Animatiefiguren tot leven gewekt met 3D-printer (video)

Grafische experts hebben onder leiding van computerwetenschappers een add-on softwaretool gecreëerd die karakters uit videospellen – of welke driedimensionale animatie dan ook – kan vertalen naar met een 3D-printer vervaardigde actiehelden met werkende gewrichten.  Het project is in detail beschreven in Transactions on Graphics, een uitgave van de  Association for Computing Machinery (ACM) en zal worden gepresenteerd op de ACM SIGGRAPH conferentie op 7 augustus.

Alle vrijheid

"In animaties hoef je niet noodzakelijkerwijs te proberen om de echte wereld perfect te modelleren; het model hoeft alleen maar goed genoeg te zijn om je ogen te overtuigen", verklaart  Moritz Bächer, die promoveert in computerwetenschappen  op  de Harvard School of Engineering and Applied Sciences (SEAS). "In een virtuele wereld heb je alle vrijheid; je kunt figuren maken die anatomisch zo verwrongen zijn dat ze in het echt nooit overeind zouden kunnen staan. En je kunt deformaties maken die fysiek onmogelijk zijn: bijvoorbeeld een hoofd dat niet vastzit aan het lichaam of benen die elkaar af en toe kruisen zonder te botsen."

Het terugbrengen van een virtueel karakter naar de fysieke wereld zet het traditionele animatieproces op zijn kop, een soort van omgekeerde rendering, omdat het beeld dat op het scherm is te zien moet worden aangepast aan de eisen van de echte wereld.

Onzichtbaar skelet

Bächer en zijn mede-auteurs demonstreerden hun methode met karakters uit Spore, een videospel dat de evolutie simuleert. Spelers van Spore kunnen talloze creaturen scheppen, met vele ledematen, ogen en lichaamsdelen. Zoals in de meeste computeranimaties bestaan de karakters alleen uit huid – mazen van polygonen – die als een marionet wordt gemanipuleerd door een onzichtbaar skelet.

"Als animator kun je de skeletten bewegen en relaties aanbrengen met punten van het oppervlak", zegt Bächer, "maar de inwendige skeletten zijn niet-fysiek, met gewrichten zonder dimensies; zij zijn voor ons 3D-productieproces niet bruikbaar. In feite steekt het skelet zelfs regelmatig uit het lichaam."

Bächer pakte het productieprobleem aan met SEAS-professor Hanspeter Pfister. Zij werden geholpen door Bernd Bickel en Doug James respectievelijk van de Technische Universität Berlin en Cornell University.

Dit team ontwikkelde een softwaretool die twee dingen kan doen: het identificeren van de ideale locaties voor de gewrichten van de figuren, op basis van hun karakteristieke bewegingen en vervolgens het optimaliseren van de grootte en locaties van de gewrichten voor de fysieke wereld. Een spichtige arm zou bijvoorbeeld te dun kunnen zijn voor een robuust gewricht en de gewrichten in een bochtige ruggengraat zouden met elkaar kunnen botsen als ze te dicht bij elkaar zitten.

Optimalisering

De software gebruikt een aantal optimaliseringstechnieken om het best mogelijke model te genereren, inclusief scharnier- en kogelgewrichten. Ook wordt wat wrijving ingebouwd, zodat de geprinte figuur in zijn posities blijft staan. Ook perfectioneert de tool de huidtextuur van het model. Animatiefiguren hebben meestal een grof gedefinieerde huid in lage resolutie om rendering in real time mogelijk te maken. Details en texturen worden gewoonlijk toegevoegd door een bepaald type virtuele optische illusie: het manipuleren van de  normalen die bepalen hoe licht wordt gereflecteerd door het oppervlak. Om deze details ook in de 3D-print zichtbaar te maken, analyseert de software de map met normalen en vertaalt die in realistische oppervlaktestructuur.

Dan gaat de 3D-printer aan het werk en het resultaat is een volledig geassembleerde actiefiguur met werkende gewrichten: de virtuele wereld tot leven gebracht.

Het onderzoek is mogelijk gemaakt door de National Science Foundation, Pixar, en de John Simon Guggenheim Memorial Foundation.