Peter Lorenz English smaller fonts Simulation und Animation

1.3. Animation

Animation ist Erzeugung des Eindrucks von Bewegung durch das Zeigen einer Folge schnell wechselnder Bilder. Man findet Anfänge der Animationstechnik schon vor über 150 Jahren. Die erste große Blütezeit der Animation oder auch Animationstechnik wird von den Zeichentrickfilmen der zwanziger Jahre markiert. Heute ist die computerunterstützte oder -generierte Animation eine wichtige Komponente vieler Filme; und seit Mitte der neunziger Jahre gibt es Filme (z.B. 1996 die Toy Story), die vollständig auf Realaufnahmen verzichten und in denen jedes Bild vom Computer generiert ist.

Aber nicht diese Arbeitsrichtung der Animation, die gelegentlich auch als Studioanimation bezeichnet wird, steht hier im Blickpunkt. Es geht vielmehr um die Systemanimation, die eher mit der Animation in den immer anspruchsvoller werdenden Computerspielen verwandt ist.

Systemanimation hat die synthetische, computergenerierte Visualizierung, also die Sichtbarmachung modellierter Prozesse zum Gegenstand. Diese Animation hat Ziele, die von jenen der Simulation abweichen und hier zu beschreiben sind. Die Systemanimation hat sich seit den siebziger Jahren als eine Komponente der Simulationstechnik etabliert. Heute wird Simulation in der Regel nur dann akzeptiert, wenn sie die modellierten Systeme und die darin ablaufenden Prozesse durch Animation präsentieren kann. So gibt es im Umfeld der Simulation, als Komponenten von Simulatoren oder als selbständige Programme Animatoren oder Animationssysteme unterschiedlicher Qualität. Es werden allgemeine Anforderungen an diese Animationssysteme aufgestellt und diskutiert.

WortbedeutungenTop Line

Animation ist in der Welt des Guten angesiedelt, was die folgenden Auszüge aus Wörterbüchern belegen:

WortSpracheBedeutung
animalateinischAtem, Seele, Leben
animerfranzösisch Seele einhauchen, beleben, Mut fassen, erröten
animationBeseelung, Belebung
animarspanisch beseelen, beleben, leben, wohnen
animierendeutsch beleben, anregen
AnimatorPuppenführer bei der Trickfilmproduktion
animateenglisch breath life into, give appearence of movement by using quick succession of gradually varying drawings

Wenn man der aktuellen Bedeutung der Worte Simulation und Animation nachgeht, findet man in populärwissenschaftlichen Darstellungen mitunter überhaupt keine Differenzierung. Zumindest im Rahmen dieses Textes soll gelten:

Animation
ist synthetische oder künstliche Visualisierung dynamischer Systeme.
Simulation
ist die Konstruktion und Nutzung von Modellen dynamischer Systeme.
Dynamisch
heißt zeitlich veränderlich.

Simulation und Animation (S&A) können den Computer als Werkzeug nutzen. Früher mußten beide ohne Computer auskommen. Computerunterstützte S&A sind Gegenstand der folgenden Ausführungen.

Geschichte der Animation Top Line

Stroboskop
Bild 1: Das Phantoskop (1831)

Die Geschichte der Animation läßt sich bis in die erste Hälfte des 19. Jahrhunderts zurückverfolgen. Das Phantoskop oder Phänakistoskop soll nach (Magnenat-Thalman and Thalman 1985) im Jahr 1831 von dem Franzosen Josephe Antoine Plateau erfunden worden sein. Man kann es als Vorläufer eines Vorführgerätes für Trickfilme ansehen.

Die Trickfilmproduktion wurde vor dem ersten Weltkrieg begonnen und Ende der zwanziger Jahre durch die Walt-Disney-Produktionen weltbekannt. Bis etwa 1960 war Animation eine Methode, die den Eindruck von Bewegung durch Verfilmung und Vorführung einer Folge gezeichneter Bilder erzeugte.

Etwa 1960 beginnt computerunterstützte Animation. Computer wurden zuerst benutzt, um Zwischenbilder (In-Betweens) zwischen handgezeichneten Schlüsselbildern (Key-Frames) zu generieren oder um gezeichnete Flächen mit Farben oder Mustern zu füllen.

In den siebziger Jahren beginnt die Nutzung von 3D-Objektmodellen und kinematischen Prozeßmodellen. Damit wird höhere Realitätstreue erreichbar und der Computer wird ein zentrales Werkzeug der Animation. Der Gesamtablauf, die Handlung des Films sind vom Autor im Script und im Drehbuch festgelegt.

SAHistory
Bild 2: Entwicklung von Simulation und Animation

Eine neue Klasse von Prozeßmodellen lieferte seit Mitte der fünfziger Jahre die diskrete ereignisorientierte Simulation. Ihre Modelle beschreiben das Zusammenwirken zeitlich parallel laufender Teilprozesse. Anfangszustandsbeschreibung und Regeln für den Ablauf und die Interaktion von Prozessen werden mit universellen Programmiersprachen oder mit Simulationssprachen beschrieben.

Man nutzt Modelle, wenn man den Ablauf von Prozessen nicht mit anderen, einfacheren Mitteln vorausbestimmen kann.
Die Beobachtung und Analyse simulierter Prozesse ist Ziel der Simulation, mit der man neue Erkenntnisse über diese Prozesse gewinnt. Die Resultate werden protokolliert und in alphanumerischer Form ausgegeben.

Airport
Bild 3: Bewegte Bilder simulierter Prozesse: Flughafen (1970)

Ende der sechziger Jahre tauchen die ersten graphischen Resultatdarstellungen (Donovan, Jones et al. 1968) und bald danach auch erste Berichte über die Erzeugung beweglicher Prozeßbilder zur Darstellung simulierter Prozesse auf

Ebenfalls ohne Script und Drehbuch entstehen die beweglichen Bildfolgen von Computerspielen. Mitte der siebziger Jahre traten sie zuerst als Telespiele auf und fanden schnell ein großes Publikum. Die Interaktion des Spielers mit dem Spielprogramm führt in jedem Spiel zur Erzeugung neuer Bildfolgen.

Die Entwicklung in der Computerspiele ab Mitte der 80-er führteJahre dazu, dass anspruchsvolle Computergraphik jeden Computernutzer erreicht. Hier entstehen heute Anwendungen, die man bezüglich der Realitätsnähe der graphischen Darstellungen in den bewegten Bildern, des Grades der Interaktion mit dem Nutzer und der Effizienz der Programmierung zu den fortgeschrittensten Produkten der Animationstechnik zählen muß.

In diesem Zusammenhang seien visionäre Worte von Van Dam, einem der Pioniere der Computergraphik in den USA und Autor des wohl bekanntesten Graphik-Lehrbuches zitiert:

I think what's going to happen next is that 3-D computer graphics will become ubiquitous in the same way that 2-D is now and for much the same reason. Hardware advances are making it possible to provide the kind of power in one or two chips that was previously found only in 3-D accelerator boards in expensive workstations. Those chips are going to be mass produced in commodity volumes and find their way into set top boxes. The driving force there is the game/entertainment industry that is already going beyond the special effects that you can get with 2-D. (1994)

Teilweise in Verbindung mit der Simulation, aber auch von ihr unabhängig, sind im Lauf der Ausbreitung der Computergraphik bemerkenswerte 2D- und 3D-Animationssysteme entstanden. Die theoretischen und algorithmischen Grundlagen von 3D-Animationssystemen werden ausführlich beschrieben u. a. in . (Magnenat-Thalman and Thalman 1985; Watt 1989; Magnenat-Thalmann and Thalman 1991; Mealing 1992; Vince 1992).

In allen derartigen Systemen ist zunächst ein geometrisches Modell des nachzubildenden Teils der Welt zu schaffen. Es enthält statische, unbewegliche Komponenten und Objekte, die Bewegungen ausführen können. Durch drehbuchartige Texte, oft Script, Tracefile und Präsentationsfile genannt, wird eine Handlungsfolge beschrieben, nach welcher die beweglichen Objekte geführt werden. Der Nutzer kann bei einigen dieser Systeme während eines Laufs seinen Standort ändern und mitunter auch in den Handlungsablauf eingreifen.

Die auf Filmproduktion orientierten Animationssysteme erreichen heute eine außerordentliche Realitätstreue. Das ist der Öffentlichkeit u.a. mit solchen eindrucksvollen Animationen wie im Film Jurassic Park oder dem ersten vollständig synthetisch erzeugten Spielfilm Toy Story demonstriert worden. 2D- und 3D-Animationssysteme, die in Verbindung mit Simulationssoftware zu nutzen sind, werden in den folgenden Abschnitten genauer vorgestellt.

Eine andere bemerkenswerte technische Entwicklung vollzieht sich auf dem Gebiet der Trainingssimulatoren. Die wohl höchstentwickelten Vertreter dieser Klasse sind die Flugsimulatoren. Sie sind heute aus der modernen Zivilluftfahrt nicht mehr wegzudenken. Das Training von Piloten für den Übergang zu neuen Flugzeugen und fürdas Verhalten in Havariesituationen erfolgen heute überwiegend, in den USA ausschließlich, auf Simulatoren, in denen ein beeindruckendes Maß an Realitätsnähe erreicht wird. Sicher ist es nur eine Frage der Zeit, wann auch in Fahrschulen das Training am Simulator gegenüber dem Üben auf der Straße dominiert.

Gründe für die Animation Top Line

Animationskomponenten von diskreten, ereignisorientierten Simulationssystemen sind auf Erkenntnisgewinn, Präsentation und Schulung orientiert. Sie dienen

Die Animation auf konkretem, geometrisch ähnlichem Niveau

Basisaufgaben der Animation Top Line

Zur Animation simulierter Prozesse hat man zu wählen zwischen

Im folgenden werden die Grundaufgaben der Animation dargestellt, die man bei einer Eigenprogrammierung selbst zu lösen hat, die aber sonst vom Animationssystem als Funktionen bereitgestellt werden.

Nr.Basisaufgabe Erweiterungen
1Objektklassen definieren und benennen Klassenattribute definieren und spezifizieren
2statische Objekte definieren, benennen und platzieren Objektattribute definieren und spezifizieren
3dynamische Objekte erzeugen und benennen Objektattribute definieren und spezifizieren
4dynamische Objekte platzieren 
5dynamische Objekte vernichten 
6Objekte färben 
7dynamische Objekte rotieren 
8dynamische Objekte in gegebener Zeit oder mit gegebener Geschwindigkeit zu einem Zielort bewegen Beschleunigung/ Verzögerung spezifizieren
9Layout gestalten 
10Bewegungsbahnen oder Pfade festlegen 
11dynamische Objekte auf einem Pfad bewegen Abstand halten, in Pfadrichtung orientieren
12Kollisionen behandeln 

Die Steuerung zeitlich parallel laufender Bewegungen vieler dynamischer Objekte ist eine oben nicht explizit genannte Basisfunktion, die für die Teilaufgaben 7, 8 und 11 benötigt wird. Die oben genannten Basisfunktionen treten in unterschiedlicher Form in vielen Animationssystemen und Komponenten in Erscheinung.

Animationskomponenten von Simulationssystemen Top Line

Animation galt unter vielen professionellen Simulationstechnikern noch vor zwei Jahrzehnten als unseriöses, überflüssiges Beiwerk. 1985 wurde GPSS-PC (Minuteman Software) wahrscheinlich als erstes unter den bekannten kommerziell vertriebenen Simulationssystemen mit einer Animationskomponente ausgestattet. Das hat damals zu einem beachtlichen Erfolg geführt.

Nachdem sich im Jahr 1989 auch J. O. Henriksen dazu entschlossen hat, den universellen, auch für sein GPSS/H und SLX gut geeigneten Animator Proof Animation zu entwickeln und zu vertreiben, dürfte es heute kein bekanntes Simulationssystem mehr geben, das auf die Möglichkeit der Animation verzichtet.

So haben die verbreiteten Simulationssysteme ARENA, DOSIMIS, PROMODEL, SIMPLE++/emPlant, SIMSCRIPT, TAYLOR/Enterprise Dynamics, WITNESS eigene Animationskomponenten. Diese sind meist integrierter Systembestandteil und können nicht unabhängig vom jeweiligen Simulationssystem benutzt werden.

Demgegenüber ist das im Rahmen dieses Lehrmaterials bevorzugte Proof Animation unabhängig: Es kann von beliebiger Software benutzt werden, die geeignet ist, Animationstracefiles im ASCII-Format zu schreiben.

Die nebenstehende GPSS/PC-Animation nutzt Alphamosaikgraphik. Zu ihrer Entstehungszeit waren Graphikadapter kaum verbreitet. Das nebenstehende Bild ist ein mitgeliefertes Demonstrationsbeispiel. Es zeigt die Bewegung von Autokarosserien durch eine Lackiererei. GPSS/PC
Bild 4: Beispiel einer GPSS/PC-Animation
Das nebenstehende Bild zeigt eine 2-D-Animation auf Basis des Simulationssystems Taylor. Taylor hat auch 3-D-Animation. Talor
Bild 5: Beispiel einer TAYLOR-Animation
Das in Dortmund entwickelte Simulationssystem DOSIMIS erlaubt es, Objektsymbole auf einer bildhaften Darstellung des Modells zu bewegen. Diese Modelldarstellung entsteht durch graphische Manipulation von Modellbausteinen. DOSIMIS
Bild 6: Beispiel einer DOSIMIS-Animation
Mit den nebenstehenden Bildern soll gezeigt werden, wie ein System, im vorliegenden Fall eine Straßenverkehrskreuzung, auf verschiedenen Abstraktionsstufen abgebildet werden kann.
Das erste Bild zeigt Animation auf einem abstrakten, topologischem Level. Die Fahrbahnen sind in Segmente unterteilt, die frei oder belegt sein können. Das Animationslayout besitzt topologische, aber keine geometrische Auml;hnlichkeit mit dem Original.
Level 1
Bild 7: Beispiel für Level1-Animation
Im zweiten Bild wird ein geometrisch originaltreues Layout benutzt. Fahrzeuge werden durch Objektsymbole dargestellt. Zur graphischen Darstellung beweglicher Objekte kommen textliche und graphische Resultatdarstellungen hinzu. Level 2
Bild 8: Beispiel für Level2-Animation
Im dritten Bild wird zu einer dreidimensionalen Darstellung übergegangen. Die Anschaulichkeit wird verbessert. Aber vielleicht wird der Blick für das Wesentliche durch unbedeutende Details abgelenkt. Level 3
Bild 9: Beispiel für Level3-Animation

Defizite von AnimationssystemenTop Line

Fast alle Animationskomponenten von Simulationssystemen vereint die Nichtbeachtung der folgenden, im Trickfilmbereich bekannten Animationsprinzipien.

NameInhalt
Squash Verformung beim Übergang der Bewegung in den Stand
StretchVerformung beim Übergang vom Stand in die Bewegung
TimingGeschwindigkeit so einstellen, dass der Beobachter folgen kann und sich nicht langweilt
Anticipation (Walt Disney): Jede wichtige Bewegung muß für den Zuschauer vorhersehbar sein.
Staging Art der Präsentation einer Idee so, dass sie verstanden wird. Pro Szene sollte nur eine Idee dargestellt werden.
Animationsprinzipien

Natürlich kann man diese aus dem Bereich der Trickfilmproduktion stammenden Regeln für die Visualizierung von Prozessen nicht uneingeschränkt übertragen. Aber sie geben wertvolle Gestaltungshinweise.

Verbreitete Mängel und Defizite von Animationskomponenten der Simulationssysteme liegen in

Animation im WWW Top Line

Seit langem gibt es auf Webseiten animierte GIF-Bilder und Flash-Animationen. Mit CSS3 und HTML5 wurden neue Möglichkeiten zur Gestaltung von Animationen geschaffen. Allein mit Hilfe von CSS3 kann man beliebige Objete eines Web-Dokuments bewegen und verformen. Spezielle Möglichkeiten zur Bewegung und Veränderung von Objekten gibt es in den mit HTML5 neu eingeführten Canvas und mit Hilfe des in die Web-Browser integrierten SVG.

Kontrollfragen Top Line

  1. Was versteht man unter Animation?
  2. Vergleichen sie die Anwendungsgebiete von Studioanimation und Systemanimation!
  3. Nennen Sie einige Namen von Simulationssystemen mit integrierten Animationskomponenten!
  4. Beschreiben Sie Interfaces zwischen Simulationssystemen und Proof Animation!

Literatur Top Line

Donovan, J.J.and M.M.Jones: A Graphical Facility for an Interactive Simulation System. IFIP Congress Amsterdam 1968
Reitman, J.: Computer Simulation Applications. New York 1971
Henriksen, J.O. Using Proof Animation, Third Edition 2002. ©Wolverine Software Corporation, 2002.
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