Echte Muskeln für virtuelle Figuren
Ein Plugin für Animationssoftware errechnet aus der äußeren Form eines Avatars dessen Muskeln. So werden die Bewegungen von virtuellen Figuren realistischer.
Der Computerbildschirm ist längst nicht mehr das einzige Biotop für animierte Charaktere. Sie werden auch in großer Zahl auf Kinoleinwänden heimisch. Doch die Gestalter dieser virtuellen Schauspieler müssen dabei stets Kompromisse eingehen. Entweder, der Animations- und Rechenaufwand steigt ins Gigantische, oder die Figuren kranken an unrealistischen Bewegungen.
Die traditionelle Art und Weise, virtuelle Figuren in Bewegung zu bringen, heißt „smooth skinning“. Dabei wird ein Körper als hohle Form aus einer Netz von Vielecken („Polygonen“) angelegt, über die eine Haut gelegt wird. Die Gliedmaßen werden nach vordefinierten Regeln bewegt. Selbst wenn diese Bewegung an sich real ist – die Muskeln verformen sich dabei nicht. Die Folge: die Animation wirkt steif und marionettenhaft.
Um eine realistische Muskelbewegung zu animieren, musste bisher eine Figur von innen nach außen aufgebaut werden: Erst das Skelett, dann die Muskeln, dann die Haut. Das bedeutet einen immensen Aufwand und ist für den Animateur kontraintuitiv. Schließlich hat er vor allem eine fertige Gestalt im Kopf und möchte mit ihr arbeiten, ohne sich durch die Tiefenschichten der Anatomie wühlen zu müssen.
Jian Zhang und Xiaosong Yang vom National Center for Computer Animation der Uni Bournemouth haben eine Methode entwickelt, die die Vorteile beide Verfahren – realistische Bewegungen und einfache Animation – miteinander vereinen soll. Ihre Software ist ein Plugin zum weit verbreiteten Animationsprogramm Maya. Ausgangspunkt ist, wie beim „smooth skinning“, die äußere Form einer Figur in Form eines Polygon-Netzes. Diese kann am Computer aufgebaut worden sein oder per Scanner von einem echten Lebewesen gewonnen worden sein. Zhang und Xiaosong haben eine Software entwickelt, die aus den Wölbungen der Figur die darunter liegenden Muskeln errechnet. Das soll nach Angaben der Forscher nicht nur bei menschlichen Gestalten funktionieren, sondern auch bei anderen Säugetieren. Die Logik dahinter: Wo eine Wölbung ist, ist auch ein Muskel, und der hat eine bestimmte Form, die sich unter der Haut fortsetzt. Diese Form ist derzeit noch stark vereinfacht. Muskeln haben in der jetzigen Software-Version prinzipiell einen elliptischen Querschnitt.
Erfasst werden nur diejenigen Muskeln, die auch zu sehen und für eine Bewegung relevant sind. „Unser Ziel ist es dabei nicht, die physikalische Realität abzubilden, sondern dem Animateur ein Werkzeug in die Hand zu geben, mit möglichst wenig Aufwand die Hautwölbung durch Muskeln modellieren zu können“, sagt Zhang. Sind die Muskeln identifiziert, werden sie als eigene Ebene angelegt. So können sie in Größe, Form und Position vom Gestalter verändert werden.
Werden nun Gliedmaßen bewegt, verändert sich auch die Form der Muskeln. Dabei gehen Zhang und Yang davon aus, dass ihr gesamtes Volumen konstant bleibt, sie sich aber durch die Verkürzung wölben. Solange sich ein Muskel parallel zu einem Knochen bewegt, ist das auch relativ trivial. So einfach funktioniert die menschliche Anatomie allerdings nur selten. Die Forscher haben deshalb noch Mechanismen in ihre Software eingebaut, die simulieren, wie ein Muskel um ein Gelenk herumläuft (wie beim Trizeps) oder sich um einen Knochen windet (wie beim Unterarm). Bei der Animation werden dann die Hautpartien, unter denen sich Muskeln wölben, mit denen, die durch die herkömmliche „smooth skinning“-Technik bewegt werden, verrechnet. Dadurch entsteht ein nahtloser Übergang zwischen beiden Bereichen.
Als zentralen Vorteil ihres Verfahrens nennen Zhang und Yang die Tatsache, dass Animateure sich bei ihrer Arbeit nicht umstellen müssen, sondern weiterhin die gewohnten Werkzeuge und Methoden nutzen können. Die Forscher wollen nun an drei Bereichen weiterarbeiten: Sie möchten den elliptischen Muskelquerschnitt durch realistischere Formen ersetzen. Das Zusammenspiel der Muskeln mit anderen Muskeln, Bindegewebe und Knochen soll differenzierter dargestellt werden. Zudem soll das ganze Programm so schlank bleiben, dass sich der Rechenaufwand auch bei einer großen Zahl von Muskeln im Rahmen hält. (wst)
