3D-Forme in Bewegung bearbeiten: Ein neuer Ansatz

Die Bearbeitung von 3D-Formen über die Zeit kann knifflig sein, besonders wenn sich die Verbindungen der Formen während der Bewegung ändern. Die meisten einfachen Bearbeitungswerkzeuge funktionieren am besten mit Formen, die sich während ihrer Bewegung nicht verändern. Wenn sich eine Form jedoch in ihren Verbindungen ändert, wie zum Beispiel wenn ein Mensch seine Arme oder Beine bewegt, wird es eine Herausforderung, alles synchron zu halten.

In diesem Artikel stellen wir eine neue Methode vor, um diese sich bewegenden Formen zu Bearbeiten, die als Dreiecks-Mesh-Sequenzen bekannt sind, selbst wenn sich ihre Verbindungen im Laufe der Zeit ändern. Unsere Methode nutzt eine Technik namens spärliche zeitliche Entsprechung, die hilft, die Änderungen zwischen den verschiedenen Frames der Formsequenz nachzuverfolgen.

#Was sind Dreiecks-Mesh-Sequenzen?

Dreiecks-Mesh-Sequenzen sind eine beliebte Methode, um 3D-Formen darzustellen, die sich über die Zeit verändern. Jede Form besteht aus Dreiecksmessungen – Sammlungen von Dreiecken, die die Oberfläche der Form definieren. Jeder Frame in einer Sequenz ist wie ein Schnappschuss der Form zu einem anderen Zeitpunkt, und jeder Frame kann eine unterschiedliche Anzahl von Dreiecken und Verbindungen haben.

Das ist anders als bei dynamischen Meshes, wo die Form während der Sequenz gleich bleibt. Bei dynamischen Meshes sieht man leicht, wie sich die Punkte (oder Vertizes) der Form im Laufe der Zeit bewegen. Bei Dreiecks-Mesh-Sequenzen besteht die Herausforderung darin, dass die Entsprechung zwischen den Punkten in einem Frame und dem nächsten nicht klar ist. Das macht es schwieriger, Änderungen wie Bearbeitungen oder Komprimierungen der Form anzuwenden.

#Die Bearbeitungsherausforderung

Wenn wir diese Formen bearbeiten wollen, z. B. um eine kleine Änderung im Gesichtsausdruck oder in der Haltung eines Charakters vorzunehmen, stehen wir vor mehreren Herausforderungen. Wenn ein Benutzer beispielsweise einen Teil der Form anpassen möchte, sollte diese Änderung auch die umliegenden Teile natürlich beeinflussen, um einen kohärenten Look in der Sequenz zu bewahren.

Bei dynamischen Meshes ist es einfach herauszufinden, welche Punkte zwischen den Frames übereinstimmen. Aber bei Dreiecks-Mesh-Sequenzen ist dieses Matching nicht offensichtlich, und Teile der Form sind möglicherweise in allen Frames nicht einmal sichtbar. Einige Bereiche können aufgrund der Art, wie sich die Form bewegt, verdeckt sein, was die Bearbeitung zu einer komplexen Herausforderung macht.

#Unsere vorgeschlagene Lösung

Um dieses Problem zu lösen, schlagen wir eine neue Methode vor, die Volumenverfolgung nutzt, um eine Entsprechung zwischen Teilen der Form über verschiedene Frames hinweg zu erstellen. Unser Bearbeitungsprozess folgt drei Hauptschritten:

1. Bearbeiten eines Frames: Der Benutzer nimmt Änderungen an einem bestimmten Frame vor, indem er Punkte auswählt, die bewegt oder geändert werden sollen.
2. Propagation: Die Änderungen, die in diesem Frame vorgenommen wurden, werden dann auf andere Frames in der Sequenz übertragen, sodass sie die Änderung widerspiegeln.
3. Oberflächenverformung: Schliesslich wird die Form in allen Frames aktualisiert, um einen natürlichen Look über die gesamte Sequenz hinweg beizubehalten.

#Der Bearbeitungsrahmen

Unser Ansatz konzentriert sich darauf, den Benutzern zu ermöglichen, Änderungen an einem ausgewählten Teil der Form vorzunehmen und sicherzustellen, dass diese Änderungen konsistent durch die umliegenden Frames fliessen. Wenn ein Benutzer beispielsweise eine Ecke des Mundes eines Charakters nach oben zieht, um ein Lächeln zu erzeugen, sollte die Änderung auch bewirken, dass die Gesichter der nahegelegenen Frames ein ähnliches Lächeln zeigen.

Um dies zu erreichen, verwenden wir eine Reihe von diskreten Volumenelementen (denk an sie wie Bausteine), die die Form abdecken. Der Benutzer bearbeitet einige dieser Bausteine, und dann berechnen wir, wie sich diese Änderungen auf die anderen auswirken.

#Verwendung von Affinität in der Bearbeitung

Ein wichtiger Aspekt unserer Bearbeitungsmethode ist die Verwendung von "Affinität" zwischen den Bausteinen. Affinität ist ein Mass dafür, wie stark zwei Teile basierend auf ihren Positionen über die Zeit verbunden sind. Wenn zwei Blöcke häufig zusammen bewegt werden, haben sie eine höhere Affinität. Das hilft uns zu entscheiden, wie viel Einfluss die Änderung eines Blocks auf einen anderen haben sollte.

Die Affinität wird basierend darauf berechnet, wie weit die Blöcke während ihrer Bewegung auseinander waren. Wenn sie nah beieinander bleiben, beeinflussen sie sich stärker.

#Unterstützte Bearbeitungsoperationen

Unsere Bearbeitungsmethode unterstützt mehrere Arten von Operationen zur Modifikation der Form:

• Starre Transformationen: Benutzer können Blöcke bewegen oder drehen, ohne ihre Form zu ändern.
• Inflation und Deflation: Benutzer können Teile der Form erweitern oder verkleinern, ähnlich wie das Aufblasen oder Luftablassen eines Luftballons.
• Schliessen von Schleifen: Dadurch können Start und Ende einer Sequenz nahtlos verbunden werden, was einen sanften Übergang zwischen den beiden schafft.

#Wie die Bearbeitung funktioniert

Wenn ein Benutzer Änderungen vornimmt, folgt der Prozess zur Aktualisierung des restlichen Meshs unseren drei Schritten.

1. Bearbeiten der Zentren: Im gewählten Frame wählt der Benutzer aus, welche Punkte geändert werden sollen. Unser System reagiert, indem es die Änderungen auf die anderen Punkte im selben Frame verteilt und sicherstellt, dass sie die Gesamtform respektieren.

2. Propagation der Änderungen: Als Nächstes bewegen wir die Änderungen durch die Frames. Wir bestimmen, wie sich jeder Punkt basierend auf seiner Beziehung zu den bearbeiteten Punkten ändern sollte, wobei wir den Kabsch-Algorithmus verwenden, um die beste Möglichkeit zu finden, die Punkte zu drehen und zu verschieben.

3. Verformen der Oberfläche: Schliesslich aktualisieren wir die tatsächliche Mesh-Oberfläche. Jedes Dreieck wird basierend auf den neuen Positionen seiner Vertizes modifiziert, um sicherzustellen, dass die Oberflächenverformung die vom Benutzer vorgenommenen Änderungen widerspiegelt.

#Wichtigkeit der Volumenverfolgung

Ein wichtiger Teil unserer Methode ist die Verwendung von Volumenverfolgung, um herauszufinden, wie sich die Form bewegt. Diese innovative Methode ermöglicht es uns zu verstehen, wie sich das Mesh verändert, selbst wenn Teile aufgrund des Selbstkontakts der Form verborgen oder nicht sichtbar sind.

Durch die Verfolgung der Volumenelemente anstelle nur der Oberfläche können wir grössere Transformationen verwalten und eine bessere Kontinuität über die Sequenz hinweg gewährleisten.

#Probleme mit bestehenden Methoden

Typischerweise haben andere Methoden Schwierigkeiten, wenn sie sich bewegende Formen bearbeiten, da sie auf der Entsprechung von Oberflächenpunkten basieren. Sie scheitern oft daran, Probleme wie den Selbstkontakt zu berücksichtigen, bei dem Teile des Meshs sich berühren oder überlappen und dies zu Komplikationen bei der Bearbeitung führt.

Indem wir uns auf Volumenverfolgung konzentrieren und Affinitäten zwischen den verfolgten Zentren nutzen, vermeidet unsere Methode viele Fallstricke bestehender Techniken. Das macht sie geeignet für komplexere Bearbeitungsaufgaben, bei denen Änderungen durch eine Reihe von Frames fliessen müssen.

#Vorteile unseres Rahmens

Unser neuartiger Ansatz bietet mehrere Vorteile:

• Zeit-Konsistenz: Änderungen, die in einem Frame vorgenommen werden, sehen in allen angrenzenden Frames natürlich aus.
• Benutzerkontrolle: Benutzer können Formen mit einfachen, intuitiven Methoden manipulieren, ohne komplexe zugrunde liegende Algorithmen verstehen zu müssen.
• Anpassungsfähigkeit: Der Rahmen kann für verschiedene Bearbeitungsaufgaben angepasst werden, sei es ein Charakter in einer Animation oder eine Form in einem Spiel.

#Fazit

Unser Bearbeitungsrahmen für Dreiecks-Mesh-Sequenzen bietet eine intuitivere und effektivere Möglichkeit, Änderungen an 3D-Formen über die Zeit vorzunehmen. Durch den Fokus auf Volumenverfolgung und die Verwendung von Affinität haben wir eine Methode geschaffen, die es Benutzern ermöglicht, Formen auf natürliche Weise zu bearbeiten, wobei die Ergebnisse konsistent über die gesamte Sequenz hinweg beibehalten werden.

Diese Arbeit eröffnet neue Möglichkeiten für Animator:innen und Entwickler:innen, um dynamischere und ansprechendere Inhalte zu erstellen. Zukünftige Verbesserungen könnten die Verfeinerung der Volumenverfolgung für eine bessere Genauigkeit und die Erforschung von Möglichkeiten zur Erlaubnis feinerer Details in der Bearbeitung umfassen, um sicherzustellen, dass unsere Methode eine breitere Palette von Bearbeitungsszenarien bewältigen kann.

Unser Ziel ist es, Werkzeuge bereitzustellen, die das Bearbeiten von 3D-Formen zugänglicher und effektiver machen, sodass Kreative sich auf ihre künstlerische Vision konzentrieren können, ohne durch technische Einschränkungen behindert zu werden.