Computeranimation

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Computeranimation ist die Kunst, mit Hilfe von Computern bewegte Bilder zu erstellen. Es ist ein Teilgebiet der Computergrafik und der Animation. Der Begriff Computeranimation wird heute häufig in Zusammenhang mit 3D-Computergrafik gebraucht, wobei auch 2D-Computergrafik noch weit verbreitet ist.

[Bearbeiten] Allgemeines

Computeranimationen werden zum einen in Computerprogrammen (z.B. Computerspielen), zum anderen auch in anderen Medien wie Filmen eingesetzt. Computeranimationen wird, insbesondere bei der Verwendung in Filmen, meistens auch als CGI (Computer Generated Imagery - computergenerierte Bilder) bezeichnet.

Wie beim Kinofilm und Fernsehen basieren Computeranimationen darauf, Teile eines Bildes möglichst schnell zu ändern, wodurch der Eindruck von Bewegung entsteht. Grundsätzlich gibt es sie schon so lange wie es Computergrafik gibt. Lange Zeit blieben Computeranimationen in den meisten Anwendungen mit der Zahl von Bildern pro Sekunde aber noch weit unter den 15-20 Bildern pro Sekunde die als Richtwert für Animationen gelten. Dieser Richtwert stimmt allerdings nur für erhebliche Veränderungen im Bild; Veränderungen im Pixel-Bereich würden auch im Sekundentakt gegf. noch als langsame Bewegung wahrgenommen.

3D-Computeranimation ist im wesentlichen der digitale Nachfolger der Stop Motion Animation. Die zu animierende Figur wird auf einem Computer erstellt und mit einem digitalen Skelett ausgestattet. Anschließend werden die Gliedmaße, Augen, Mund, Haare, Kleidung, etc. der Figur durch den Künstler bewegt. Die Figur wird zusammen mit anderen Figuren in eine 3D-Szene eingebaut und zum Schluss wird jedes Einzelbild gerendert, wobei auf alle Elemente in der Szene aufwändige optische Effekte angewendet werden, u.a. Spiegelreflexion.

[Bearbeiten] Technik

Man unterscheidet bei Computeranimationen heute vor allem zwischen Echtzeit-Verfahren (ein Bild wird zu jedem Zeitpunkt vom Computer meist abhängig vom Sichtwinkel neu berechnet) und Offline-Rendering-Verfahren (die Einzelbilder werden zuerst berechnet, auf das Zielmedium übertragen und dann erst in voller Geschwindigkeit abgespielt). Das Echtzeitverfahren mit komplett computererzeugten Animationen ist nur bei Computerspielen von Bedeutung. Das Offline-Rendering erlaubt viel flüssigere und ungleich detailreichere Animationen, allerdings kann die Berechnung einzelner Bilder abhängig der getroffenen Einstellungen zwischen einzelnen Sekunden bis hin zu mehreren Stunden dauern. Komplexe Berechnungen werden häufig in Renderfarmen berechnet.

Lange existierte praktisch nur das Echtzeitverfahren, denn die Computer waren zu langsam um ein komprimiertes Video in Echtzeit wiederzugeben und die Speicherkapazität der Computer war für unkomprimierte Videosequenzen viel zu gering. Mit dem Erscheinen der ersten Raytracing-Animation dauerte es immer noch fast 10 Jahre bis derartige Videosequenzen z.B. bei Computerspielen Einzug hielten.

Die meisten 3D-Modellierungswerkzeuge bieten Möglichkeiten, automatisch Animationen zu erzeugen. Dafür muss nicht jedes Bild "von Hand" neu gezeichnet werden, sondern der Computer errechnet aus vorgegebenen Positionen von Objekten zu einem bestimmten Zeitpunkt (so genannten Keyframes) deren Bewegungen. Dabei sind in der Regel eine Vielzahl von Einstellungen möglich, um Bewegungen möglichst realistisch erscheinen zu lassen (Inverse Kinematik, Bones, physikalische Korrektheit).

[Bearbeiten] Rastergrafik

Die einfachste Form von Computeranimation sind bewegte Sprites, also Spielfiguren die ihre Position im Bild ändern. Dabei handelt es sich um sog. Rastergrafik. Mit der Zeit wurden die Sprites immer mehr selbst animiert, d.h. man veränderte pro Einzelbild nicht nur die Position eines Sprites, sondern tauschte ihn durch einen anderen aus. Dieser Schritt ist allerdings eine erhebliche Steigerung des Speicherbedarfs. Wenn man z.B. nur einen unbewegten Humanoiden gegen einen mit nur zwei Animationsstufen in vier Richtungen laufenden ersetzt, verachtfacht sich der Speicherbedarf für diesen Humanoiden bereits; zudem erfordert eine halbwegs natürliche Bewegung drei Animationsstufen.

Rastergrafik-Animationen außerhalb von Computerspielen werden meistens nicht als solche erkannt. Hierbei werden gezeichnete Figuren und Landschaften eingescannt und im Computer zusammengeführt. Das Ergebnis wird dann -nicht zu Unrecht- als Zeichentrickfilm bezeichnet. Mit Hilfe des Computers kann man die Zeichnungen in Weisen manipulieren, die mit der alten Folienmethode oft das Malen einer neuen Folie erfordert hätten - u.a. verschiedene Lichtverhältnisse, unterschiedlich weit entfernte Kameraeinstellungen und Duplikation der gleichen Figur. Zudem hat man mittels Computer schnellen Zugriff auf jedes erdenkliche Bild, hingegen hat sich bei entsprechend aufwändigen Produktionen ein großes Archiv mit Folien gefüllt.

[Bearbeiten] Vektorgrafik

Annähernd so alt ist auch die Vektorgrafik bei Arcade-Spielen. Zuerst konnte man nur Objekte mit Linien darstellen was heute als "Wireframe" bezeichnet wird, dem englischen Ausdruck für "Drahtgitter-Modell" auf welchem jede Vektorgrafik basiert. Diese Grafik war zwar flüssig mit viel besserer Animation, allerdings waren alle Objekte praktisch durchsichtig was irritieren konnte. Später kamen auch Spiele mit gefüllten, einfarbigen Flächen hinzu die weiter entfernte Objekte verdeckten. Zu dieser Zeit war aber die Zahl sichtbarer Flächen pro Szene noch sehr begrenzt; man hätte allenfalls mit Offline-Rendering detaillierte Szenen animieren können.

Inzwischen werden Vektorgrafik und Rastergrafik kombiniert, indem die Vektorgrafikobjekte statt einfarbiger Flächen mit Rastergrafiken -als so genannte Texturen- belegt werden. Die Texturen können wiederum selbst Rastergrafikanimationen sein um einen weiteren Animationseffekt zu erzielen.

Durch die Kombination von Vektor- und Rastergrafik werden die Vorteile beider Verfahren vereint. Grundsätzlich ist es speicherplatzsparend und weniger rechenintensiv, denn man kann feine Details darstellen die mittels reiner Vektorgrafik nahezu unberechenbar würden, ganz zu schweigen davon dass die Vektorkoordinaten für die Fläche die ein Pixel einer Textur darstellt ein Vielfaches an Speicherplatz beanspruchen würde. Umgekehrt spart Vektorgrafik gegenüber Rastergrafik Speicherplatz, da man von einem Objekt nicht für jeden Blickwinkel eine weitere Rastergrafik braucht. Moderne Computerspiele werden allerdings immer speicherplatzintensiver weil man als Texturen immer höher aufgelöste Rastergrafiken verwendet und die Figuren immer mehr und detailliertere Vektoranimationen umfassen.

Vektorgrafikanimationen haben 1995 auch in Kinofilmen als neues Genre Einzug gehalten, nachdem es lange als günstigere Alternative für Spezialeffekte diente. Der Vorteil gegenüber konventionellen Zeichentrickfilmen ist vor allem dass man Licht/Schatten und Perspektive physikalisch einwandfrei abbilden kann. Die Schlüsselszene aus Basil, der große Mäusedetektiv von 1986 wurde aus diesem Grund bereits mit einem Computermodell berechnet.

[Bearbeiten] Farbpalettenrotation

Eine völlig verschwundene Animationsform ist die Farbpalettenrotation. In den 1980er Jahren konnten Computer bedingt durch ihre begrenzte Speicherkapazität meist nur 16 Farben gleichzeitig pro Bild darstellen. Jedes Pixel benötigte dadurch nur 4 Bit (normales Video benutzt 24 Bit). Einem Pixel war dabei keine Farbe zugeordnet, sondern eine Nummer aus einer Farbpalette. Der jeweilige Grafikchip hatte die Aufgabe, den Inhalt des Grafikspeichers in ein Videosignal umzuwandeln wobei für den jeweiligen Wert eines Pixels die entsprechende Farbe der aktuellen Farbpalette eingesetzt wurde.

Diese Farbpalette konnte man verändern; sogar so schnell, dass man damit selbst Rastergrafiken und Animationen erstellen konnte, siehe Rasterzeileninterrupt. Bei der Farbpalettenrotation veränderte man einfach in schneller Folge die Farbwerte einiger Pixel um ohne zusätzlichen Speicherplatzaufwand und die aktuelle Szene gegf. komplett neu zeichnen zu müssen, Veränderungen im Bild zu erzielen, z.B. Glühen, aber auch bewegtes Wasser. Ebenso fand es beim Ein- und Ausblenden von Bildern Verwendung.

Farbpalettenrotation wurde sogar in Rastergrafikformaten u.a. dem BMP-Format implementiert. Die bekannteste Anwendung war der animierte Ladebildschirm von Windows 95 und 98.

Heute verwendet man praktisch nur True Color-Grafik, bei der jedem Pixel eine Farbe zugeordnet und somit Farbpalettenrotation nicht mehr möglich ist. Wenn man die Farbe bestimmter Pixel ändern will muss man sie direkt ändern. Beim Ein-/Ausblenden eines Bildes muss jedes Pixel einzeln aufgehellt/abgedunkelt werden.