BLENDER - Animation roter Blutkörperchen (Displace, Emitter-Particlesystem, Kraftfeld)

In diesem Tutorial, das mit Blender Version 3.3 erstellt wurde, sehen wir, wie man die Animation einiger roter Blutkörperchen erzeugt, die sich innerhalb eines Blutgefäßes bewegen.

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• BLENDER - Red Blood Cells animation (Displace, Emitter particle system, force field)

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Hallo zusammen!
In diesem Tutorial, das mit Blender Version 3.3 erstellt wurde, sehen wir, wie man die Animation einiger roter Blutkörperchen erzeugt, die sich innerhalb eines Blutgefäßes bewegen.

Im Tutorial lernen wir, wie man das Blutgefäß und die roten Blutkörperchen modelliert, wie man die roten Blutkörperchen mit einem Partikelsystem vom Typ Emitter erzeugt und wie man sie mithilfe eines Force Field dem Verlauf des Blutgefäßes folgen lässt.

Beginnen wir mit dem Modellieren des Blutgefäßes in einer vollständig leeren Szene.

Zuerst fügen wir in einer Top-Ansicht, vorzugsweise orthografisch, eine Bezier Curve ein, die wir im Edit Mode modellieren, indem wir ein paar Kontrollpunkte hinzufügen und verschieben.

Diese Kurve stellt den Verlauf des Blutgefäßes dar, und für unsere Zwecke können wir sie in der 2D-Ebene belassen. Aus diesem Grund rahme ich die Szene von oben mit einer orthografischen Ansicht ein.

Nachdem wir den Pfad modelliert haben, wechseln wir zurück in den Object Mode und fügen einen Bezier Circle in die Szene ein. Dieser stellt das Profil des Pfads dar, das wir kreisförmig belassen. Die inneren Wände des Pfads werden wir später mit dem Displace Modifier stören.

Um den Bezier Circle als Profil der Bezier Curve festzulegen, die wir der Übersicht halber in Vessel Path umbenennen, müssen wir Vessel Path auswählen, den Object-Data-Tab im Properties Editor öffnen und dann im Bereich Geometry unter Bevel im Feld Object den soeben erstellten Bezier Circle als Bevel Object angeben.

Falls das Profil zu groß oder zu klein erscheint, können wir es einfach durch Skalieren des Bezier Circle anpassen. Wie bereits erwähnt, ist es nicht notwendig, das Profil des Bezier Circle im Edit Mode zu verändern, da das kreisförmige Profil gut funktioniert.

In meinem Fall erscheint das Blutgefäß von innen betrachtet unsichtbar. Das liegt daran, dass die Option Background Culling im Viewport-Shading-Menü aktiviert ist.

Diese Option blendet Flächen aus, deren Normalen nicht zum Betrachter zeigen. Sie kann in manchen Fällen nützlich sein, hier jedoch nicht, daher deaktiviere ich sie.

Wir erstellen eine Kopie des Pfads mit SHIFT+D und Enter, nennen sie zum Beispiel Path Copy und blenden sie vorübergehend aus. Diese Kopie ist aus zwei Gründen nützlich. Zum einen dient sie als Sicherheitskopie des Pfads, da wir ihn gleich von einer Curve in ein Mesh umwandeln werden. Zum anderen behalten wir so eine Kopie der ursprünglichen Kurve, die wir später als Pfad verwenden können, dem die roten Blutkörperchen folgen.

Der Pfad muss in ein Mesh umgewandelt werden, da wir so einen Displace Modifier darauf anwenden können, der die Wände des Blutgefäßes verzerrt und sie visuell interessanter macht.

Die Umwandlung kann per Rechtsklick und Convert To Mesh erfolgen, aber ich möchte auf etwas hinweisen. In meinem Fall sind die Vertices des kreisförmigen Profils deutlich dichter als die Segmente, aus denen der Pfad besteht.

Da ich möglichst quadratische Flächen haben möchte, mache ich die Umwandlung rückgängig, mit CTRL+Z im Object Mode, und füge anschließend zusätzliche Kontrollpunkte dort ein, wo die ursprünglichen Kontrollpunkte zu weit voneinander entfernt sind und zu lange Handles haben, die rechteckige Flächen erzeugen.

Anschließend führe ich wie zuvor beschrieben die Umwandlung in ein Mesh durch, mit einem Rechtsklick und Convert To Mesh.

Danach füge ich dem Objekt einen Displace Modifier hinzu und wähle dabei speziell eine Clouds Texture mit einem niedrigen Scale-Wert, um viele Verzerrungen zu erzeugen.

Das Ergebnis ist jedoch enttäuschend. Das liegt daran, dass das durch die Umwandlung entstandene Mesh nicht ausreichend „dicht“ ist, das heißt, es besitzt zu wenige Vertices und Faces, um sinnvoll verformt zu werden. Um dieses Problem zu lösen, füge ich dem Objekt einen Subdivision Surface Modifier hinzu, mit mindestens 2 Subdivisions.

Der Subdivision Surface Modifier muss über dem Displace Modifier platziert werden. Die Reihenfolge ist wichtig, da das Mesh zuerst durch Subdivision Surface unterteilt und anschließend mit Displace verformt wird.

Nun passen wir die Size-Werte der Texture und die Strength des Displace Modifiers an, bis wir ein Ergebnis erzielen, das uns gefällt. Falls nötig, können wir auch andere Textures für Displace ausprobieren oder als letzten Modifier im Stack einen Smooth Modifier hinzufügen, um die Verzerrungen etwas zu glätten und die Modellierungsphase des Blutgefäßes abzuschließen.

Sobald diese Arbeit abgeschlossen ist, weisen wir dem Blutgefäß ein Material zu. In meinem Fall verwende ich, um den Look aus der Tutorial-Vorschau zu erzielen, ein rotes Velvet-Material, da dieses Material das Licht auf besondere Weise reflektiert. Das Ergebnis muss hier nicht fotorealistisch sein, daher ist ein weicheres, stärker verschwommenes Erscheinungsbild völlig in Ordnung.

Um jedoch eine Vorschau des Ergebnisses zu erhalten, müssen wir zunächst zwei Schritte durchführen.
Zum einen setzen wir den Hintergrund der virtuellen Welt auf Schwarz, über World – Background – RGB Color.

Zum anderen fügen wir mindestens ein paar Point-Light-Lichtquellen innerhalb des Blutgefäßes ein.

Das Einfügen der Point Lights lässt sich am einfachsten aus einer Top-Ortho-Ansicht durchführen. Ich empfehle, die Lichtquellen nahe an den Kurven zu platzieren und zunächst nur eine einzige zu erstellen, die anschließend mit ALT+D dupliziert wird, um verknüpfte Kopien zu erhalten, welche die Parameter der ersten Lichtquelle übernehmen. Das ist praktisch, da wir anfangs nicht wissen, welche Intensität die Lichtquellen haben sollen und etwas experimentieren müssen. Mit den verknüpften Kopien können wir Intensität und Farbe nur an einer Lichtquelle ändern und dieselben Einstellungen werden automatisch auf die anderen übernommen.

Platziere eine verknüpfte Kopie der Lichtquelle am Eingang des Blutgefäßes, da unsere roten Blutkörperchen sonst am Anfang zu dunkel erscheinen würden.

Wir können die Render-Vorschau mit Z – Rendered im 3D Viewport anzeigen lassen und so die Lichtparameter einstellen, bis wir das gewünschte Ergebnis erreichen.

In dieser Phase können wir auch die Kamera einfügen und positionieren, die wir später für das Rendering verwenden werden.
Konkret fügen wir im Object Mode mit SHIFT+A und Camera ein Camera-Objekt in die Szene ein, positionieren uns anschließend im 3D Viewport, um die anfängliche Bildkomposition der Sequenz festzulegen, öffnen dann die Suchfunktion von Blender, die in meinem Fall mit der Leertaste aufgerufen wird, und suchen nach der Option Align Camera to View. Das entsprechende Shortcut ist CTRL ALT NUMPAD 0.

Passe die Position der Kamera an und ändere bei Bedarf ihre Brennweite im Object-Data-Tab, indem du zum Beispiel den Wert verringerst, um einen breiteren, weitwinkligen Bildausschnitt zu erhalten.

Sobald Materialien, Lichter und Kamera eingerichtet sind, wechseln wir zurück in den Solid-View-Modus der 3D-Szene und begeben uns in einen leeren Bereich, um den Prototyp der roten Blutkörperchen zu modellieren.

Es gibt viele Möglichkeiten, dieses Objekt zu modellieren, die Auswahl ist groß. In meinem Fall erstelle ich eine UV Sphere, flache sie an den Polen ab, lösche anschließend die Pol-Vertices und fülle die entstandenen leeren Ringe im Edit Mode mit GRID FILL.

Diese Schritte führe ich durch, weil ich auch auf das rote Blutkörperchen einen Displace Modifier anwenden möchte. Bevor ich das tue, ändere ich jedoch im Object Mode die Schattierung auf Shaded, da die standardmäßige Flat-Shading-Darstellung zu kantig ist.

Ich modelliere das rote Blutkörperchen weiter, indem ich es in der Nähe der Pole abflache. Diese Schritte führe ich aus, indem ich die Vertices auswähle, die ich bearbeiten möchte, und sie anschließend entlang der Z-Achse, also vertikal, verschiebe oder skaliere, bis ich das gewünschte Ergebnis erhalte.

Was die Verzerrung der Geometrie betrifft, führe ich dieselben Schritte wie beim Blutgefäß aus, das heißt, ich füge einen Subdivision Surface Modifier und einen Displace Modifier hinzu und konfiguriere sie. Der Unterschied besteht darin, dass diesmal wahrscheinlich nur eine Subdivision für Subdivision Surface ausreicht.

Falls die durch Displace erzeugten Verformungen nicht gut sichtbar sind oder im Gegenteil zu stark ausfallen, selbst wenn du den Size-Parameter der Texture deutlich veränderst, versuche, die Skalentransformationen des Objekts mit CTRL+A und Apply Scale anzuwenden, insbesondere wenn du das Objekt skaliert hast. Diese Überlegung gilt übrigens auch für das Blutgefäß.

Sobald die Modellierungsphase abgeschlossen ist, weisen wir diesem Prototyp der roten Blutkörperchen ein Material zu. In dieser Phase verschiebe ich das rote Blutkörperchen vorübergehend in das Innere des Blutgefäßes an eine gut beleuchtete Stelle, um den finalen Effekt im Rendered-View-Modus zu überprüfen.

Diesmal wähle ich ein Principled BSDF Material mit einer leicht dunklen roten Farbe und einem Roughness-Wert von etwa 0.6, um dem Objekt eine dezente spiegelnde Reflexion zu verleihen.

Um dem neu erstellten Plane ein Partikelsystem zuzuweisen, öffnen wir den Particle-Properties-Tab des Objekts und klicken auf das „+“-Symbol.

Standardmäßig ist das neu erstellte Partikelsystem vom Typ Emitter, was genau das ist, was wir benötigen.

Wir möchten nicht zu viele Partikel erzeugen, aber wir wollen sicherstellen, dass sie Kopien des Prototyps der roten Blutkörperchen sind, eine zufällige Rotation haben, über die gesamte Dauer der Animation emittiert werden und bis zum Ende der Animation vorhanden bleiben.
Der letzte Punkt bedarf einer kurzen Erklärung, da Partikel, wie wir sehen werden, eine Lebensdauer haben, die wir entsprechend einstellen.

Was die Anzahl der Partikel betrifft, werden wir sie während der Bewertung der Animation testen, aber für den Moment setzen wir im Feld Number des Partikelsystem-Tabs den Wert auf 100.

Was die Dauer der Animation betrifft, lasse ich die Blender-Standardwerte von 250 Frames bestehen, was bei 25 Frames pro Sekunde 10 Sekunden Videomaterial entspricht. Entsprechend können wir einstellen:

• Frame Start 0

• End Frame 250

• Lifetime 250

Um die neuen Partikel zu Instanzen des Prototyps der roten Blutkörperchen zu machen, öffnen wir den Render-Tab des Partikelsystems, ändern das Feld Render As von Halo auf Object und geben weiter unten das rote Blutkörperchen als Instance Object an.

Wenn wir nun die Animation starten, werden wir einige Dinge feststellen, die an den erzeugten Partikeln korrigiert werden müssen:

• sie haben eine ungeeignete Größe;

• sie fallen ins Leere;

• sie haben alle dieselbe Ausrichtung;

• sie werden nicht in Richtung des Blutgefäßes projiziert.

Wir lösen all diese Probleme Schritt für Schritt, beginnend mit dem einfachsten, nämlich dem Entfernen der Schwerkraft.

Öffne den Tab Field Weights des Partikelsystems und setze den Wert Gravity auf 0.0. Jetzt fallen die Partikel nicht mehr ins Leere, wie wir sehen können, wenn wir uns auf Frame 1 der Timeline positionieren und die Animation erneut starten.

Die Größe der Partikel kann im Render-Tab des Partikelsystems angepasst werden, indem wir den Parameter Scale verändern. Ich bin mir nicht sicher, ob rote Blutkörperchen unterschiedliche Größen haben können, daher lasse ich den Wert Scale Random, der zufällige Größenvariationen einführt, auf 0.0.

Beachte, dass wir den Prototyp der roten Blutkörperchen weiterhin sowohl im Object Mode als auch im Edit Mode verändern können und die Änderungen auch an den Partikeln sichtbar werden, da es sich dabei um Instanzen dieses Prototyps handelt.

Für die Rotation der Partikel können wir eine anfängliche zufällige Rotation festlegen, indem wir zunächst den Bereich Rotation des Partikelsystems aktivieren und anschließend im Feld Randomize innerhalb dieses Tabs einen Wert größer als 0.0 einstellen.

Wir können die Erzeugung zufällig ausgerichteter Partikel beobachten, indem wir zur ersten Frame der Timeline zurückkehren und die Animation starten.

Das letzte zu lösende Problem ist die Bewegung der Partikel entlang des Blutgefäßes.

Erinnerst du dich an die Kopie des Blutgefäßes mit dem Namen Path Copy, vom Typ Bezier Curve, die ausgeblendet und über dem Blutgefäß liegt, das in ein Mesh umgewandelt wurde? Jetzt ist es an der Zeit, sie als Pfad für die Partikel zu verwenden.

Wähle Path Copy aus, öffne den Physics-Tab im Properties Editor und füge ein Force Field hinzu.

Ändere den Typ des Force Field von Force auf Curve Guide. Zunächst werden wir nichts Besonderes bemerken, auch weil Path Copy derzeit unsichtbar ist. Mache das Objekt daher wieder sichtbar und suche am Eingang des Blutgefäßes nach einem gestrichelten Kreis.

Dieser Kreis zeigt den Einflussbereich des Partikelsystems an. Die Partikel werden vom Force Field beeinflusst, sobald sie sich innerhalb dieses Bereichs befinden.

Anschließend müssen wir die Plane näher an diesen Bereich heranbewegen und sie vor allem vergrößern, sodass die erzeugten Partikel eingeschlossen werden. Um dies zu erreichen, ändern wir den Wert des Parameters Minimum Distance im Force-Field-Tab.

Wir kehren zu Frame 1 der Timeline zurück und starten die Animation, um das Ergebnis zu beobachten.

Sollten die Partikel einem anderen Pfad folgen als dem der Kurve, kann der Grund darin liegen, dass Bezier Curves einen Anfang und ein Ende haben. Wahrscheinlich ist das, was wir als Eingang des Blutgefäßes betrachten, in Wirklichkeit das Ende der Kurve.

Um dieses Problem zu lösen, wechseln wir in den Edit Mode, wählen alle Kontrollpunkte der Kurve aus und kehren ihre Richtung um, indem wir im Blender-Suchfeld nach dem Befehl Switch Direction suchen.

Wir wechseln zurück in den Object Mode, positionieren uns wieder bei Frame 1 der Animation und klicken auf den Play-Button, um das erzielte Ergebnis zu betrachten.

Wenn das Resultat dem gewünschten entspricht, blenden wir das Objekt Path Copy wieder aus.

Nun können wir die Animation auch aus der Perspektive der virtuellen Kamera betrachten und gegebenenfalls die Anzahl der durch unser Partikelsystem erzeugten roten Blutkörperchen oder andere Parameter, wie die Intensität des Displace-Effekts oder die Abmessungen, an unsere Bedürfnisse anpassen.

Zum Schluss können wir die Bewegung der virtuellen Kamera innerhalb der Szene animieren. Dies lässt sich einfach umsetzen, indem wir die Szene aus einer Top-Ortho-Ansicht betrachten, Keyframes für Position und Rotation der Kamera innerhalb des Blutgefäßes setzen, abhängig von der gewünschten Animation, und das Ergebnis anschließend aus der Kameraperspektive im 3D View überprüfen…

… und wir stellen fest, dass es ein Problem gibt. Wenn wir die Kamera so bewegen, dass sie im Verlauf der 250 Frames der Animation den größten Teil des Blutgefäßes abdeckt, werden wir die Partikel nie sehen, da sie sich hinter uns befinden.

Es gibt mehrere Möglichkeiten, dieses Problem zu lösen. Eine davon besteht darin, die Partikel bereits vor Beginn der Animation zu emittieren, zum Beispiel indem wir im Feld Frame Start des Partikelsystems den Wert -100 eintragen. Aber Vorsicht: In diesem Fall muss der Wert Lifetime 350 betragen, da die Partikel sonst bei Frame 150 der Timeline verschwinden würden.

Nachdem diese Änderungen vorgenommen wurden, überprüfen wir die Animation erneut im 3D Viewport, um sicherzustellen, dass diesmal alles in Ordnung ist. Am Ende können wir mit dem Rendern der Animation beginnen.

Bevor wir dieses Tutorial abschließen, noch eine kurze Anmerkung zum Caching des Partikelsystems und zu einigen Problemen, die während des Renderings auftreten können, insbesondere nachdem man mehrere Zwischen-Renderings durchgeführt hat, um den Zustand der Szene zu verschiedenen Zeitpunkten zu überprüfen, bevor man mit dem finalen Rendering der Animation fortfährt.

In diesen Fällen kann es passieren, dass am unteren Rand der Timeline eine rote Linie erscheint, die anzeigt, dass Blender die Animation bis zu diesem Punkt berechnet und im Cache gespeichert hat.

Das Problematischste ist, dass diese Linie nach mehreren Rendering-Vorschauen im 3D View manchmal nur abschnittsweise sichtbar ist, also in einzelnen Segmenten.

Das bedeutet, dass Blender in diesem Fall einige Frames korrekt berechnet und gespeichert hat, so wie wir sie haben möchten, während andere Frames auf eine andere Weise berechnet werden und dadurch falsche Ergebnisse liefern. In manchen Frames siehst du die Partikel an der richtigen Position, in anderen hingegen in falschen Konfigurationen oder du siehst sie gar nicht.

Bevor du mit dem Rendern der Animation beginnst, solltest du daher Folgendes tun:

• Gehe zurück zum ersten Frame der Animation.

• Öffne den Cache-Tab des emittierenden Partikelsystems. Dort findest du Informationen über die aktuell im Speicher verfügbaren Frames.

• Klicke auf das „+“-Symbol, um einen neuen Cache hinzuzufügen, der zunächst leer ist, und klicke anschließend auf das „-“-Symbol, um den vorherigen Cache zu löschen.

• Klicke abschließend auf den Button Bake, um die komplette korrekte Partikelsimulation zu berechnen und im Cache zu speichern.

An diesem Punkt sollte sich die rote Leiste über die gesamte Timeline erstrecken, was anzeigt, dass alle Frames berechnet und korrekt im Speicher abgelegt wurden.

Wenn wir nun das Rendern der Animation starten, über Render – Animation, sollten uns keine unangenehmen Überraschungen in der erzeugten Datei oder den erzeugten Dateien erwarten.

Zum allerletzten noch ein Hinweis. Denke daran, im Render-Properties-Tab die Option Denoise for Rendering zu aktivieren. Mit diesen Materialien und dieser Beleuchtung ist sie sehr hilfreich und erlaubt es, die Animation mit einer reduzierten Anzahl von Samples zu rendern, die in meinem Fall nur 100 beträgt.

Zusammenfassend haben wir in diesem Tutorial gesehen, wie man den Verlauf des Blutgefäßes und die roten Blutkörperchen modelliert, wie man den Objekten ein einfaches Material zuweist und eine grundlegende Beleuchtung für die Szene einrichtet, wie man Instanzen der roten Blutkörperchen mithilfe eines Partikelsystems erzeugt und wie man die roten Blutkörperchen dem Pfad innerhalb des Blutgefäßes folgen lässt.

Ich hoffe, dieses Tutorial war hilfreich.
Bis bald!