Prozedurale Generierung digitaler Medien am Beispiel abstrakter Formen

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4 M. Steinberg 12.01.2011 M. Steinberg Gestaltung und Produktion prozedural erzeugter Digitaler Medien am Beispiel abstrakter Formen 4 Gestaltung und Produktion prozedural erzeugter Digitaler Medien am Beispiel abstrakter Formen Quelle:http://www.flickr.com/photos/kozmoczki-attila/4887640479/

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Gestaltung und Produktionprozedural erzeugter Digitaler Medien

am Beispiel abstrakter Formen

Quelle:http://www.flickr.com/photos/kozmoczki-attila/4887640479/

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Ablauf Einleitung: Definition von „prozedural“

Abstrakte Formen

Prozedurale Inhalte bei Digitalen Medien

Werkzeuge und Algorithmen

Vor- und Nachteile prozeduraler Erzeugung

Zusammenfassung / Subsumption

Quellen / Links

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Procedural techniques are code segments or algorithms that specify some characteristic of a computer-generated model or effect. (Ebert et al.)

Quelle: http://www.flickr.com/photos/mngyver/

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Praktisches Beispiel

Kein Foto (Pixel) zur Darstellung einer Pflanze, Pflanze wird erst über Regeln

definiert, virtuelle Pflanze wird erzeugt und dargestellt,

Prozeduren (Methoden, Abläufe) generieren Objekte,

Abfolge von Anweisungen bzw. Algorithmen,

Objekte werden vom Computer über Algorithmen dynamisch in Echtzeit (auf Anfrage) erzeugt.

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SYNTH: 100% pure math art!

.kkrieger: 96K gross

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Prozedurale Techniken Algorithmen (Programmiercode) für Beschreibung und

Erzeugung von Eigenschaften und Aussehen von z.B. Oberflächen, Objekten, Landschaften, Gebäuden, Welten, Spielinhalten, ….

Abstrakt: Welt mit mathematischer Beschreibung Über Geometrie und wiederkehrende Formen möglich, “The simplest mathematical objects are numbers, and the

simplest of nature’s patterns are numerical.“ (I. Stewart) Blumen haben z.B: meist 3,5,8,13,… Blätter (Fibonacci).

Je abstrakter, desto einfacher umsetzbar. Erstellung geometrischer, komplexer Formen und

Modelle. Techniken auch für andere Themen der Informatik

adaptierbar.

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Abstrakte Formen

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Selbstähnlichkeit Eins der mächtigsten Konzepte der Programmierung ist

Rekursion: Ablauf (Prozedur) ist unterteilt in Sequenzen der Wiederholung

von sich selbst. Einfaches Beispiel (nach Stewart) ist eine Mauersteinwand Prozedur Wanderstellung ist über Replikation von sich selbst

definiert. Stopp, wenn Wand hoch genug (Abbruchbedingung).

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Inhaltsgenerierung MultimediaProcedurale Content Generation (PCG)

Z.B. Texturen, 3D-Körper und Welten, Partikel, Geräusche, Charaktere (Avatare), Animationsabläufe, Zufallsereignisse/anzahlen, Level, Spielinventar, Gegenstände, Texte, Sounds, …..

Modellierung und Animation, Video und digitaler Film, Virtuelle Welten, Simulationsinhalte, Sound Generation. Spiele.

Sonstige Inhaltsgenerierung (Text, Audio, Video,…) .

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Spiel: Spore-Editor

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Animation/Film: Ratatouille

Prozedurale Erzeugung von Nahrung:

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Weitere Anwendungsfälle

System zur Simulation von Personenströmen Mit Hilfe von Simulation Wege nach Effizienz und

Sicherheit beurteilen und verbessern. Mit Hilfe genetischer Algorithmen Optimierungen im

Entwurf der Gebäude optimale Aufteilung Grundriss in Korridore und

unterschiedliche Wohnungen. Generierung eines Gebäudes, basierend auf

Regeln Selbstähnliche Strukturen in Städten Z.B.: Straßennetze einer Großstadt prozedural verlegen

und die einzelnen Bauwerke an die erzeugten Netze anpassen.

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Verbreitung prozeduraler Techniken

Nimmt beständig weiter zu in letzten Jahren.

Hoher Anspruch an realitätsgetreue Darstellung und abwechslungsreiche Digitale Medien.

„Von Hand“ oft nicht zu bewältigen zu teuer und zu aufwendig, oder zu große

Dateigrößen/Ladezeiten.

Zufallsgenerierte Inhalte sorgen für sonst nicht mögliche Vielfalt an Lösungen, aber auch für gestalterischen Kontrollverlust.

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Vorteile

Umfangreiche Daten in unendlichen Variationen automatisiert erzeugbar,

geringer initialer Speicherbedarf (durch Abstraktion als Algorithmus),

keine Inkompatibilitätsprobleme durch verschiedene grafische Ausgabeformate,

Änderungen und Anpassungen an Inhalten einfacher (z.B. Ratatouille Nahrung),

Anpassung von Inhalten zur Laufzeit (in Echtzeit) Reagieren auf Kontext und Interaktion.

Nutzer-generierte Inhalte mit Funktionen möglich („Owning“).

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Beispiel: Auflösung einer Textur Grafiker entscheidet zu Beginn, in welcher Auflösung eine Textur

verwendet wird, Prozedural nicht notwendig:

Textur kann variieren und wird für gegebene Situation passend erzeugt. Parametrische Kontrolle steuert und variiert zu erzeugende

Inhalte: Größe eines Baums, Anzahl Beine und sonstige Eigenschaften über

Parameter kontrolliert, Programm nutzt Zufallsgenerator, generiert für jede Ausführung neuen

Inhalt.

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Nachteile

Erhöhte Rechenleistung nötig für komplexe Rechenvorgänge zur Erstellung der Inhalte in Echtzeit bei Rechenleistung moderner CPUs heute meist eher zu

vernachlässigen. Teils Algorithmen mit hoher Komplexität Einarbeitungsaufwand, spezifisches Fachwissen, auch teuer.

Nur ein Werkzeug für Problemlösung, keine Lösung an sich.

Design, Ästhetik, Dynamik, Fantasie, Flow, Anreizmaßnahmen: nicht allein prozedural lösbar, insbesondere nicht „Look and Feel“ und emotionale

Komponente bei Spielen (besonders wichtig) für „Addiction“(Suchtfaktor) und „Engagement“ (Bindung).

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Design-Genauigkeit und Detailgrad Vielfalt gewonnen, aber Genauigkeit der Ergebnisse verloren.

Wechselspiel zwischen Flexibilität/Vielfalt und gezielten Ergebnissen.

Exakte Vorstellung von Ergebnis (künstlerischer bzw. gestalterischer Anspruch) oft nicht 100%tig erreichbar: Viele Ergebnisse, die alle exakter Vorstellung ähneln.

Prozedurale Verfahren oft schwer nachvollziehbar, vor allem für Newbies,

meist schwer zu programmieren und fehleranfällig.

Je nach System, zu erzeugendem Inhalt bzw. Komplexität lange Berechnungszeiten Verzweigungen expandieren Komplexität und Berechnungszeit sehr schnell.

Desto detaillierter, umso aufwendiger (bis rein prozedural unmöglich.)

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The details are not the details, the details are the design.

Quelle: Zitat Charles Eames, Foto http://www.flickr.com/photos/30005284@N08/

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Algorithmen und Werkzeuge

Quelle: http://www.flickr.com/photos/jason-samfield/5080904261//

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Algorithmen und Verfahren Rauschen Erzeugung von Zufallszahlen mittels eines PRNGs

(Pseudo- Random-Number-Generator). Fraktale (Apfelmännchen, 1968) geometrische Figuren/Formen, künstlich oder natürlich.

Lindemayer-Systeme L-System besteht aus einer Grammatik über Alphabet

aus Symbolen (z.B. Von-Koch-Schneeflocke). Isofläche und Metaball für Flüssigkeiten, kugelartige Gebilde mit Dichtefeld.

Partikelsysteme vielseitig einsetzbar z. B. Erstellen von Rauch, Wolken, Gras,

Haaren oder Wasser.

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Werkzeuge und Middleware Software (Middleware) für Erstellung von Landschaften, Texturen,

Städten, organischen Strukturen, … mittels prozeduralerVerfahren: Terragen 2, Speedtree, CityScape, PaintFX als Maya Erweiterung, Houdini, ProFX, Procedural Inc, Cinema 4D, RederMan, …

Anwender muss nicht selber Algorithmen erstellen/einbinden kann mittels Editor bzw. Oberfläche (GUI) verschiedene Effekte und

Objekte kombinieren, realitätsnahe Ergebnisse möglich,

Umfangreich und in Zukunft sicher noch viele Weitere.

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Subsumption The wide range of applications with procedural practice in Digital Media

is constantly increasing, small file sizes of huge object collections are favorable for network

applications, lower production costs, more effective and faster production, adjustment is possible "on the fly“ (production in real time), often complex tools and algorithms for procedural generation of 2D and

3D media needed, mix of algorithms and hand-made design usually advisable, random effects of procedural generation must be handled by design

aspects or should be wanted intentionally (e.g. artistic manner), advantages and disadvantages depend on use case and application, abstract shapes with high self-similarity producible very efficiently.

Many issues open for further courses!

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Zusammenfassung Das weite Einsatzgebiet prozeduraler Verfahren bei Digitalen Medien

nimmt stetig zu, geringe Dateigrössen von großen Objektsammlungen sind günstig für

Netzwerkanwendungen, weniger Produktionskosten, effektivere und schnellere Produktion, Anpassung „on the fly“ möglich (während der Erzeugung in Echtzeit), oft komplexe Werkzeuge und Algorithmen für prozedurale Erzeugung

von 2D und 3D Medien, Mischung aus Algorithmen und Hand-gemachtem Design meist ratsam, Zufallsfaktor rein prozeduraler Generierung muss für Designaspekte

,verkraftbar oder absichtlich (z.B. künstlerisch) gewollt sein, Vor- und Nachteile je nach Anwendungsfall abwägen, bei abstrakten Formen mit hoher Selbstähnlichkeit sehr effizient.

Viele Themen offen für spannende Lehrveranstaltungen!

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Quellen

Procedural Content Generation, B. Guðlaugsson, 2006.

Modellierung, weitergehende Schwerpunkte, W. Holoch.

Texturing & Modeling. A Procedural Approach, D. S. Ebert, F. K. Musgrave, D. Peachy, K. Perlin, S. Worley, Morgen Kaufmann Publishers 2003. ISBN 1-55860-848-6.

Procedural Generation Natural Environments out of the Box, T. Wallbaum, 2010.

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Links

PCG Wiki, http://pcg.wikidot.com/, besucht: 05.01.2011, aktualisiert: 2011.

The Death Of The Level Designer, http://pcg.wikidot.com/the-death-of-the-level-designer, besucht: 05.01.2011, aktualisiert: 2008.

The Procedural World, Part 1 and Part 2, http://www.shamusyoung.com/twentysidedtale/?p=537, besucht: 05.01.2011, aktualisiert: 2006.

Pixar RenderMan: http://de.wikipedia.org/wiki/RenderMan, https://renderman.pixar.com/products/whats_renderman/2.html, besucht: 25.12.10, aktualisiert: 2010.

Wikipedia. http://en.wikipedia.org/wiki/Procedural_generation, besucht: 05.01.2011, aktualisiert: 2010.

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