Neu in Release 12 – Soft Body Dynamics

Autor: Andreas Asanger

Dieses Tutorial behandelt die völlig überarbeitete Dynamics-Funktionalität in CINEMA 4D Release 12 bei weichen, elastischen Körpern (Soft Bodys) und lädt zum Experimentieren mit den Soft Body-Parametern ein.

In der Arbeitsdatei PSD_C4D_R12_Dyn_SoftBodies_Start.c4d” findet ihr die vorbereitete Szene, bestehend aus einer spiralförmigen Rutschbahn und drei bunten Würfel-Objekten, die wir auf die Rutschbahn loslassen wollen.

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Aufbau der Szene

Von den Dynamics ist in der Start-Szene noch nichts zu sehen. Um den Aufbau dieser Startformation aber besser nachvollziehen zu können, sehen wir uns die Elemente und deren Aufbau im Objekt-Manager kurz an. Zunächst fällt auf, dass die parametrischen Würfel-Objekte als Gruppe in einem HyperNURBS-Käfig liegen.


Wenn wir die vom HyperNURBS-Käfig erzeugte Unterteilung kurz ausschalten und die Objekt-Eigenschaften der Würfel-Objekte ansehen, erkennen wir, dass die Segmentierung sowie Rundung des Würfels recht minimalistisch ausfällt.

 

Zum einen halten wir dadurch den Rechenaufwand für die Soft Body-Simulation niedriger…

 

… zum anderen verringern wir durch den toleranten HyperNURBS-Käfig die Gefahr von Artefakten bzw. unschön verzerrten Soft Body-Oberflächen. Eine Unterteilung von 1 für den HyperNURBS-Käfig reicht dabei schon aus, um das Objekt ausreichend glatt runden zu lassen.

 

Die Rutschbahn wird über einen Sweep-NURBS-Generator realisiert. Als Konturspline dient ein u-förmiges Spline-Objekt, dessen Kanten zur Abrundung mit dem Fasen-Werkzeug leicht abgefast wurden.

Weil das Sweep-NURBS-Objekt den Konturspline entlang seiner Z-Achse führt, liegt die Achsausrichtung des Kontursplines entsprechend in der XY-Ebene.

 

Die dreidimensionale Form erhält der Konturspline, indem er an einem Railspline entlang geführt wird. Diese Aufgabe übernimmt ein parametrisches Helix-Objekt aus der Palette der Spline-Grundobjekte. Das Aussehen der Rutschbahn-Spirale könnt ihr also jederzeit nachträglich über die beim Helix-Spline anliegenden Parameter verändern.

 

Wem im vorangegangenen Schritt die hohe Unterteilung des Helix-Splines aufgefallen ist, erhält nachfolgend den Grund für die hohe Zahl. Wenn nicht genügend Unterteilungen zur Verfügung stehen, fällt die Rutschbahn-Spirale nicht rund, sondern extrem kantig aus. Im Einstellungsdialog des Sweep-NURBS-Objekts ist wichtig, dass die Option Parallele Verschiebung deaktiviert ist.

 

Auf der Deckflächen-Seite des Sweep-NURBS-Objekts ist eine Deckfläche mit leichter Rundung hinterlegt; dabei muss die Kontur nicht beibehalten werden. Insbesondere beim oberen Ende der Rutschbahn mit der starken Krümmung helfen diese Parameter, unerwünschte Verzerrungen zu vermeiden.

 

Aufbau des Dynamics-Systems mit den Kollisionsobjekten

Natürlich arbeiten wir in diesem Tutorial nicht ausschließlich mit Soft Body-Objekten. Die Soft Body-Würfel werden zwar auch miteinander kollidieren, trotzdem müssen insbesondere die Rutschbahn und das Boden-Objekt als Kollisionsobjekte an der Simulation teilnehmen.

Fangen wir mit dem Boden-Objekt an, indem wir es selektieren und ihm über den Befehl Kollisionsobjekt erstellen aus dem Menü Simulation>Dynamics ein Dynamics Body-Tag als Kollisionsobjekt zuweisen.

 

Im Einstellungsdialog des Dynamics Body-Tags müssen wir nur die Elastizität und Reibung etwas nachjustieren. Die hohe Elastizität von 80% sorgt dafür, dass die herabfallenden Würfel nach dem Aufprall auf den Boden noch etwas nach oben springen, der Reibungswert von 80% wiederum hält die Würfel weitgehend an Ort und Stelle, schließlich sollen sie nicht einfach wegschlittern.

 

Auch die Rutschbahn benötigt ein Dynamics Body-Tag als Kollisionsobjekt, wenn wir möchten, dass die Würfel dort aufprallen und spiralförmig nach unten rutschen. Weil ein Kollisionsobjekt keine eigenen dynamischen Eigenschaften besitzt, die in der Simulation zum Tragen kommen, kann die Rutschbahn ohne weitere Befestigung in der Szene schweben, wo auch immer wir sie platzieren möchten.

 

Im Einstellungsdialog des Dynamics Body-Tags für die Rutschbahn definieren wir zunächst die Form der Rutschbahn für die Kollision näher. Damit die Oberflächen und Kanten der Rutschbahn auch genau von der Kollisionsberechnung berücksichtigt werden, wählen wir als Form das Statische Mesh aus. Diese Einstellung ist zwar ziemlich rechenaufwendig, anders lässt sich aber die Rutschbahn nicht als Kollisionsform realisieren.

Die Elastizitäts– und Reibungswerte können im Prinzip auf den Standardwerten bleiben. Wer die Bahn noch rutschiger gestalten möchte, setzt den Reibungswert noch etwas niedriger an.

 

Definition der Soft Body-Würfel

Nun fehlen uns nur noch die Würfel-Objekte, um die Teilnehmer der Simulation komplett zu haben. Um ein Objekt in Dynamics mit weichen und elastischen Eigenschaften zu versehen, müssen wir ihm ein Dynamics Body-Tag als Soft Body zuweisen. Den zugehörigen Befehl finden wir wieder im Menü Simulation>Dynamics.

Damit gleich alle drei Würfel ein solches Tag zugewiesen bekommen, selektieren wir vorher einfach alle drei Würfel-Objekte im Objekt-Manager.

 

Nachdem alle drei Würfel-Objekte mit dem Dynamics Body-Tag als Soft Body vorliegen, können wir die drei Tags im Objekt-Manager selektieren und die übergreifend identischen Parameter gleich für alle drei Würfel über den Einstellungsdialog definieren.

Dabei erkennen wir schnell, dass sich die Soft Bodys im Wesentlichen durch den eigenen Bereich “Soft Body” von den Rigid Bodys unterscheiden. Hier liegen also die Spezial-Eigenschaften, über die das Objekt zum Soft Body-Objekt wird.

Auf der Dynamics-Seite gehen wir in erster Linie sicher, dass die Auslösung der dynamischen Simulation sofort beginnt, die restlichen Parameter müssen wir nicht verändern.

 

Auch die Kollisions- und Masse-Einstellungen können wir für alle drei Würfel-Objekte gemeinsam einstellen. Das hat den Vorteil, dass wir die Auswirkungen der unterschiedlichen Soft Body-Eigenschaften später besser beurteilen können. Für die Kollision reicht die automatische Erkennung der Kollisionsform bei Standardwerten für Elastizität und Reibung.

Da bei unserer Simulation keine Körper mit unterschiedlichen Massen kollidieren, reicht uns hier die standardmäßige Einstellung der Weltdichte zur Berechnung der Masse.

 

Wie bereits erwähnt, liegen die für die weichen bzw. elastischen Eigenschaften der Soft Bodys verantwortlichen Parameter gesammelt auf der Soft Body-Seite. Allen Würfel-Objekten gemeinsam ist die Einstellung Polygone/Linien, da wir es mit parametrischen Objekten zu tun haben und auch keine aus Klonen bestehenden Objektgebilde als Soft Body ausstatten wollen.

Wie an den ausgeblendeten Parametern zu sehen, beschäftigen wir uns in diesem Tutorial in erster Linie mit den Parametern für Federn und Formbewahrung. Weiteren Experimenten mit Maps, unterschiedlichen Dämpfungen und Druck steht natürlich nichts im Wege.

 

Fangen wir mit dem ersten der drei Würfel an. Dieser Würfel wird sich aufgrund des hohen Strukturwerts stark bemühen, seine Gestalt zu behalten. Auch ein Zusammenfalten des Würfels wird durch den hohen Scherungswert verhindert. Durch den Biegungswert von 60 lassen wir zu, dass sich der Würfel am ehesten elastisch biegen lässt.

Über den Härtewert im Abschnitt Formbewahrung geben wir dem Würfel noch die Eigenschaft mit, wie stark er sich gegen eine Verformung wehrt.

 

Die untere Abbildung zeigt den eben definierten orangen Würfel beim direkten Aufprall auf den Boden.

 

Der violette Würfel soll sich im Gegensatz dazu sehr weich und elastisch benehmen. Entsprechend niedrig fallen die Struktur-, Scherungs- und Biegungswerte aus. Speziell der geringe Biegungswert wird den Würfel nahezu puddingartig wirken lassen. Damit der Würfel trotzdem immer wieder zur ursprünglichen Form zurückfindet, geben wir ihm zumindest einen niedrigen Härtewert von 5 mit.

 

Die untere Abbildung zeigt den verzerrten violetten Würfel nach dem Abprallen vom roten Würfel.

 

Die Soft Body-Eigenschaften des roten Würfels liegen in etwa in der Mitte der beiden anderen Würfel. Er wird sich also durchaus elastisch verhalten, dank der größeren allgemeinen Härte aber sehr schnell wieder in seinen Ausgangszustand zurückversetzen. Dazu trägt auch der erhöhte Wert für die Dämpfung bei. Je höher dieser Wert ausfällt, umso schneller wird der Ausgangszustand angestrebt.

 

Die untere Abbildung zeigt den roten Würfel beim direkten Aufprall auf den Boden …

 

… und diese Abbildung, ein paar Bilder weiter, wie schnell der Würfel zu seiner ursprünglichen Form zurückgefunden hat.

 

Testen der Soft Body-Simulation

In der als Arbeitsdatei mitgelieferten Start-Szene habe ich die drei Würfel-Objekte mit jeweils etwa einem Würfel Abstand voneinander platziert, damit die Soft Body-Würfel auch gleich die Gelegenheit haben, miteinander zu kollidieren.

Wer möchte, kann natürlich auch größere oder kleinere Abstände verwenden und beobachten, was passiert.

 

Bevor wir auf den Abspielbutton drücken, noch kurz ein Blick auf die Dynamics-Einstellungen unter den Dokument-Voreinstellungen von CINEMA 4D. Die Größe der Würfel-Objekte passt recht gut zum eingestellten Skalierungswert sowie zur Kollisionstoleranz, sodass es hier nicht unbedingt nötig ist, Änderungen vorzunehmen.

 

Gleich nach dem Start der Simulation kollidieren zwei der Würfel miteinander. Der violette Würfel wird aufgrund seiner geringen Federstärken vom gelben Würfel nahezu zerquetscht. Der rote Würfel hat sich dank der höheren Formbewahrung und -dämpfung schnell nach dem Aufprall wieder aufgerappelt.

 

Trotzdem überstehen alle drei Würfel die Deformation durch Aufprall bzw. Kollision unbeschadet.

 

Bei der Kollision mit dem violetten Würfel hat der gelbe Würfel wenig Energie durch Dämpfung bzw. Reibung verloren und springt eine Ebene tiefer auf die Bahn.

 

Während die bunten Würfel nach unten rutschen und so gut es geht kugeln, lassen sich die Biege- und Schereigenschaften der Soft Body-Objekte gut beurteilen. Dem violette Würfel beispielsweise fällt es durch die hohe Biegsamkeit relativ leicht, nach unten zu kugeln.

 

Der straffere rote Würfel bewegt sich zwar wesentlich “eckiger”, dafür schafft er den Weg aber in kürzerer Zeit und bleibt dem gelben Würfel, der ja anfangs etwas abgekürzt hatte, dicht auf den Fersen.

 

Der hohe Reibungswert des Boden-Objekts sorgt dafür, dass die aufkommenden Würfel-Objekte nicht zu weit wegspringen, sondern in der Nähe bleiben, um noch miteinander kollidieren zu können.

 

Soweit eine kleine Einführung in die Soft Body-Dynamics von CINEMA 4D Release 12. Zum Abschluss kann ich nur einladen, mit dieser Basis zu experimentieren, um die Auswirkungen der unterschiedlichen Federarten und -härten bzw. Formbewahrungs- und Dämpfungsparameter oder auch den Einfluss von Druck und Masse kennenzulernen.

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