Rigging in der Animation

Was bedeutet Rigging in der Animation?

Rigging bzw. Skelettanimation sind der erste Schritt bei zur Animation von digitalen Spielfiguren. Durch die Bindung eines Modells an eine Skeletthierarchie aus Bones (Knochen) und Steuerungen können Spielfiguren positioniert und animiert werden.

So funktioniert Animations-Rigging

Beim Rigging positionieren und animieren Animationsdesigner eine Spielfigur oder ein Objekt. Das Rig oder Skelett dient dazu, die besagte Spielfigur oder das Objekt zu steuern. Statt direkt auf das Objekt einzuwirken, werden hierarchische Strukturen entwickeln, die eine gewünschte Bewegung oder Änderung ermöglichen. Diese werden als Rig oder Skelett bezeichnet. Das Objekt wird von diesem Rig gesteuert.

Alles Mögliche kann als Rig verwendet werden, doch normalerweise besteht es aus mindestens einer „Steuerung“, die für verschiedene Arten von Bewegungen oder Änderungen des Objekts eingerichtet sind. Bei solchen Änderungen kann es sich um einfachen Übersetzungen oder Drehungen handeln, doch sie können auch die Automatisierung komplexer Verhaltensweisen und Bewegungen beinhalten.

Bei Spielfiguren verwenden Animationsdesigner komplexere Rigging-Techniken. Mit „Skeletten“, „Joints“ und sonstige „Verformern“ kann das Aussehen der Geometrie verändert werden. Dadurch kann das Modell positioniert und nach eigenem Ermessen verformt werden.

Bei Einsatz einer 3D-Software wie Maya, Blender oder 3ds Max können Rigging-Grafikdesigner für die Animation Rig unterschiedlichster Art erstellen. Animationsdesigner können mithilfe der Steuerungen das Rig manipulieren und wie eine digitale Puppe bewegen und positionieren. Mit Keyframes zeichnen sie die Änderungen in der Position der Steuerungen im Zeitverlauf auf und erstellen eine animierte Bewegung. Solche Rigging-Modelle können in Spiele-Engines wie Unity importiert werden.

Was ist Spielfigur-Rigging?

Beim Rigging-Verfahren von Spielfiguren wird ein statisches 3D-Modell (oder 2D-Modell) in eine positionierbare digitale Puppe umgewandelt. Dieses Verfahren erfolgt in einer Vielzahl von Schritten, doch fast immer gehört das Erstellen eines Skeletts aus „Bones“ oder „Joints“ dazu, an die das Modell oder die „Skin“ gekoppelt wird. Je mehr Rigs eine Spielfigur besitzt, desto komplexer und subtiler sind die ausführbaren Bewegungen.

Sobald das Modell mit dem Skelett bewegt werden kann, erstellt der Rigging-Grafikdesigner eine Reihe von Steuerungen, mit denen der Animationsdesigner die Spielfigur positionieren kann. Das Erstellen, die Auslegung und die Funktionsweise des Steuerschemas gelten als Kernaufgabe von Rigging-Grafikdesignern

Darüber hinaus verändert sich das Aussehen des Modells bei Positionierung. Das wird als „Verformung“ bezeichnet. Rigging-Grafikdesigner sind für die Anpassung des positionierten Spielfigurmodells zuständig und steuert solche Änderungen über ein System. Das endgültige Ergebnis ist eine digitale Puppe, die von Animationsdesignern problemlos positioniert werden kann, nach Verformung ansprechend aussieht und automatisierte, komplexe Verhaltensweisen aufweist.

Klicken Sie auf das Video oben und werfen Sie einen Blick hinter die Kulissen von WiNDUP, um zu sehen, wie animierte Charaktere entworfen und zum Leben erweckt werden. Springen Sie zu 3:18, um eine kurze Einführung zu erhalten, wie das Rigging von Spielfiguren in Unity erreicht wird.

Rigging für 2D- und 3D-Animation

Rigging ist die am häufigsten für die Animation von Spielfiguren, Kreaturen oder Objekten in Film, Fernsehen und Videospielen angewendete Technik. All dass, was beweglich sein soll, kann durch Rigging animiert werden. Durch das Rigging mit einer 3D-Software wie Ragdoll Physics können komplexere Bewegungen durch Anwendung genauer Spielphysiksimulation für alle Skelette automatisiert werden.

Am Anfang des Rigging benötigen Animationsdesigner zunächst eine Spielfigur oder ein Objekt in 2D oder 3D. Beim Entwickeln des Rigs sollten Animationsdesigner darüber nachdenken, was diese Rig tun können und wie es sich bewegen soll sowie wo sich die Joints oder Drehpunkte befinden. Anhand dessen wird eine hierarchische Struktur bzw. bei Spielfiguren ein Skelett mit einer Reihe von Steuerungen erstellt.

Als Nächstes koppeln sie die Objekte oder Spielfiguren an das Rig. Dieser Vorgang kann je nach Art des erforderlichen Rigs einfach oder komplex ausfallen. Von diesem Zeitpunkt an können Animationsdesigner das Rig manipulieren und einfacher eine Animation erstellen.

Was ist beim Spielfigur-Rigging zu beachten?

Unabhängige hierarchische Bewegung

Um einen Eindruck von Rhythmus und Ausgewogenheit – und somit ein glaubhafteres Aussehen – bei der Animation zu erreichen, werden die verschiedenen Teile der Spielfiguren oder Objekte über hierarchische Bewegungen gesteuert. Bei einem Gehzyklus werden beispielsweise zuerst der Kopf und das Genick bewegt, denen dann der Rumpf, die Hüften und die Beine folgen.

Dadurch entsteht auch der Eindruck von Gewicht und Schwerkraft oder von Geschwindigkeit und Impuls. Unabhängige hierarchische Bewegungen können sich auch auf die Art und Weise beziehen, in der sich verschiedene Elemente innerhalb der Animation im Bezug zueinander bewegen, beispielsweise wenn zwei Spielfiguren nebeneinander gehen.

Um einen Eindruck von Rhythmus und Ausgewogenheit – und somit ein glaubhafteres Aussehen – bei der Animation zu erreichen Werden die verschiedenen Teile der Spielfiguren oder Objekte über hierarchische Bewegungen gesteuert. Bei einem Gehzyklus werden beispielsweise zuerst der Kopf und das Genick bewegt, denen dann der Rumpf, die Hüften und die Beine folgen.

Dadurch entsteht auch der Eindruck von Gewicht und Schwerkraft oder von Geschwindigkeit und Impuls. Unabhängige hierarchische Bewegungen können sich auch auf die Art und Weise beziehen, in der sich verschiedene Elemente innerhalb der Animation im Bezug zueinander bewegen, beispielsweise wenn zwei Spielfiguren nebeneinander gehen.

Präzises Weight-Painting

Eine durch Rigging erstellte Spielfigur ist an eine Hierarchie aus Joints oder an ein Skelett gekoppelt. Den einzelnen Eckpunkten des Modells werden zwischen den verschiedenen Joints jeweils Gewichte zugewiesen. Dadurch werden sie zusammen mit dem Skelett bewegt.

Damit sich das Figurenmodell bei Animation ordnungsgemäß verformt, ist ein präzises Weight-Painting erforderlich. Bei diesem Vorgang werden an bestimmten Eckpunkten der Meshes, die den Joints des Skeletts entsprechen, Gewichte hinzugefügt oder entfernt. Normalerweise werden diese mit einem Pinsel-Tool in einer 3D-Animationssoftware auf das Mesh gemalt. Durch ein sauberes Weight-Painting erhalten wir eine bessere Kontrolle über die Verformungen der Spielfigur und verbessern das Erscheinungsbild des Endergebnisses.

Bone-Bewegungs-Constraints

Für die Erstellung einer realistischen oder stilisierten Animation ist es von wesentlicher Bedeutung, mit den Bewegungsgrundsätzen vertraut zu sein. Die Art und Weise, in der sich ein Objekt im Verhältnis zu anderen Objekten bewegt, wird als Bewegungs-Constraint bezeichnet. Davon gibt es zwei Typen: kinematische und dynamische Constraints.

Über kinematische Constraints wird die Bewegung eines Objekts definiert, ohne die darauf einwirkenden Kräfte zu berücksichtigen. Beispielsweise kann ein sich ein Objekt nicht schneller als bei Lichtgeschwindigkeit bewegen.

Bei dynamischen Constraints werden die auf das Objekt einwirkenden Kräfte berücksichtigt. Dadurch kann ein Objekt beispielsweise nur bis zu einem bestimmten Grad beschleunigen.

Bone-Bewegungs-Constraints steuern den Freiheitsgrad innerhalb der Umwandlung, um eine natürlich anmutende Bewegung zu erstellen.

Was sind die besten Praktiken für Character Rigging?

Vorwärtskinematik

Als Vorwärtskinematik wird ein Vorgang bezeichnet, bei dem eine Joint-Hierarchie von der Basis bis zur Spitze bzw. in „Vorwärtsrichtung“ manipuliert wird. Die Position eines Arms mithilfe von Vorwärtskinematik beginnt mit der Drehung des Oberarms. Dem folgen der Ellbogen und schließlich das Handgelenk. Diese Art Bewegungen lassen sich ansprechend fließend animieren. Allerdings gestaltet sich die Einstellung des Endpunkts der Position etwas schwieriger, da sie aus einer Kombination von Drehungen der restlichen Joint-Kette heraus entsteht und manuell anzupassen ist.

Inverskinematik

Als Inverskinematik wird ein Vorgang bezeichnet, bei dem eine Joint-Hierarchie von der Spitze bis zur Basis bzw. in „Rückwärtsrichtung“ manipuliert wird. Um einen Arm mithilfe von Inverskinematik zu positionieren, muss nur die Hand bewegt werden, und die Drehungen von Ellbogen und Oberarm werden basierend auf der endgültigen Position der Hand berechnet. Bei dieser Art Bewegung können die Hände einer Spielfigur an einen Punkt im Raum oder die Füße am Boden befestigt werden, ohne dass diese verrutschen. Eine Animation von natürlich fließenden Bewegungen über die gesamte Joint-Kette hinweg gestaltet sich hingegen eher schwierig.

Driven Keys

Mit Driven Keys oder auch Set Driven Keys können „bedingte“ Keyframe-Animationen, bei denen beispielsweise ein Rad gedreht wird, um eine Tür zu öffnen, effizienter ausgeführt werden. Je nach Animationshierarchie (z. B. wodurch das gewünschte Ergebnis angesteuert wird) ist zwischen zwei Objekten eine Abhängigkeitsverknüpfung zu erstellen. Dabei wäre das Rad beispielsweise die leitende Steuerung („Leaddriver“), durch den die Tür gesteuert („driven“) wird. Das kann dann als Schlüssel eingestellt werden. Der Leaddriver leitet das gesteuerte Objekt, dessen Bewegung automatisch durch die Animation des Leaddriver gesteuert wird.

Blend Shapes

Das Ändern der Form eines Objekts innerhalb der Szene erfordert einen „Verformer“. Blend Shapes ist ein Deformer, der verwendet wird, um die Illusion zu erzeugen, dass eine Form sich auf natürliche Weise in eine andere verwandelt – zum Beispiel ein zwinkerndes Auge.

Constraints

Um ein Rig zu verfeinern, um es einfacher zu manipulieren, können Sie Constraints verwenden, um die Position, Orientierung oder Skalierung automatisch zu steuern. Es gibt verschiedene Typen: Ziel-Constraints steuern die Ausrichtung eines Objekts, damit es auf ein anderes Objekt innerhalb der Szene gerichtet wird. Das ist beispielsweise bei der Blickrichtung der Augen der Fall. Punkt-Constraints bewirken, dass ein Objekt einem anderen folgt, und bei Vektor-Constraints folgt die Richtung einer Inverskinematik-Kette einem anderen Objekt, z. B. beim Festlegen der Knierichtung.

Steuerkurven

Jede animierbare Eigenschaft kann eine Animationskurve haben, die es Ihnen ermöglicht, die sich ändernden Werte von Eigenschaften als Linien auf einem Diagramm zu sehen, anstatt lineare Spuren, die nur zeigen, wann die Keyframes auftreten. Eine Animationssteuerkurve bietet eine Vielzahl von Keyframes, die als Steuerpunkte von der Kurve zu durchlaufen sind. Über die Kurve zwischen den einzelnen Keyframes einer animierten Bewegung wird die Bewegung zwischen zwei Keyframes definiert.