1. Gestaltung und Produktion
prozedural erzeugter Digitaler Medien
am Beispiel abstrakter Formen
Quelle:http://www.flickr.com/photos/kozmoczki-attila/4887640479/
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2. 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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3. 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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4. 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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5. SYNTH: 100% pure math art!
.kkrieger: 96K gross
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6. 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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7. Abstrakte Formen
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8. 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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9. Inhaltsgenerierung Multimedia
Procedurale 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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10. Spiel: Spore-Editor
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11. Animation/Film: Ratatouille
 Prozedurale Erzeugung von Nahrung:
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12. 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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13. 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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14. 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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15. 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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16. 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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17. 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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18. 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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19. Algorithmen und Werkzeuge
Quelle: http://www.flickr.com/photos/jason-samfield/5080904261/
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20. 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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21. Werkzeuge und Middleware
 Software (Middleware) für Erstellung von Landschaften, Texturen,
Städten, organischen Strukturen, … mittels prozeduraler
Verfahren:
 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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22. 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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23. 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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24. 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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25. 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.ht
ml, besucht: 25.12.10, aktualisiert: 2010.
 Wikipedia.
http://en.wikipedia.org/wiki/Procedural_generation, besucht:
05.01.2011, aktualisiert: 2010.
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26. Vielen Dank für ihre
Aufmerksamkeit!
Fragen?
Anregungen?
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