Glaubhaftigkeit nicht umsetzbar gewesen. Um ein solches Maß an Qualität zu gewährleisten ist es notwendig, die Natur in ihrer Komplexität virtuell darzustellen.
Die Nachempfindung der Eigenschaften der Natur im Schaffungsprozess fotorealer computergenerierter Bilder stellt daher eine außerordentliche Herausforderung dar. Das menschliche Auge nimmt in der realen Welt eine Vielzahl an Informationen auf, die nicht bewusst bis in jedes Detail wahrgenommen werden. Diese Details müssen im 3D-Design umgesetzt werden, um überzeugende, realistische Bilder zu generieren. Im Besonderen wird diese unbewusste Wahrnehmung im täglichen Umgang mit Mitmenschen verdeutlicht. Der Mensch ist perfekt auf die natürlichen Bewegungen und Formen des menschlichen Gesichtes sensibilisiert. Kaum eine Situation wird leichter verstanden als die Emotionen des Gegenübers, die durch Expressionen in den Gesichtszügen definiert sind. Der Mensch ist in der Lage, auf emotionaler Basis, ohne Worte, von Angesicht zu Angesicht zu kommunizieren. Absichten, Gefühle und Meinungen können allein durch verschiedene Gesichtszüge beschrieben werden.
Diese Eigenschaften stellen demnach für die 3D-Reproduktion eines Human Characters hohe Anforderungen an die Detailgenauigkeit der modellierten Geometrie und der Texturinformation der Haut. Bereits kleine Abweichungen des gerenderten Bildes werden vom Betrachter erkannt. Bei computergenerierten Bildern fallen oft Abweichungen oder Fehler auf, welche im ersten Moment nicht genau beschrieben werden können. Es ist jedoch genau definierbar, was an diesem Bild realistisch aussieht und was nicht. Für diese Erkenntnis ist es nicht von Bedeutung, ob ein geschultes Auge vorhanden ist, denn jeder […]

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis


Sören Schmidt
Photorealistic Human Character Design
Vorgänge und Techniken im 3D-Produktionsablauf
ISBN-10: 3-8324-9802-8
ISBN-13: 978-3-8324-9802-3
Druck Diplomica® GmbH, Hamburg, 2006
Zugl. Hochschule für Technik, Wirtschaft und Kultur Leipzig (FH), Leipzig, Deutschland,
Diplomarbeit, 2006
Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte,
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der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik
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© Diplomica GmbH
http://www.diplom.de, Hamburg 2006
Printed in Germany

Autorenprofil
Dipl.-Ing. (FH) Sören Schmidt
Fachrichtung Medientechnik (Gesamtnote 1,4)
Freelancer im Bereich 3D-Design, Postproduction, Compositing, Web-
design, Filmschnitt, Filmdreh, Grafikdesign mit mehrjähriger Berufser-
fahrung
Michael-Kazmierczak-Str. 43, 04315 Leipzig
post@ideasofmedia.com

Photorealistic Human Character Design / Bibl. Nachweis / Autorrefarat
Bibliographischer Nachweis
Sören Schmidt: Photorealistic Human Character Design
Diplomarbeit, Hochschule für Technik, Wirtschaft und Kultur Leipzig (FH)
Fachbereich Polygrafische Technik, Studiengang Medientechnik, 2006
142 Seiten, 162 Bilder, 13 Tabellen, 18 + 17 Quellen, 33 S. Anlagen
Autorrefarat
Neue Möglichkeiten der Simulation virtueller Darsteller bei der Anwen-
dung in Computerspielen oder in Kinoproduktionen setzen Maßstäbe für
überzeugende realitätsnahe Produktionen.
Die vorliegende Arbeit wird 3D-Produktionsprozesse des Photorealistic Hu-
man Character Designs in ihren Besonderheiten vorstellen. Um ein reales
Erscheinungsbild des Characters umzusetzen, werden Vorgänge der Natur
beobachtet, analysiert und auf die Möglichkeiten der Simulation innerhalb
der 3D-Applikation untersucht. In einer anschließenden praktischen Arbeit
werden diese Kenntnisse auf die Erstellung eines 3D-Characters angewen-
det.
II
Bibliografischer Nachweis / Autorrefarat

Hinweise
Photorealistic Human Character Design / Hinweise
Hinweise
Die Abbildungen sind für jedes Kapitel durchnummeriert, um eine bessere
Übersicht zu gewährleisten. Aufgrund der Anzahl oder der Größe sind
einige im Anhang dargestellt. Auf die Abbildungen im Anhang wird durch
ein großes "A" hingewiesen (Bsp.: Abb. 1A). Die gleiche Bezeichnungswei-
se gilt für im Anhang dargestellte Tabellen (Bsp.: Tab. 2A).
Literaturangaben, die sich auf Quellen im Internet beziehen, sind im In-
ternetadressenverzeichnis kapitelbezogen aufgelistet. Auf diese Adressen
wird durch die Bezeichnung "URL" hingewiesen (Bsp.: s. URL 5.5).
Für verwendete Begriffe, die nicht im Text erklärt sind, ist ein Abschnitt mit
Begriffserklärungen eingefügt.
III

IV
Begriffserklärung...
Abbildungsverzeichnis...
Tabellenverzeichnis...
1. Einleitung...
1.1 Einleitung...
1.2
Motivation...
1.3
Zielstellung...
1.4 Gliederung der Arbeit...
2. Idee und Planung...
2.1
Überblick...
2.2 Detaillierung des Polygonnetzes...
2.3
Medium...
2.4 Wünsche des Kunden...
2.5
Storyboard...
2.6
Produktionsphasen...
3. Referenzen...
3.1 Überblick...
3.2 Perspektivische Richtungen...
3.3
Gesichtsaufnahmen...
3.3.1 Gesichtsaufnahmen für das Modeling...
3.3.2 Gesichtsaufnahmen für das Texturing...
3.4
Lichtverhältnisse...
3.5
Drehort-Analyse...
3.6 Handgezeichnete Referenz vs.
fotografische Referenz...
3.7
Skulpturen...
3.8
Sketching...
3.9
Anatomie...
3.10 Veränderung der Gesichtsstruktur...
3.10.1
Edge
Loops...
VIV
XI
XVII
19
20
20
21
22
23
24
25
25
26
27
27
28
29
29
29
30
31
31
33
34
34
35
35
35
36
Photorealistic Human Character Design / Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis

Inhaltsverzeichnis
Photorealistic Human Character Design / Inhaltsverzeichnis
3.10.2 Edge Loop Workflow...
3.11 Animierte Texturen...
4. Modeling...
4.1
Überblick...
4.2 Eignung der Modellierungstypen
für organische 3D-Modelle...
4.3 Modellierungstypen für
organische 3D-Modelle...
4.3.1
3D-Scan...
4.3.2
Polygone...
4.4
Topologie...
4.5 Modularer Aufbau...
4.6 Edge Loops...
4.7 Geometrische Skalierung...
4.8 Realistisches Modeling...
5. Shading...
5.1 Überblick...
5.2
Absorption...
5.3
Reflexionen...
5.3.1
Specular
Highlight...
5.3.2 Off Specular Highlight...
5.3.3 Specular Reflexion versus reale Reflexion...
5.3.4
Glossy
Reflexion...
5.3.5
Diffuse
Reflexion...
5.3.6
Retroreflexion...
5.3.7
Anisotropische
Reflexion...
5.3.8
Isotropische
Reflexion...
5.3.9
Komplexer
Brechungsindex...
5.3.10 Der Fresnel Effekt...
5.4 Die menschliche Haut...
5.4.1 Aufbau der Haut...
5.4.2
Epidermis...
5.4.3
Dermis...
5.4.4 Shading-Verhalten der Haut...
37
37
38
39
39
40
40
40
41
42
43
44
45
46
47
47
48
48
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50
50
51
52
52
53
53
54
55
55
55
56
56
V

VI
5.4.5
Subsurface
Scattering...
5.4.6
Asperity
Scattering...
5.5 Skin Shading...
5.5.1
Simulationsentwürfe...
5.5.2
Bidirectional
Function...
5.5.3 Reflectance Field...
5.6 Die Augen...
5.7 Die Haare...
6. Texturing ...
6.1
Überblick...
6.2
Observation...
6.3
Textur-Layer...
6.3.1
Colour...
6.3.2
Diffuse...
6.3.3
Specularity...
6.3.4
Reflection...
6.3.5
Bump...
6.3.6
Grunge-Textur...
6.3.7
Subsurface
Scattering-Texturen...
6.3.8
Prozedurale
Texturen...
6.4
Texturgröße...
6.5 Seamless Texturing...
6.6 Farbvariationen und Formvariationen...
6.7
Texturreihenfolge...
6.8 Wichtigkeit des Informationsgehaltes...
6.9
UV-Projektionen...
7. Lighting...
7.1 Überblick...
7.2 Entstehung von Tonwerten...
7.3
Tonarten...
7.4 Natürliche Lichtsituationen...
7.5
Schatten...
7.5.1
Computergenerierte
Schatten...
7.5.2
Shadow
Maps...
57
59
59
59
61
62
62
63
65
66
66
67
68
68
69
69
70
71
71
72
72
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75
77
77
79
80
81
81
82
82
83
83
Photorealistic Human Character Design / Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis

VII
7.5.3
Raytrace
Shadow...
7.5.4 Shadow Map versus Raytrace Shadow...
7.6
Licht...
7.6.1
Computergeneriertes
Licht...
7.6.2
Indirektes
Licht...
7.6.3 Intensitätsabfall des Lichtes...
7.6.4 Emotionen durch Licht...
7.6.5
Specular
Bloom...
7.7 Global Illumination...
7.7.1
Radiosity...
7.7.2 Photon Mapping von Mental Ray...
7.7.3 Hemispherical Sampling bei Mental Ray...
7.8
Raytracing...
7.9
HDRI...
8. Rendering und Compositing...
8.1 Überblick...
8.2 Fotografische Eigenschaften...
8.2.1
Digital
Noise...
8.2.2 DOF Blur (Z-Depth)...
8.2.3
Unschärfe...
8.3 Digital Compositing...
8.3.1
Compositing
Layers...
8.3.2
Ambient
Occlusion...
8.3.3
Dateiformate...
8.3.4 16 bit Quantisierung...
8.3.5
Farbwertkorrekturen...
8.3.6
Virtual
Darkroom...
8.4 Photorealistic Human Character...
8.4.1
Diffuse
Layer...
8.4.2
Epidermal
Layer...
8.4.3
Subdermal
Layer...
8.4.4
Backsurface
Layer...
8.4.5 Glossy Reflection Layer...
8.4.6 Noise Reflection Layer...
8.4.7 Asperity Scattering Layer...
8.4.8 Ambient Occlusion Layer...
83
84
85
85
86
86
87
87
88
89
90
91
91
92
94
95
95
95
96
96
96
96
96
97
97
97
98
98
98
98
99
99
99
99
99
99
Inhaltsverzeichnis
Photorealistic Human Character Design / Inhaltsverzeichnis

VIII
8.4.9 Shadow Pass Layer...
8.4.10
Z-Depth
Layer...
8.4.11
Shadow
Layer...
8.4.12
Augen
Layer...
8.4.13
Compositing
Layers...
9. Zusammenfassung und Ausblick...
9.1 Zusammenfassung...
9.2
Ausblick...
Literaturverzeichnis...
Internetadressenverzeichnis...
Anhang...
Abbildungen...
Tabellen...
Thesen...
Selbständigkeitserklärung...
100
100
100
100
100
102
103
103
105
108
110
111
131
141
142
Inhaltsverzeichnis
Photorealistic Human Character Design / Inhaltsverzeichnis

Begriffserklärung

Photorealistic Human Character Design / Begriffserklärung
Begriffserklärung
2k
BSDF
BTDF
Cage-Pro-
jektionen
Hyper-Real-
ismus
Lofting
Motion Cap-
ture System
Multiscatter-
ing
Shadow/
Light -
Falloff Map
Sakkade
Skinning
Terminator
Rigging
Weighting
Ausdrucksweise einer Bildbreite von mindestens 2000 Pixel
Bidirectional Scattering Distribution Function
Bidirectional Transmittance Distribution Function
gering strukturiertes Polygonnetz umfasst die 3D-Geometrie, und
dient als Projektionsfläche
ein Grad des Realismus eines 3D-Characters (ähnlich dem Foto-
realismus)
Splines werden zu einer Fläche verbunden
Reflektoren sind an einem Darsteller befestigt
diese werden von einer Kamera aufgenommen
die Bewegung der Reflektoren kann als Animation gespeichert
werden
ungeordnete Streuung des Lichtes durch viele vorhandene Parti-
kel
Verlauf von zwei Texturen, je nach einfallender Lichtintensität auf
das 3D-Objekt
zeichnet die Bewegungen der Augen auf, welche ein Objekt
betrachten
Teilprozess des Riggings
beschreibt die Zuweisung eines Vertex zu einem virtuellen Kno-
chen
liegt zwischen der Schatten- und Lichtseite eines Objektes
die Polygonstruktur eines 3D-Objektes wird mit virtuellen Kno-
chen versehen, welche Einfluss auf die Bewegungsfähigkeit eines
Polygons haben
nach einem vollständigen Rigging eines Human Character ist es
möglich, diesen wie ein Mensch zu animieren
Teilprozess des Riggings
beschreibt den Einfluss des virtuellen Knochen auf den Vertex-
Punkt
·
·
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·
X

Abbildungsverzeichnis

Photorealistic Human Character Design / Abbildungsverzeichnis
Abbildung 2.1
Abbildung 3.1
Abbildung 3.2
Abbildung 3.3
Abbildung 3.4
Abbildung 3.5
Abbildung 3.6
Abbildung 3.7
Abbildung 3.8
Abbildung 3.9
Abbildung 3.10
Abbildung 3.11
Abbildung 3.12
Abbildung 3.13
Abbildung 3.14
Abbildung 4.1
Abbildung 4.2
Abbildung 4.3
Abbildung 4.4
Abbildung 4.5
Abbildung 4.6
Abbildung 4.7
Abbildung 4.8
Abbildung 5.1
Abbildung 5.2
Abbildung 5.3
Abbildung 5.4
Abbildung 5.5
Abbildung 5.6
Abbildung 5.7
Abbildung 5.8
Abbildung 5.9
Abbildung 5.10
Abbildung 5.11
Abbildung 5.12
Abbildung 5.13
Auflösungsvergleich
Gitterstruktur des Polygonnetzes
Übersichtsdarstellung
Texturreferenz 1
Texturreferenz 2
Texturreferenz 3
Grey Ball und Mirror Ball
Messscheibe und Würfel
Fototextur
Skulptur
Sketch
Kontraktionen der Muskelfasern
Kontraktionsrichtungen
Ringform des Musculus orbicularis oris
Netzstruktur
Flächenunterteilungen
Polygonflächenverteilung
Polygonstruktur
Macroscopic Scale
Mesoscopic Scale
Microscopic Scale
Aufbau des Auges
Augenaufbau des Modelings
Specular Highlights 1
Lichtquelle
Lichtquellenform
Specular Highlights 2
Specular Highlights 3
Specular Rendering
Glossy Reflexionen
Weiche Reflexionen
Snelliussches Brechungsgesetz
Diffuse Oberflächen
Diffuse Reflexionen
Retroreflexion
Darstellung der Retroreflexion
S.26
S.30
S.30
S.31
S.31
S.31
S.33
S.33
S.34
S.34
S.35
S.36
S.36
S.37
S.37
S.42
S.42
S.42
S.44
S.44
S.44
S.45
S.45
S.49
S.49
S.49
S.50
S.50
S.50
S.51
S.51
S.51
S.51
S.51
S.52
S.52
XII
Abbildungsverzeichnis

Photorealistic Human Character Design / Abbildungsverzeichnis
Abbildung 5.14
Abbildung 5.15
Abbildung 5.16
Abbildung 5.17
Abbildung 5.18
Abbildung 5.19
Abbildung 5.20
Abbildung 5.21
Abbildung 5.22
Abbildung 5.23
Abbildung 5.24
Abbildung 5.25
Abbildung 5.26
Abbildung 5.27
Abbildung 5.28
Abbildung 5.29
Abbildung 5.30
Abbildung 5.31
Abbildung 5.32
Abbildung 5.33
Abbildung 5.34
Abbildung 5.35
Abbildung 5.36
Abbildung 5.37
Abbildung 6.1
Abbildung 6.2
Abbildung 6.3
Abbildung 6.4
Abbildung 6.5
Abbildung 6.6
Abbildung 6.7
Abbildung 6.8
Abbildung 6.9
Abbildung 6.10
Abbildung 6.11
Abbildung 6.12
Abbildung 6.13
Abbildung 6.14
Anisotropische Reflexion
Entstehung von anisotropischen Reflex.
Gerichtete Reliefstruktur
Isotropische Reflexion
Reflektivität
Blickwinkel
Fresnel Effekt auf einer Wasseroberfläche
Fresnel Effekt auf der menschlichen Haut
Reflexionswert-Diagramm
Subsurface Scattering
Lichtabnahme
Schematische Darstellung des Scatterings
Asperity Scattering
Winkelabhängige Reflexionseigenschaften
Winkelabhängige Reflexionseig. (Diag.)
Schattenverlauf
Forward Scattering
Skinshader
BRDF
Shader 1
Shader 2
Reflexionen der Cornea
Rückreflexion der Haare
Primary- und Secondary Highlight
Specular Highlights
V
eränderte Position des Specular Highlights
White Card
Reflexionsveränderungen
Spatiale Variationen
Reflexionsartefakte
Grunge-Textur
Größenverhältnisse verschiedener Texturen
Element des Bildes
Seamless Texture
Hautfotografie
Farbvariationen
Formvariationen
Hautfotografie 1
S.52
S.52
S.52
S.53
S.53
S.54
S.54
S.54
S.56
S.58
S.58
S.58
S.59
S.59
S.59
S.60
S.60
S.60
S.61
S.61
S.61
S.63
S.64
S.64
S.67
S.67
S.67
S.69
S.69
S.69
S.71
S.73
S.73
S.73
S.74
S.74
S.74
S.75
XIII
Abbildungsverzeichnis

Photorealistic Human Character Design / Abbildungsverzeichnis
Abbildung 6.15
Abbildung 6.16
Abbildung 6.17
Abbildung 6.18
Abbildung 6.19
Abbildung 6.20
Abbildung 6.21
Abbildung 6.22
Abbildung 6.23
Abbildung 7.1
Abbildung 7.2
Abbildung 7.3
Abbildung 7.4
Abbildung 7.5
Abbildung 7.6
Abbildung 7.7
Abbildung 7.8
Abbildung 7.9
Abbildung 7.10
Abbildung 7.11
Abbildung 7.12
Abbildung 7.13
Abbildung 7.14
Abbildung 1A
Abbildung 2A
Abbildung 3A
Abbildung 4A
Abbildung 5A
Abbildung 6A
Abbildung 7A
Abbildung 8A
Abbildung 9A
Abbildung 10A
Abbildung 11A
Abbildung 12A
Abbildung 13A
Abbildung 14A
Hautfotografie 2
Rekolorierte Fotografien
Farbvariationen der Colour-Textur
Helligkeitsänderung
Reliefstruktur
Informationsgehalt
UV-Koordinaten 1
UV-Koordinaten 2
Schachbretttextur
Raytrace Shadow
Shadow Map
Vergleich
Skylight-Projektionskuppel
Area Light
Noise Map
Indirektes Licht
High-Key Bild
Specular Bloom
Weiches Specular Bloom
Sternförmige Lichtreflexionen
Caustics
Final Gathering1
Final Gathering2
Profilaufnahmen
Anatomie des Gesichtes
Edge Loop-Skizzierung
Polygonnetz
Edge Loop-Kategorien
Reflexionswerte-Diagramm
Subsurface Scattering-Darstellung
Hautuntersuchung
Texturuntersuchung
Bump Rendering
Bump-Textur 2
Diffuse Rendering
Colour Rendering1
Colour-Textur 2
S.75
S.75
S.76
S.76
S.76
S.77
S.77
S.77
S.77
S.84
S.84
S.84
S.85
S.85
S.85
S.86
S.87
S.88
S.88
S.88
S.90
S.91
S.91
S.111
S.112
S.113
S.113
S.114
S.115
S.116
S.117
S.118
S.119
S.119
S.119
S.119
S.119
XIV
Abbildungsverzeichnis

Photorealistic Human Character Design / Abbildungsverzeichnis
Abbildung 15A
Abbildung 16A
Abbildung 17A
Abbildung 18A
Abbildung 19A
Abbildung 20A
Abbildung 21A
Abbildung 22A
Abbildung 23A
Abbildung 24A
Abbildung 25A
Abbildung 26A
Abbildung 27A
Abbildung 28A
Abbildung 29A
Abbildung 30A
Abbildung 31A
Abbildung 32A
Abbildung 33A
Abbildung 34A
Abbildung 35A
Abbildung 36A
Abbildung 37A
Abbildung 38A
Abbildung 39A
Abbildung 40A
Abbildung 41A
Abbildung 42A
Abbildung 43A
Abbildung 44A
Abbildung 45A
Abbildung 46A
Abbildung 47A
Abbildung 48A
Abbildung 49A
Abbildung 50A
Abbildung 51A
Abbildung 52A
Abbildung 53A
Subdermal Rendering
Backsurface Rendering
Reflection Rendering
Specularity Rendering
Specularity-Textur 2
Epidermal Rendering
Epidermal-Textur
Glossy Reflection
Mirror Reflection
Transparency 1
Transparency 2
Transparency und Translucency
Fluorescense
Luminosity
Opacity
Color and Bump
Lichtuntersuchung
Sonnenaufgang
Mittag
Nachmittag
Sonnenuntergang
Dämmerung
Nacht
Sonnig
Bedeckter Himmel
Schattenwurf
Proportionen des Auges
Anatomie des Auges
Hautfarbenuntersuchung
Diffuse-Textur
Epidermal-Textur
Subdermal-Textur
Glossy Reflection-Textur
Noise Reflection-Textur
Bump-Textur
Colour-Textur
Reflection-Textur
Bump-Textur
Diffuse Layer
S.119
S.119
S.119
S.119
S.119
S.119
S.119
S.120
S.120
S.120
S.120
S.120
S.120
S.120
S.120
S.120
S.121
S.122
S.122
S.122
S.122
S.122
S.122
S.122
S.122
S.122
S.123
S.123
S.124
S.125
S.125
S.125
S.125
S.125
S.125
S.125
S.125
S.125
S.126
Abbildungsverzeichnis
XV

Photorealistic Human Character Design / Abbildungsverzeichnis
Abbildung 54A
Abbildung 55A
Abbildung 56A
Abbildung 57A
Abbildung 58A
Abbildung 59A
Abbildung 60A
Abbildung 61A
Abbildung 62A
Abbildung 63A
Abbildung 64A
Abbildung 65A
Abbildung 66A
Epidermal Layer
Subdermal Layer
Backsurface Layer
Glossy Reflection Layer
Noise Reflection Layer
Asperity Scattering Layer
Ambient Occlusion Layer
Shadow Pass Layer
Z-Depth Layer
Shadow Layer
Augen Layer
Compositing Tree
Finales Bild
S.126
S.126
S.126
S.127
S.127
S.127
S.127
S.128
S.128
S.128
S.128
S.129
S.130
XVI
Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Photorealistic Human Character Design / Tabellenverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Tabelle 7.1
Tabelle 1A
Tabelle 2A
Tabelle 3A
Tabelle 4A
Tabelle 5A
Tabelle 6A
Tabelle 7A
Tabelle 8A
Tabelle 9A
Tabelle 10A
Tabelle 11A
Tabelle 12A
Tonwerte
Character-Eigenschaften
Produktionsphasen
Proportionen des Auges
Modelierungstypen 1
Modelierungstypen 2
Lichtverteilung des menschlichen Auges
Textur-Layer
Tonarten
Natürliche Lichtsituationen 1
Natürliche Lichtsituationen 2
3D-Lichtarten
Beleuchtungsrichtungen
S.81
S.131
S.132
S.133
S.133
S.134
S.134
S.135
S.136
S.137
S.138
S.139
S.140
XVIII

Einleitung
1.1 Einleitung
1.2 Motivation
1.3 Zielstellung
1.4 Gliederung der Arbeit
Kapitel 1

Einleitung
Photorealistic Human Character Design / Kapitel 1
1.1 Einleitung
Photorealistic Human Character Design im Bereich von 3D-Produktionen
schafft neue Möglichkeiten der Simulation der Wirklichkeit in virtuellen An-
wendungen. Die Begeisterung für neue Generationen fotorealer Compu-
terspiele oder die mögliche Umsetzung aufwendiger Actionszenen in Kino-
filmen wird erst durch den Einsatz real wirkender Darsteller ermöglicht.
Ein Meilenstein in der filmischen Umsetzung ist die "Matrix-Trilogie". Viele
Szenen wurden in diesem Film sehr wirklichkeitsnah durch 3D-Applikati-
onen generiert. Ohne den Einsatz des Character Designs und dem akri-
bischen Detailbewusstsein für Bewegungsabläufe und der Schaffung einer
Illusion, die die Wirklichkeit sehr überzeugend darstellt, wäre der Film in
der angestrebten Faszination und Glaubhaftigkeit nicht umsetzbar gewe-
sen. Um ein solches Maß an Qualität zu gewährleisten ist es notwendig,
die Natur in ihrer Komplexität virtuell darzustellen. Die Nachempfindung
der Eigenschaften der Natur im Schaffungsprozess fotorealer computerge-
nerierter Bilder stellt daher eine außerordentliche Herausforderung dar.
Das menschliche Auge nimmt in der realen Welt eine Vielzahl an Informa-
tionen auf, die nicht bewusst bis in jedes Detail wahrgenommen werden.
Diese Details müssen im 3D-Design umgesetzt werden, um überzeugende,
realistische Bilder zu generieren. Im Besonderen wird diese unbewusste
Wahrnehmung im täglichen Umgang mit Mitmenschen verdeutlicht. Der
Mensch ist perfekt auf die natürlichen Bewegungen und Formen des
menschlichen Gesichtes sensibilisiert. Kaum eine Situation wird leichter
verstanden als die Emotionen des Gegenübers, die durch Expressionen in
den Gesichtszügen definiert sind. Der Mensch ist in der Lage, auf emoti-
onaler Basis, ohne Worte, von Angesicht zu Angesicht zu kommunizieren.
Absichten, Gefühle und Meinungen können allein durch verschiedene Ge-
sichtszüge beschrieben werden.
Diese Eigenschaften stellen demnach für die 3D-Reproduktion eines Hu-
man Characters hohe Anforderungen an die Detailgenauigkeit der mo-
dellierten Geometrie und der Texturinformation der Haut. Bereits kleine
Abweichungen des gerenderten Bildes werden vom Betrachter erkannt.
Bei computergenerierten Bildern fallen oft Abweichungen oder Fehler auf,
welche im ersten Moment nicht genau beschrieben werden können. Es ist
jedoch genau definierbar, was an diesem Bild realistisch aussieht und was
nicht. Für diese Erkenntnis ist es nicht von Bedeutung, ob ein geschultes
Auge vorhanden ist, denn jeder Mensch ist vom Kindesalter an ein Spezia-
list in der Wahrnehmung seiner Umwelt.
1.2 Motivation
20

21
Photorealistic Human Character Design / Kapitel 1
Bisherige Arbeiten im Umfeld des Human Character Designs waren
durch die Limitierung der verwendbaren Software in ihrem realistischen
Wirken eingeschränkt. Ältere Generationen von Shadern
1
waren nicht in
der Lage, realistische Varianzen und Feinheiten der Natur widerzuspiegeln.
Durch die Implementierung der Subsurface Scattering Shader (s. Abschnitt
5.4.5) sind neue Möglichkeiten vorhanden, vor allem im Character De-
sign, hochrealistische Renderings zu generieren. Diese Möglichkeit allein
ist aber nicht ausreichend. Um Vorgänge der Natur wiederzugeben, müs-
sen diese in ihrem Entstehen verstanden werden. Das Licht, welches in
seiner formbeschreibenden Art mit Materialien auf eine jeweils andere Art
reagiert oder das Verstehen der Funktionsweise eines Shaders ist das fun-
damentale Basiswissen einer fotorealen Reproduktion. Wenige Publikati-
onen beschäftigen sich mit diesem Thema, in Bezug auf die Anwendbarkeit
im Photorealistic Human Character Design. Im Speziellen mit der fotore-
alen Gestaltung einer menschlichen 3D-Figur oder eines realen Objektes
der Architektur in Verbindung mit Animation oder 3D-Animation. Die ex-
akte Nachbildung menschlicher Haut als auch anorganischer Objekte ist
vorrangiges Thema. Diese Arbeit soll daher einen genauen Überblick über
die Möglichkeiten, Schwierigkeiten und Besonderheiten dieses Produkti-
onsprozesses geben und Lösungsvorschläge anbieten. Um dieses Thema
gut zu verstehen, sollen weiterhin alle wichtigen Prozesse in schematischen
Darstellungen oder Fotografien dargestellt werden, um die Erfassbarkeit
dieses Themas so einfach wie möglich zu gestalten.
1.3 Zielstellung
Ziel dieser Arbeit ist es, Produktionsprozesse des Photorealistic Human
Character Designs, im Hinblick auf die Erschaffung eines weiblichen, real
wirkenden Characters zu beschreiben. Jeder dieser Prozesse beinhaltet
Problemstellungen, welche beschrieben und gelöst werden. Die Strategie
des Marketings, Managements und Controllings der 3D-Produktionspro-
zesse werden analysiert. Vorgänge der Natur werden beobachtet, analy-
siert und auf die Möglichkeiten der Reproduktion in 3D-Applikationen un-
tersucht. Diese Kenntnisse werden anschließend in einer praktischen Arbeit
auf das Erschaffen eines Portraits angewendet, welches einen realistischen
weiblichen 3D-Character abbildet. Vorgänge des Erstellens dieses Portraits
werden im Detail beschrieben und mit Bildern versehen. Für die Darstel-
lung der Reproduktion in 3D, gibt es auf
www.novamedia-online.de/3d/3d.html ein exaktes Tutorial über alle wich-
tigen Einzelheiten der Prozesse vom Beginn bis zum Schluss , welche Auf-
grund der Fülle an Details den Rahmen dieser wissenschaftlichen Arbeit
übersteigt.
1 in einer 3D-Appli-
kation werden durch
Shader Materialei-
genschaften, wie
z.B. die Farbe eines
Objektes, beschrie-
ben
Einleitung

22
Einleitung
Photorealistic Human Character Design / Kapitel 1
1.4 Gliederung der Arbeit
Nach dieser Einleitung beschäftigt sich das zweite Kapitel mit den Beson-
derheiten des Projektmanagements bei 3D-Produktionen. Unterschiedliche
Ansprüche verschiedener Präsentationsmedien werden aufgezeigt. Es wird
auf den Ablauf der einzelnen Produktionsprozesse eingegangen und deren
Bedeutung im Workflow des gesamten Schaffungsprozesses. Beschreibende
Eigenschaften in Bezug zum Character Design werden näher betrachtet.
Im dritten Kapitel werden die verschiedenen Referenzen für die Character-
Erstellung näher beleuchtet. Vor- und Nachteile der Erstellung einiger Re-
ferenzarten, die für die Qualität der nachfolgenden Bearbeitungsprozesse
ausschlaggebend sind, werden aufgelistet.
Im vierten Kapitel werden Modellierungsarten einer 3D-Geometrie mit-
einander verglichen. Die für das Character Modeling Geeigneten, wer-
den genauer betrachtet, und auf deren Besonderheiten in der Anwendung
beim Modeling komplexer Geometrien eingegangen.
Das fünfte Kapitel vermittelt das Verständnis für die Interaktionen zwischen
Licht und Materie, die Materialeigenschaften wie z.B. den Reflexionsgrad
beeinflussen. Dieses Verständnis dient zur weiteren Anwendung beim Er-
stellen von Materialien.
Das sechste Kapitel beschreibt die Wirkungsweisen und Eigenschaften der
für das Character Design wichtigsten Texturen, welche Eigenschaften wie
Farbe oder Reliefstruktur näher beschreiben.
Weiterhin folgt im siebten Kapitel ein Überblick über die verschiedenen
Lichtsituationen, welche je nach Tages- und Jahreszeit unterschiedlich sind.
Es werden Render-Algorithmen vorgestellt, die eine realistische Simulation
dieser Lichtsituationen anstreben.
Das achte Kapitel gibt zusammenfassend die Inhalte der vorangegangenen
Kapitel in einem Rendering- und Compositing-Prozess wieder.
Abschließend folgt im neunten Kapitel die Schlussbetrachtung und ein
möglicher Ausblick in zukünftige Anwendungen.

Idee und Planung
2.1 Überblick
2.2 Detaillierung des Polygonnetzes
2.3 Medium
2.4 Wünsche des Kunden
2.5 Storyboard
2.6 Produktionsphasen
Kapitel 2

24
Idee und Planung
Photorealistic Human Character Design / Kapitel 2
2.1 Überblick
Einige Fragen sind vor Beginn des Schaffungsprozesses im 3D-Design
eines Characters zu beantworten. Wie sieht der Character aus? Welche
körperlichen Eigenschaften soll er haben? Welche Stimmung soll vermittelt
werden? Die Persönlichkeit und die Bedeutung in der Umgebung, die Rolle
im Ganzen, gewollte Ausdrucksstärke zum Publikum und die Belange und
Wünsche der Zielgruppe müssen zum Ausdruck gebracht werden. Stereo-
typische Formen, wie ein zu großer Kopf, oder eine große runde Brille, ste-
hen für Intelligenz oder den Typus eines Genies. Hingegen wirkt ein kleiner
Kopf im Verhältnis zur Größe des Körpers, etwas "zurückgeblieben". Auch
ein bewusstes Vertauschen von stereotypischen Eigenschaften kann den
Character außergewöhnlich und somit interessant gestalten.
Ein Character muss mit seiner Umwelt "verschmelzen", um glaubhaft zu
wirken. Der Einfluss der Umgebung auf den Character und die Verän-
derung der Umgebung durch den Character, müssen aufeinander abge-
stimmt sein. Eine Comicfigur, welche durch ihre stereotypische Wirkung von
großen Augen im Verhältnis zu einem kleinen Kopf, dem Kindchenschema
entspricht, befindet sich angenommener Weise auf einer duftenden Blu-
menwiese einer Waldlichtung und singt Kinderlieder. Dieses Beispiel ver-
mittelt dem Publikum nur schwer glaubhaft, dass die vielen plötzlich ins
Bild eingeblendeten Narben und die blutende Nase von einem Kampf mit
dem Tyrannosaurus-Rex hervorgerufen wurden. Glaubhaftigkeit des Cha-
racters im Bezug zu seiner Umgebung spielt also eine wichtige Rolle.
Auch Fotorealismus, welcher als wichtiger Schritt zu Glaubhaftigkeit be-
trachtet werden kann, wirkt in seiner Funktion nicht ausschließlich über-
zeugend. Monster in Kinofilmen wirken zu Beginn ihres Erscheinens er-
schreckend und erstaunlich überzeugend aufgrund der Eigenschaften des
Fotorealismus. Oft werden bewusst Ähnlichkeiten zur menschlichen Form
und Anatomie geschaffen. Zu abstrakte Monster, die in keiner Weise ent-
weder tierische oder menschliche Ähnlichkeiten aufweisen, empfindet der
Zuschauer weniger spannend. Aber auch überzeugender Realismus in
animierten Szenen eines Filmes verliert seine Wirkung, wenn das "Objekt
des Gruselns" in den dargestellten Bewegungen nicht tierischen oder
menschlichen Zügen ähnelt. Es wirkt dadurch unglaubhaft, was ein wei-
teres Ansteigen des Spannungsbogens in dieser Szene unterbindet.
Je detailgetreuer die Informationen über den Character sind, desto besser
lässt er sich formen und beschreiben. Wie ist sein Verhalten in seiner Um-
gebung? Was sagt die Anatomie über ihn aus? Hat er muskulöse Glied-
maßen und kann dadurch schnell fliehen oder gut jagen? Ist er dominant
und Bestimmer oder ein Mitläufer?
Um diese Fragen zu strukturieren, kann der Einfluss der Umwelt auf den

25
Idee und Planung
Photorealistic Human Character Design / Kapitel 2
2 eine Auflösung
von mindestens
2048 * 1556 Pixel
Character und dessen Einfluss auf die Umwelt näher beschrieben wer-
den, indem seine Eigenschaften in Kategorien unterteilt werden (s. Tab.
1A).
2.2 Detaillierung des Polygonnetzes
Time is Money! Dieser Slogan lässt sich fast auf jeden Wirtschaftszweig
beziehen und auch auf die 3D-Industrie. Aber wie und wann lässt sich Zeit
sparen? Um diese Frage zu beantworten, müssen Weitere gestellt werden.
Welche Rolle spielt der Character? Ist er Hauptdarsteller und somit sehr
oft zu sehen oder kommt er einem Statisten gleich? Mit welchem Maß an
Detail wird der Character dem Publikum vorgestellt? Diese Fragen sind
nicht ohne Bedeutung. Es lässt sich viel Zeit sparen, wenn die Detailtreue
im Modeling und später auch im Texturing nur soweit überzeugend darge-
stellt werden muss, dass das Publikum die Qualitätsersparnis in der kurzen
Zeit, in der der Character erscheint in keiner Weise wahrnimmt. Nicht nur
die Zeit der Wahrnehmbarkeit lässt Handlungsspielraum offen, auch die
kleineren Darstellungen im Hintergrund des Bildes lassen eine Qualität-
seinsparung zu, da die Ereignisse entfernt vom Hauptgeschehen im vorde-
ren Teil des Bildes stattfinden.
Ist der Character als Hauptdarsteller zu beobachten, so wird der zeitliche
Mehraufwand zugunsten der Qualität in Kauf genommen. Aber auch hier
ist eine Differenzierung möglich. Close Up fähige Figuren benötigen ein
gesteigertes Maß an Qualität, da sich der Zuschauer hier im Besonderen
von der Echtheit des Dargestellten überzeugen kann.
Es ist auch möglich, sich gezielt mit dem Thema Ablenkung zu beschäftigen.
Motion Blur, Nebel, Dämmerungsbeleuchtung, hektische Bewegungen und
Farbeffekte in Teilen des Bildes, lenken von möglichen Detaileinsparungen
des Character ab.
2.3 Medium
Für welches Medium produziert wird, ist von entscheidender Bedeutung für
die Planung des Projektes. Eine Produktion für eine Auflösung in 2k
2
ist in
Render-Zeit und Texturierungsaufwand zeitintensiver als eine Produktion für
"normales" Fernsehen. Aus diesem Grund ist diese Thematik vor Projekt-
beginn zu klären. Sollte es die Auftragslage erfordern, eine Produktion für
mehrere verschiedene Medien zu planen, so ist zu beachten, dass das Pro-
jektmanagement stets auf das höher auflösende Medium ausgerichtet ist.
Der Vorteil liegt hierbei auf der Hand, denn die Veränderung des Bildes in
seiner Größe, ist nur in Richtung geringerer Qualität möglich. Ein hoch

26
Idee und Planung
Photorealistic Human Character Design / Kapitel 2
aufgelöster Film kann auf eine geringere Auflösung herunter gerech-
net werden, ohne für dieses "kleinere" Medium merkliche Qualitätseinbu-
sen zu verzeichnen. Sollte dies nicht bedacht werden, so ist die
Abb. 2.1
Auflösungsvergleich
missliche Lage absehbar, denn im
Nachhinein für ein höher auflösendes
Medium zu produzieren ist sehr zeitin-
tensiv und an der Gewinnminimierung
des Unternehmens beteiligt.
Generell sollte beachtet werden, dass
die Auflösung des Mediums (s. Abb.
2.1) und des gerenderten Bildes, ein
Verhältnis von eins zu eins nicht unter-
schreitet, da dies zu einer Interpolation des Bildes und zur Qualitätsmin-
derung beiträgt.
2.4 Wünsche des Kunden
Eine Eigenschaft im Design eines Characters ist sein Grad des Realismus.
Verschiedene Staffelungen vom Toon Style, über Game Character, bis hin
zum Hyper-Realismus
3
sind eine denkbare Variante. Da dies auch den
Zeitaufwand in großem Maße beeinflusst, sollte eine genaue Abstimmung
mit dem Kunden getroffen werden, um späteren Diskrepanzen zwischen
den verschiedenen Meinungen vorzubeugen. Ein Bild eines ähnlich wirken-
den Characters kann als Referenz- und Vergleichsmöglichkeit dienen.
Weitere Wünsche des Kunden bezüglich des Character Designs, wie vor-
handene Vorstellungen vom Aussehen, schon angefertigte Zeichnungen,
spezielle Fotos und gewünschte Animierbarkeit müssen bedacht werden.
Grundlegend ist zu Beginn bei jedem Kundengespräch zu beachten, wie
die Möglichkeiten des 3D-Designs und der 3D-Animation, in der Relation
zum finanziellen und zeitlichen Aufwand steht. Der Leitspruch lautet "um-
setzbar ist alles, aber...!".
Die Animation eines Characters soll hier als Beispiel dienen. Bei kom-
plexen Bewegungsabläufen in Kombination mit einer natürlich wirkenden
Erscheinung, sollte eine Absprache mit dem Kunden getroffen werden. Es
muss darauf aufmerksam gemacht werden, dass jene Bewegungsabläu-
fe nur über ein Motion Capture System
4
veranlasst werden können, was
voraussichtlich eine Diskussion über das Budget des Projektes nach sich
zieht.
3 s. Begriffserklä-
rung
4 s. Begriffserklä-
rung

27
Idee und Planung
Photorealistic Human Character Design / Kapitel 2
2.5 Storyboard
Um einen Überblick über die komplette Story zu erhalten, ist ein Storyboard
zu Beginn der Arbeit erforderlich, um alle notwendigen Fragen zu klären.
Wie ist die Tageszeit? Wie lang ist der Film? Wie viele Character müssen
entworfen werden? Müssen diese Close Up fähig sein? Unterhalten sie
sich? Wie schnell bewegen sie sich? Wie ist der Realismusgrad? Wie sind
die Depth of Field Einstellungen der Kamera? Sind spezielle Effekte einzu-
bauen? Fragen wie diese sollten im Vornherein geklärt sein, um ein Ma-
nagement des Projektes erfolgreich durchzuführen.
2.6 Produktionsphasen
Vorausschauende Planung ist ein wichtiger Bestandteil für die erfolgreiche
Umsetzung eines Projektes. Folgend soll das Augenmerk im Speziellen auf
die Überschneidung der Produktionsphasen im 3D-Character Design ge-
lenkt werden.
Entscheidend ist hierbei die Frage, ob der Character animiert werden soll.
Durch die Skizzierung des Characters ist eine Vorlage für das Modeling
entstanden und kann somit in diesem Design umgesetzt werden. Zu be-
achten ist dabei, dass die Phase des Modelings abgeschlossen ist, bevor
weitere Arbeitsschritte erledigt werden. Spätere Änderungen der Geomet-
rie haben erhebliche Auswirkungen auf die Produktionsabläufe. Sollte erst
nach dem Texturing festgestellt werden, dass das Modell geändert werden
muss, so ist meist der Mapping- und Texturing-Prozess umsonst gewesen,
da diese Arbeit wiederholt werden muss.
Ein weiteres Problem könnte sein, dass nach der Animation festgestellt wird,
dass aufgrund eines unsauberen Modelings oder zu wenig Detailgenauig-
keit, deformierende Bereiche, Artefakte in der Geometrie aufweisen. Diese
Fehler im Modeling müssten ausgebessert werden. Dies bedeutet einen zu
wiederholenden Texturing- und Rigging-Prozess
5
. Der Arbeitsablauf sollte
daher wie in Tab. 2A gegliedert sein.
5 s. Begriffserklä-
rung

Referenzen
3.1 Überblick
3.2 Perspektivische Richtungen
3.3 Gesichtsaufnahmen
3.3.1 Gesichtsaufnahmen für das Modeling
3.3.2 Gesichtsaufnahmen für das Texturing
3.4 Lichtverhältnisse
3.5 Drehortanalyse
3.6 Handgezeichnete Referenz vs. fotografische Referenz
3.7 Skulpturen
3.8 Sketching
3.9 Anatomie
3.10 Veränderung der Gesichtsstruktur
3.10.1 Edge Loops
3.10.2 Edge Loop Workflow
3.11 Animierte Texturen
Kapitel 3

29
Referenzen
Photorealistic Human Character Design / Kapitel 3
3.1 Überblick
Gute Referenzen eines zu erstellenden Characters sind Grundvorausset-
zungen für das Erschaffen eines 3D-Modells. Der Prozess des Modelings
sollte so einfach und vorausschauend wie möglich gestaltet sein. Je mehr
gute visuelle Referenzen zur Verfügung stehen, desto dataillierter und ge-
nauer kann das 3D-Modell angefertigt werden. Bei verschiedenen Arten
von Modellen gibt es jedoch unterschiedliche Möglichkeiten. Kleine Mo-
delle sind handlicher, weil man sie unter kontrollierten Lichtbedingungen
fotografieren oder scannen kann. Große Objekte benötigen bestimmte
Lichtsituationen, um eine gute fotografische Referenz aufzunehmen. Ande-
re Modelle finden kein Vorbild in einer natürlichen Umgebung und müs-
sen daher in anderer Weise visuell dargestellt werden. Dies ist zum einen
durch Zeichnungen möglich oder durch Skulpturen, welche aus Knete her-
gestellt werden.
In diesem Kapitel soll über die Besonderheiten der verschiedenen Refe-
renzarten berichtet werden.
3.2 Perspektivische Richtungen
Um mit wenigen fotografischen Aufnahmen eine gute Vorstellung von den
Proportionen und der allgemeinen Gestalt des Modells festzuhalten, ist
es nötig, dieses im Profil aufzunehmen. Oft werden die klassischen Vor-
der- und Seitenprofile genutzt, da diese die Form gut beschreiben. Bei
manchen Modellen sind jedoch weitere Projektionen nötig. Technische
Zeichnungen eines Autos bieten z.B. Referenzen aus sechs verschiedenen
Perspektiven. Für die Aufnahme eines Gesichtes sind im Normalfall die
Vorder- und Seitenprofile ausreichend. Diese können jedoch durch weitere
Perspektiven unterstützt werden.
3.3 Gesichtsaufnahmen
Für das Schaffen eines menschlichen Gesichtes gibt es zwei Gründe per-
spektivische Aufnahmen bereitzustellen. Der erste Grund stellt die Not-
wendigkeit dar, eine Referenz über die Form, Größe oder Besonderheit der
Kopfform zu erhalten und diese im Modeling umzusetzen.
Der andere Grund ist die Aufnahme der Hauttextur, welche im Texturing-
Prozess dem Modell hinzugefügt wird, um eine realistische Reproduktion
zu erhalten. Diese ist auch mit selbst gezeichneten Texturen möglich. Da-
für sind jedoch ausreichende Kenntnisse über das Erscheinungsbild und
Shading-Verhalten der Haut, Geduld beim Zeichnen und ein hoher zeit-
licher Aufwand nötig, um eine Zeichnung fotoreal wirken zu lassen.

Details

Seiten
Erscheinungsform
Originalausgabe
Erscheinungsjahr
2006
ISBN (eBook)
9783832498023
ISBN (Paperback)
9783838698021
DOI
10.3239/9783832498023
Dateigröße
14.5 MB
Sprache
Deutsch
Institution / Hochschule
Hochschule für Technik, Wirtschaft und Kultur Leipzig – Polygraphische Technik
Erscheinungsdatum
2006 (September)
Note
1,0
Schlagworte
modeling fotorealismus maya management
Produktsicherheit
Diplom.de
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