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Cours dAnimation et Multimdia luniversit de Genve Charg de cours
: Stephane Garchery
Resum en fevrier 2006 par Ahmet Gyger www.metah.ch
Cours animation et multimdia: Hiver 2005-2006
Animation
Traditionnelle:........................................................................................5
Non-temps rel vs temps
rel:......................................................................................6
Histoire de l'AAO
2D:.................................................................................................6
Histoire de l'AAO
3D:.................................................................................................6
Principales mthodes d'animation par ordinateur:
........................................................6 Animation
base sur la capture de
mouvements:..........................................................6
Les systmes de captures:
............................................................................................7
Avantages et dsavantages des systmes de capture de mouvement:
........................8 Animation par image
cl:.........................................................................................8
P-courbes : viter les discontinuits temporelles
......................................................8
Transformation de formes: Morphing
......................................................................8
Distorsion:...............................................................................................................9
Morphing
3D:..........................................................................................................9
Spline:
.....................................................................................................................9
Conclusion:
.................................................................................................................9
Rappel:
..................................................................................................................
10
Introduction aux corps articuls et aux acteurs de synthse
............................................ 10 Animation de corps
articuls:
....................................................................................
10
Types d'angles
anatomiques:..................................................................................
10 Animation dun
squelette.......................................................................................
10 Mouvement la main
............................................................................................
10 Points
fixes............................................................................................................
11 Abstraction
fonctionnelle.......................................................................................
11 Contrle automatique du
mouvement.....................................................................
11
Cinmatique
..............................................................................................................
11 Cinmatique directe et inverse
...............................................................................
11 Hirarchie danimation
..........................................................................................
11 Cinmatique
directe...............................................................................................
12 Cinmatique inverse
..............................................................................................
12 Algorithme
............................................................................................................
12 Limitations de la solution
analytique......................................................................
12 Cinmatique inverse
numrique.............................................................................
13 Dfinition du
Jacobien...........................................................................................
13 Inverse du Jacobien
J.............................................................................................
13 Problme de
redondance........................................................................................
13 Domaines dapplication
.........................................................................................
13 Contraintes (cinmatique
inverse)..........................................................................
14 Dfauts de la cinmatique
inverse..........................................................................
14
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Combinaison de tches avec diffrentes priorits
................................................... 14 Simulation
dynamique et contraintes
.............................................................................
15
Dynamique................................................................................................................
15 Pourquoi la dynamique
..........................................................................................
15 Dynamique de corps articuls
................................................................................
15 Avantage de lutilisation de la
dynamique..............................................................
15
Problmes..............................................................................................................
15 Mthode bases sur des ajustements de paramtres
................................................ 16 Mouvement dun
personnage.................................................................................
16 La formulation de Newton
Euler.........................................................................
16 La formulation de
Lagrange...................................................................................
16 Solutions
...............................................................................................................
16 Etude de cas
..........................................................................................................
17 Modlisation du volume de
lhumain.....................................................................
17 Primitives volumiques
...........................................................................................
17 Avantages de cette modlisation
............................................................................
17 Inconvenients
........................................................................................................
17 Problme majeur en contrle du mouvement
......................................................... 18
Dynamique directe et
inverse.................................................................................
18 Simulation en dynamique
directe...........................................................................
18 Algorithme
dArmstrong-Green.............................................................................
18 Dynamique
inverse................................................................................................
19 2 processus
opposs...............................................................................................
19 Contrle avec dynamique inverse
..........................................................................
19
Animation bas sur la dynamique : systmes de
particules............................................. 19
Principe.....................................................................................................................
19 Fonctionnement global
..............................................................................................
20
Gnration.................................................................................................................
20 Cycle de
vie...............................................................................................................
20 Attributs des particules
..............................................................................................
20 Contrle et valuation dune particule
.......................................................................
20 Types de forces
.........................................................................................................
21
Force unaire : la gravit (f = mg)
...........................................................................
21 Lamortissement (f =
-kav).....................................................................................
21 Ressort point fixe (f =
-k(x-x0))..............................................................................
21 Champ de forces ( f = k vwind)
................................................................................
21 Force binaire : ressort
............................................................................................
21 Attraction, rpulsion
..............................................................................................
22
Contact......................................................................................................................
22 Dtection de collision
................................................................................................
22 Force de contact
........................................................................................................
22 Rponse la
collision................................................................................................
22 Mthodes de rsolution numrique
............................................................................
22
Mthode
dEuler....................................................................................................
22 Mthode du point
milieu........................................................................................
23
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Pas variable adaptif
...................................................................................................
23 Rendu des
particules..................................................................................................
23 Systmes masses-ressorts
..........................................................................................
23
Environnement..............................................................................................................
24 Impacte de lenvironnement
......................................................................................
24 Quelques problmes
..................................................................................................
24
Planification de trajectoire
.....................................................................................
24 1ire classe dalgorithme : essai /
erreurs.....................................................................
24 2ime classe dalgorithme bas sur des fonctions de pnalit
....................................... 25 3ime classe dalgorithme
despace liibre
....................................................................
25 Extension aux objets mobiles non ponctuels
.............................................................. 25
Collisions
..................................................................................................................
25 Dtection des collisions
.............................................................................................
25 Principe de rduction de complexit
..........................................................................
26
Volume englobant
.................................................................................................
26 Mthode de
projection...............................................................................................
27 Mthode de
subdivision.............................................................................................
28 Subdivision de la
scne..............................................................................................
29 Choix de la
mthode..................................................................................................
29 Lanimation de niveau
tche......................................................................................
29 Planification des taches
.............................................................................................
29
Flocking Comportement autonome et de groupe
...................................................... 30 Quest-ce
quun flock ?
.............................................................................................
30 Pourquoi modliser des groupes
?..............................................................................
30 Caractristiques dun flock
........................................................................................
30 Les
boids...................................................................................................................
30 Dplacement
.............................................................................................................
31 Mouvement de
groupe...............................................................................................
31 Systme de
perception...............................................................................................
31 Perception
.................................................................................................................
31 Flocking : 3
comportements.......................................................................................
31 Prise en compte des comportements
..........................................................................
32 Recherche et
fuite......................................................................................................
32 Poursuite et vitement
...............................................................................................
32 Arrive
......................................................................................................................
32 vitement
dobstacles................................................................................................
32 vitement de collision
...............................................................................................
32 Champ directionnel
...................................................................................................
33 Suivi dun leader
.......................................................................................................
33 Les poissons
..............................................................................................................
33 Modle physique du
poisson......................................................................................
33
Mcanique.................................................................................................................
33 Comment nager
.........................................................................................................
34 Contrleurs de
dplacement.......................................................................................
34 Perception sensorielle
................................................................................................
34
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tat mental
................................................................................................................
35 Satisfactions des
besoins............................................................................................
35 Diffrents types de poissons
......................................................................................
35
Pacifiques..................................................................................................................
35
Dformation faciale en temps rel
.................................................................................
36 Animation faciale
......................................................................................................
36 Domaines dapplications
...........................................................................................
36 Non temps rel vs temps rel
.....................................................................................
36 Processus de lanimation
facial..................................................................................
36 Etat de
lart................................................................................................................
36
Linterpolation.......................................................................................................
36 La simulation de lanatomie faciale
...........................................................................
37 Les pseudos
muscles..................................................................................................
37 Les systmes de
paramtrisation................................................................................
37 Critre
dvaluation...................................................................................................
38
Objectifs....................................................................................................................
38 Les diffrentes approches
..........................................................................................
38 Les problmes
...........................................................................................................
38 Dfinition de la
mtrique...........................................................................................
39 Juxtaposition des
rgions...........................................................................................
39 Points de contrainte
...................................................................................................
39 Dformation par Morph target
...................................................................................
39 Points de contraintes vs morph
target.........................................................................
40
Animation
faciale..........................................................................................................
40 4 techniques danimations
.........................................................................................
40
Simulation des
cheveux.................................................................................................
41 Systmes de
particules...............................................................................................
41 Textures
volumtrique...............................................................................................
41 Cantilever critique
..................................................................................................
41 Les problmes de la
simulation..................................................................................
42 Dualit solide liquide des
cheveux..........................................................................
42
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Histoire de l'animation : Lanternes magiques (appareil optique
qui permet de crer une image illumine sur une surface. connues dj
depuis l'Egypte antique). 1894 : Invention de la 1ire camra par les
frres Lumires.
Les concepts de l'animation : Squach and stretch: dfinir la
matire d'un objet ou d'un personnage en le dformant. Timing:
Placement temporelle des actions. Anticipation : Prparation d'une
action Staging : Presenter de faon claire une ide Follow through
and overlapping action : fin d'une animation et mise en contact
avec la suivante. Slow in and slow out: Espacement des dessins
entre eux Arcs: forme de la trajectoire du mouvement lors d'une
action naturelle Exagration : accentuation Secondary action: qui
rsulte d'une autre action Appeal: qui donne du plaisir a ceux qui
le regarde Solid drawing: apprendre a bien dessiner.
Principes de base en animations: Simulation graphique et
animation par ordinateur :
Importance du temps dans l'volution des phnomnes (ractions
chimiques, mouvement des fluides, gaz,) Exprimentation souvent
coteuse, voire impossible (collision de voiture). Les simulations
graphiques de phnomnes reposent sur les techniques
d'animations.
Animation: dfinition Modification de la scne au cours du
temps.
Scne 3D compose de 3 types d'entits (objets, cameras, lumires)
Pour les objets (position, orientation, taille, forme, couleur,
transparence, densit,intensit) Pour les cameras (position de
l'observateur, point d'intrt, angle de vue) Pour les sources de
lumires (intensit, position, couleur, type [ponctuelle,
diffuse])
Animation Traditionnelle: Projection a cadence rapide d'une
suite d'image Presque identique pour simuler le mouvement ou une
transformation. - Diffrentes tapes de l'animation:
o Cration des dessins
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o Cration des mouvements o Coloriage et le gouachage o Le
tournage o La postproduction puis les effets spciaux
- Mmes concepts applicables l'animation assiste par
ordinateur
Non-temps rel vs temps rel: - Animation temps rel : calcule des
mouvements suffisamment vite pour les
montrer la bonne vitesse. - Animation image par image : calcul
des images et enregistrement sur la bande vido, visualisation ou
projection cadence rapide (25 img/sec)
Histoire de l'AAO 2D: 1ier systmes d'animation : bass sur des
commandes et non graphiques Trs tt apparaissent des systmes temps
rel permettant de dfinir interactivement Les trajectoires et les
mouvements. Palette lectroniques : facilite la dfinition des
mouvements Systmes commerciaux d'animations 2D.
Histoire de l'AAO 3D: Premiers films 3D par programmation
Systmes d'animation 3d interactifs bass sur des positions cls
Systmes position-cls limits pour mouvements complexes
Introduction de systmes bass sur la physique
Principales mthodes d'animation par ordinateur: Interpolation de
formes ou animation par image.cls Animation par interpolation
paramtrique Animation procdurale ou algorithmique Animation base
sur la capture de mouvements
Animation base sur la capture de mouvements: But: mesurer et
enregistrer des actions directes d'un acteur rel pour analyser et
rpliquer en temps rels ou non. Problmes: - Implique de faire
correspondre le mouvement du personnage digital aux
mesures de mouvements
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- La correspondance peut tre directe (mouvement du bras) ou
indirecte (mouvement de la souris actionne par le bras)
Les systmes de captures: - Mcanique
o Marionnettes digitales (souris, joystick, datagloves) o
L'information fournie par la manipulation de tels dispositifs est
utilise
pour contrler la variation des paramtres d'animation au cours du
temps pour chaque caractristique de l'acteur virtuel.
- Magntique o Demande qu'une personne porte un ensemble de
capteurs magntiques o Capteurs capables de mesurer leur relation
spatiale par rapport un
transmetteur magntique centralis o Position et orientation de
chaque capteur utilis ensuite pour faire
mouvoir l'acteur digital o Besoin de synchronisation des
rcepteurs o Les donnes en provenance des rcepteurs et transmirent
l'ordinateur
sont les positions et orientations de chaque capturer par
rapport une position d'initialisation
o Pour les mouvements du corps humain on a besoin de 11 capteurs
(tte, 2 bras, 2 mains, 1 poitrine, 1 bas du dos, 2 cheville, 2
pieds)
o On utilise la cinmatique inverse pour calculer le reste des
informations
o Avantages : Cot rduit Vieille technique Traitement en temps
rel des donnes possibles
o Problme : Cblage pouvant gner les mouvements Position relative
la calibration Imprcision magntique (bruit)
- Optique o Bass sur des petits capteurs rflectifs appels
marqueurs et attachs
au corps de la personne relle et focalis sur la scne o En
reprant les positions des marqueurs, on peut obtenir les
positions
correspondantes pour le modle anim o Reconstruction des
positions 3D de chaque point cl chaque instant,
donnant ainsi les trajectoires des marqueurs de la scne o
Avantage:
Libert de mouvement : pas de cble Permets de tracer la
trajectoire de n'importe quoi
o Problmes: Quand il y a occlusion (manque de donnes cause
de
marqueurs cachs)
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Difficile de distinguer 2 marqueurs quand ils sont trop proches
lors d'un mouvement
Peut tre rgl en ajoutant des camras (si 2 camras peuvent voir un
capteur sa position 3D peut tre trouv)
o La plupart des systmes fonctionnent avec 4-6 camras Types
d'applications:
Biomcanique, analyse de la marche, motor control, rhabilitation,
sport science, animal motion, ergonomics and human factors.
Avantages et dsavantages des systmes de capture de mouvement: -
Mouvement de marche humaine peut tre enregistr et ensuite appliqu
un acteur digital, donne du ralisme. - Cependant, capture de
mouvement n'apport pas de concept nouveau la mthodologie
d'animation - Capture de mouvement donc pas possible:
- Dans les simulations en temps rels ou les actions des
personnages ne peuvent pas tre prdit.
Animation par image cl: Srie d'image des temps donnes,
l'ordinateur calcule les images intermdiaires par interpolation.
Problme : Si les 2 dessins n'ont pas le mme nombre de sommets.
P-courbes : viter les discontinuits temporelles - Technique due
a Ronald Baecker (1969) - Dfinissent des courbes dcrivant la
trajectoire d'un objet et la variation de la vitesse
- Dans les P-courbes, les points sont non-quidistants dans
l'espace, mais dans le temps - Quand 2 points sont proches, la
vitesse est plus petite que quand ils sont distants (contrle
graphique du mouvement)
Transformation de formes: Morphing - Il faut remarquer que c'est
une extension des mthodes de transformation de
positions cls aux images - La mthode peut s'effectuer sur des
objets 2D ou 3D - Pour le morphing 2D, on dforme l'image en se
basant sur une
distorsion (warping)
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Distorsion: - On applique une grille et on la dforme selon des
points choisis
o Par points : utilisation de points de correspondance sur les 2
images + fonction radiale pour dformer autour des points
o Par lignes: plus souvent utiliser pour le morphing
Morphing 3D: - La mthode est plus complexe quand le nombre de
sommets et de facettes ne
correspondent pas entre les 2 objets. - Des sommets et des
facettes doivent tres ajouts de manires avoir le mme
nombre pour les 2 objets. - Ainsi, d'autres mthodes traitant du
morphing 3D utilisent des donnes
volumtriques (morphing de volume)
Spline: - A smooth, continuos function used to approximate a set
of functions that are
uniquely defined on a set of sub-intervals, it insure a high
degree of accuray in the approximation, to allow move without jerky
motion.
- Continuit du mouvement en direction et vitesse pas toujours
souhaite - Ainsi animation de balle rebondissant sur un mur demande
introduction de
discontinuit du mouvement d'impact - On ne veut pas voir la
balle freiner avant de rencontrer le mur
Conclusion: Les 3 mthodes (images-cls, interpolation
paramtrique, animation procdurale) peuvent tre dcrite de faon plus
uniforme et intgre. un objet anim est caractris par un ensemble de
variables d'tat qui dirigent le mouvement. L'volution de ces
variables d'tat est dfinie par une loi d'volution. Type d'animation
Variable d'tat Lois d'volution Images-cls Sommets Interpolation
linaire
Interpolation de spline Interpolation de Reeves
Interpolation paramtrique Paramtres Interpolation linaire
Interpolation de spline
Animation procdurale Paramtres Lois physiques
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Rappel: - Dformation faciale:
o Dformation du skin o Modlisation anatomique
- Animation faciale o Systmes de paramtrisation o Processus
Introduction aux corps articuls et aux acteurs de synthse
Animation de corps articuls: Personnage, robots : caractris par
un squelette.
Squelette : ensemble de segments connects, correspondant aux
membres et articulations. Articulation : intersection de 2 segments
(point du squelette ou un membre peut bouger). Angle entre 2
segments : angle d'articulation
Types d'angles anatomiques: - Une rotation peut se dcomposer en
3 angles (dits degrs de liberts DDL).
Dcomposition en angles d'Euler - Dnomination biomcanique:
o Flexion : roation d'un membre dans le frontal o Abduction :
Rotation dans le plan sagittal(coupe verticale) o Torsion :
rotation selon l'axe d'un membre distal.
Animation dun squelette Consiste animer :
- Les angles des articulations - La position et lorientation
globale
2 tendances : - Mouvement produit a la main , posture cls,
capture de mouvement - Contrle automatique du mouvement
Mouvement la main Capture du mouvement, lanimation paramtrique
par positions-cls. Dans lanimation par interpolation on fournit
lordinateur un certain nombre de valeurs dangles (valeurs cls) des
temps donnes pour les parties du squelette animer. On doit utiliser
des points fixe.
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Points fixes Points non anims dans la squence danimation
Correspondent gnralement aux points dappui. Ces techniques (capture
et position cl) ncessitent quun designer spcifie en dtail tout les
mouvements (=long). Aucune interaction avec lenvironnement, tout
doit tre prvue par le designer. La solution est labstraction
fonctionnelle.
Abstraction fonctionnelle Consiste diriger lanimation en terme
de but atteindre plutt que de mouvements dtaills. = animation par
tches et animation comportementale.
Contrle automatique du mouvement 1- Cinmatique inverse et
contraintes 2- Dynamique 3- Interaction avec lenvironnement 4-
Animation de niveau de tche 5- Animation comportemental et acteurs
autonomes
Cinmatique tude du mouvement indpendamment des forces qui
produisent ce mouvement Proprits du mouvement relies au temps et la
gomtrie
- Position - Direction - Vitesse - Accleration
Cinmatique directe et inverse - Cinmatique directe : spcifie le
mouvement de toutes les articulations, travail
dans lespace articulaire - Cinmatique inverse : spcifie
seulement la position des terminaisons
(position des mains, pieds), travail dans lespace cartsien.
Calcul les orientations de toutes les articulations.
Hirarchie danimation Suite de nuds articulations organise sous
forme darbre, le mouvement est transmis aux descendants, la
topologie indique la mobilit de la structure, la gomtrie indique le
placement spatial des nuds. Chaque nud possde une matrice de
transformation qui le connecte son parent.
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Animer un modle correspond descendre larbre et accumuler les
transformations
Cinmatique directe Mthodes efficaces et numriquement
valables
- Trouver la position et lorientation dune extrmit : o Par
rapport un systme de rfrence o En fonction du temps o Sans tenir
compte des force et des moments en jeu
- Correspond x = f(q) Interactif, grande libert de contrle et
simplicit Exemple dans 3ds max : interface graphique permet de
visualiser et de modifier la valeur des articulatoin dun
squellette. Mais devient difficile contrler quand le nombre de
points augmentes
Cinmatique inverse Commandes de haut niveau Automatique, Calcul
des mouvements pour atteindre un point donn Solution difficile
calculer si on augment la complxit (nombnre de points et de degr
sur chaque joint) Difficile de calculer un mouvement qui semble
naturel
Algorithme Commencer avec le joint le plus proche de
lobjectif
1- Calculer le vecteur F entre le segment et lobjectif 2- Calcul
le produit scalaire entre ce vecteur F et le vecteur
perpendiculaire laxe
de rotation du segment 3- Multiplier cette par un rducteur 4-
Ajouter cette contribution langle du joint 5- Rpeter lopration pour
tous les joints, en itirant
Limitations de la solution analytique - Non fonctionnelle
o Quand lespace de solution est grand
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o Quand lobjectif nest pas atteignable - Solution
o Cinmatique inverse par mthode numrique
Cinmatique inverse numrique - Cinmatique directe (rappel)
o x = f(q) = (f1(q), f2(q),) - Cinmtaique inverse
o q = f-1(x) Problme : comment trouver f-1 sachant que f() est
non linaire ? Ide : approximation linaire de f-1.
Dfinition du Jacobien Le Jacobien trouve son emploi dans la
rsolution des quations diffrentielles dans le calcul des intgrales
multiples, en gomtrie diffrentielle. Il donne une approximation
linaire de f(), il donne approximativement le dplacement x quand on
change le paramtre qi du joint i.
Inverse du Jacobien J Donne une approximation linaire de f-1()
Plusieurs mthode pour calculer cette inverse
- Pseudo-inverse o Lente, numriquement instable o Equilibre en
terme de distribution des contributions o Permet dajouter dautres
types de contraintes
- Transpose du Jacobien o Approximation compense par mthode des
petits-pas avec
itrations o Favorise les joints distants de lobjectif o Converge
plus lentement
Problme de redondance Trop de possibilits et lanimateur doit
fournir plus dinformations. Quelle est la solution la plus
naturelle ? Comment spcifier ce choix ? Pour un bras 2D 3
articulations, il y a au plus 4 solutions En gnral : N de libert 2n
solutions
- d -
Domaines dapplication Espace atteignale dun acteur virtuel
Volume de lespace que lextrmit du membre de lacteur peut
atteindre
-
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Le but spcifi doit tre dans lespace atteignable 2 types despace
de travail
- Espaces de travail complet (que lacteur peut atteindre dans
toutes les orientations possibles)
- Espaces de travail que lacteur peut atteindre dans au moins
une direction. Les possibilits pour un corps articul pour atteindre
des positions et orientations gnrales dpend du nombre N de de
libert de la chane articul.
Contraintes (cinmatique inverse) - Pour faire assoire une
actrice virtuelle
o Il faut spcifier els contraintes adquates sur les pieds, le
bassin et les mains
- Systme avec une seul contrainte concurrente : pas efficace
pour rsoudre le problme
- Ajouts de contraintes multiples avec la cinmatique inverse o
Spcifier la prcdente de chaque contrainte pour le cas ou elle
ne
peuvent pas tre satisfait simultanment o Contrainte fixe sous
forme de position 3D et de 3 angles dcrivant les
orientations (contrainte = position, orientation) o Une
trajectoire 6D ( 3 pour les positions, 3 pour les orientations)
Dfauts de la cinmatique inverse Fonctionne mal pour les longues
chane Problme de choix lorsque plusieurs possibilits, lanimateur
doit alors intervenir ou laisser le systme faire un choix.
Difficile de mettre en jeu lpaule et les doigts. Ne tient pas
compte des lois physiques. Prise en compte des masses :
- avantage de tenir compte de lquilibre - Ainsi un personnage ne
pourra se pencher trop comme avec la cinmatique
inverse.
Combinaison de tches avec diffrentes priorits Lordre des
priorits est :
- Contrainte des pieds - Contrainte dquilibre - Regarder la
balle - Atteindre la balle
-
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Simulation dynamique et contraintes
Dynamique Utilise, forces, mouvements des forces, masses des
objets
Pourquoi la dynamique Les systmes cinmatiques sont intuitifs,
mais
- manque dintgrit dynamique - ne correspondent pas aux lois
physiques : gravit et inertie
Prise en compte des forces et des moments de forces :
acclrations linlaires et angulaires Mouvement obtenu par quation de
la dynamique, Forces, moments de forces, contraintes et masses des
objets.
Dynamique de corps articuls - Squelette articuls : subissant
forces et moments de force ses membres - Diffrents type de force et
moment
o Moments de forces des liens hirarchiques (parents, enfants) o
Forces au pivot o Effets externes (contact avec des objets ou
effets de bras de levier)
- Contrle de lanimation o Forces et moments de forces = causes
du mouvement
Avantage de lutilisation de la dynamique Libre lanimateur de la
description des mouvements dus aux lois physiques (gravit)
Lanimation des phnomnes est plus raliste du moins de point de vue
physique Les corps peuvent ragir automatiquement des contraintes
internes et externes telle que
- des champs - des collisions - des forces ou des mouvements
Problmes Gnralement + difficile utiliser pour un animateur.
Paramtre des forces et moments difficiles ajuster, non
intuitif.
-
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Temps de calcul lev, resoudre les quations du mouvements dun
corps articul, utilisation de mthodes numrique Mouvement trop
rguliers ne tiennent pas compte de la personnalit des
personnages.
Mthode bases sur des ajustements de paramtres Les plus
populaires en animation : bas sur la dynamique, mthodes sans
contraintes. Mthodes bases sur des contraintes :
- Animateur spcifie seulement les contraintes (cinmatique,
dynamique, nergtique, espace-temps)
- Contrainte = proprit du modle - Le systme en dduit les
paramtres
Mouvement dun personnage Gouvern par forces et moment, appliqus
aux membres, moments provenant de liens entre les parents et les
enfants (propagation du mouvement). Forces internes, effets
externes comme les contacts avec les objets
La formulation de Newton Euler Elle est bas sur les lois
gouvernant la dynamique des corps rigides. La procdure est la
suivante :
- Pour chaque segment o Ecrire les quations dfinissant vitesses
et acclrations angulaires et
linaire o Ecrire les quations dcrivant forces et moments de
forces exerc sur
les segments - Eq Newton : force lie au mouvement linaire ( F =
m.a) - Eq Euler : force lie au mouvement angulaire (N = J + x (J
)
La formulation de Lagrange Equation du mouvement pour robots
Energies cintique et potentielle exprimes en termes de matrices et
de leurs drives, quation de Lagrange est facilement applique, donne
les forces gnralises Equation trs coteuse en temps de calcul (n4 du
nombre de liens dans le corps articul)
Solutions Hollerbach a propos mthode rcursive, rduit
significativement le nombre dquation
-
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Armstong et al. Ont conu un systme bas sur la dynamique,
pratiquement en temps rel Pour rduire le temps de calcul, hypothse
simplificatrices, structure des figures simplifie.
Etude de cas Humain : Utilise les muscles pour convertir lnergie
emmagasine Forces et moments de force varient au cours du temps
(agissent sur les squelettes et les articulations. Pas un objet
passif comme une simple chane articule (nest pas commande que par
les forces et des moments externes) Problme : Comment trouver les
forces et moments variant au cours du temps avant dutiliser la
dynamique directe ?
Modlisation du volume de lhumain Masse de chaque volume :
obtenue par des tudes biomcaniques Approximation des membres par 15
primitives (cylindre, sphres, ellipsoides et cnes tronqus) Calcul
des proprits gomtriques et physiques (simplifi par cette
approximation Considres comme rigides pour la dynamique)
Primitives volumiques Lies par les articulations de la structure
hirarchique Leurs positions & orientations dcrivent le
mouvement En un systme de coordonnes associ :
- origine = point charnire avec le segment parent - qui se
dplace avec le segment
Avantages de cette modlisation Proprits gomtriques et physiques
Locales au segment Ne chagnet pas cause de la rgidit du solide
Formules exprimes Dans le systme de coordonnes du segment Simplifie
les calculs Connexion avec un seul systme de coordonnes
Inconvenients Trs difficile de reprsenter
-
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Des nombres differents de DDl chaque joint (correspondance avec
lanatomie relle du modle ?)
Problme majeur en contrle du mouvement Obtenir la valeur de
force Produit par lactivit musculaire sur larticulation Pour
effectuer le mouvement dsir Variable au cours du temps Formulation
sur la dynamique inverse Base sur lquation de Newton-Euler Pour
obtenir les valeurs de force et de moment En fonction du temps Pour
paramtrer la simulation en dynamique directe
Dynamique directe et inverse Dynamique directe : Trouver les
trajectoires de points (une extrmit dun membre) Connaissant forces
et moments qui causent le mouvement Dynamique inverse : Dterminer
les forces et les moments de forces
Ncessaire pour produire un mouvement prdtermin
Simulation en dynamique directe Algorithme dArmstrong-Green Le
plus utilis Bas sur les formulations de Newton-Euler 2 hypothde de
simplifiacation - On assume une relation linaire entre lacclration
linaire et la valeur dacclration linaire du segment et la valeur
dacclration angulaire induite - On assume une relation linaire
entre lacclration linaire et la raction sur le parent enfant.
Permets dviter inversion de matrice de dimensions > 3
Algorithme dArmstrong-Green Divis en 2 sous processus opposs
(Ascendant et descendant)
- Processus ascendant o Calcul des matrices et vecteurs partir
de la structure gomtrique et
physique du systme o Propage la force et le moment le long de
chaque segment partir des
feuilles jusqu la racine de la hirarchie - Processus descendant
calcule
-
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o Quantit cinmatiques, acclrations linaire et angulaire de
chaque segment
o Vitesse linaire et angulaire par intgration numrique afin de
mettre jour la structure entire
Dynamique inverse Formulation rcursive Bas sur les quation de
Newton-Euler Pour tirer parti de leur efficacit de calcul Avantage
Temps de calcul crot linairement avec le nombre de joints
Construction des formulations pour le modle humain Mme approche
quen robotique Srie dquations pour chaque segment
Utilisant les forces et les moments contraints (pour garantir la
bonne connexion des segments)
2 processus opposs - Rcursion vers lavant
o On part du systme de coordonnes inertiel vers le systme de
coordonnes de lextrmit pour propager linformation cinmatique
- Rcursion vers larrire o Propage les forces et les moments de
force exercs sur chaque segment
dans la direction oppose
Contrle avec dynamique inverse Lutilisation de la dynamique
inverse en troite relation avec la dynamique directe est un moyen
cl dobtenir le rsultat souhait.
Animation bas sur la dynamique : systmes de particules
Principe Un objet est represent par un nuage de primitives
gomtriques qui dfinissent lespace quil occupe plutt que de dlimiter
son contour. Un systme de particules est dynamique :
- Les particules changent de forme, de couleur et de position au
cours du temps - Lobjet ainsi modlis nest pas dterministe
o Il na pas de forme prcisment spcifie - Sa forme volue au cours
du temps en fonction dinteractions extrieures qui
sont appliques sur les particules du systmes et qui contrle les
dplacements
-
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Fonctionnement global 1- Gnration de particules 2- Chaque
particule se voit assigner un certain nombre de proprits
(attributs) 3- Toutes les particules qui ont puis leur dure de vie
sont limines 4- Les particules actives sont mises jour :
a. Dplacement et transformation selon les valeurs de leurs
attributs dynamiques et des interactions
5- Une image du nuage de particules est rendue (ncessite la
plupart du temps des algorithmes de rendu ddis)
Gnration - Production alatoire - Production contrle dans le
temps - Production contrl dans lespace cran
Cycle de vie Il existe diffrentes approches pour contrler la
dure de vie dune particule
- Dure fix arbitrairement - Volume englobant - Valeur dun
paramtre (transparence)
Attributs des particules - Position initiale - Vitesse initiale
(et direction) - Taille initiale - Couleur et transparence initiale
- Forme - Dure de vie
Contrle et valuation dune particule - La position dune particule
volue au cours du temps sous linfluence de
lensemble des forces qui lui sont appliques - A chaque moment,
toutes les forces appliques une particule sont valus et
cumules - La force globale rsultante est utilise pour dduire le
dplacement de la
particule en fonction de son tat courant - La nouvelle position
est dtermine en ajoutant le vecteur de vitesse sa
position courante - La vitesse est modifie par les forces qui
sappliquent la particule - Dautres attributs de la particules
peuvent varier (couleur, transparence, taille,
forme) o De faon globale o De faon individualise o En fonction
dun paramtre de la particule (age)
-
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- Seulement des forces externes : pas de moteurs - A chaque
instatn t une particule est caractris par
o Une position x(t) o Une vitesse v(t) o Une masse o Une force
cumule f(t) qui agit sur la particule selon la seconde loi du
mouvement de Newton ( F = m.a) o A(t) = v(t) = x(t) = f(t)/m o
Il faut intgrer les quations diffrentielles pour rsoudre lquation o
Il ny a pas de solutions exactes et on utilise des mthodes de
rsolution
numrique (Euler, Runge Kuta)
Types de forces - Force unaire
o Sapplique indpendamment sur chaque particule(gravit) - Force
binaire, n-aire
o Rsultante de linteraction entre des particules
Force unaire : la gravit (f = mg) Lintensit de la force dpend de
la masse de la particule
Lintensit de la force est constante (indpendamment de linstant
ou de la position).
Lamortissement (f = -kav) - Lintensit de la force ne dpend pas
de celle de la vitesse - La force damortissement soppose au
mouvement - Diminue lnergie globale du systme - Simule un
amortissement visqueux
Ressort point fixe (f = -k(x-x0)) - Force qui attire la
particule vers X - Fait osciller la particule autour de sa position
dorigine
Champ de forces ( f = k vwind) - Lintensit de la force dpend de
la position de la particule dans lespace - Vent, courant
Force binaire : ressort - Cre deux forces symtriques, opposes et
de mme intensit - La force est proportionnelle llongation appliques
au ressort partir de sa
position au repos
-
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Attraction, rpulsion - On utilise des partitions de lespace pour
limiter les influences et rduire les
calculs
Contact La gestion du contact entre une particule et un autre
objet se subdivise en 2 tapes principales
- Dtection du contact : dtection de la collision entre la
particule et lespace de lobjet
- Rponse au contact : dtermination de la rponse au contact, le
contact entre la particule et lobjet va produire une force externe
sur la particule quil faut valuer et incorporer dans le processus
de simulation de son dplacement
Dtection de collision En gnral, la collision est dtect
posteriori (lorsque la particule a dj pntr dans lobjet) Il faut
revenir au moment de la collision
- Revenir en arrire ou interpolation - Postprocess : projeter la
position interne sur la surface de lobjet
Force de contact Il faut annuler la partie de la force courante
de la particule qui la force pntrer dans lobjet.
Rponse la collision Test de dtection de pntration
- La vitesse se dcompose en 2 composante : vitesse tangentielle
et vitesse normale
- La vitesse tangentielle reste inchange - La vitesse normale
est invers (son intensit est pondre par un coefficient
de restitution)
Mthodes de rsolution numrique On dispose seulement dune postion
et dune vitesse initiale et dun ensemble de forces Il faut simuler
laction des forces sur les particules au cours du temps pour voir
comment le systme va voluer
Mthode dEuler Consiste construire une approximation linaire par
morceaux de la courbe de la trajectoire. Le vecteur tangente
(vitesse) est ajout la position courante pour dterminer la position
suivante
- Imprcision
-
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- Accumulation derreurs - Rduire le pas ne fait que ralentir le
problme et diminuer les performances - Instabilit - Peut diverger
en fonction de la valeur du pas (erreur = carr du pas du temps)
Mthode du point milieu Cette mthode est une mthode du second
ordre (on conserve els termes du seconde ordre de la srie de Taylor
qui approxime la fonction) Augment la prcision et le nombre de
calcul Rsout une partie des problme de la mthodes dEuler.
Pas variable adaptif Le choix du pas est primordial
- Trop grand : augmentation des imprcision, risques de
divergences - Trop petit : temps de calculs trop longs
Idalement il faut tre capable dadapter le pas au cours de la
simulation ( si lerreur est trop grande, diminution du pas)
- Lerreur est estime en appliquant litration avec deux mthodes
de calcul - Lerreur estim est la diffrence entre les deux rsultats
- Pour afficher de lanimation, il ne faut pas oublier quon a besoin
des
rsultats des intervalles rguliers (pas de temps adaptatif
irrgulier)
Rendu des particules - Chaque particule est indpendante, cest
dire quelle nintervient pas dans le
rendu des autres particules - La mthode de rendu consiste
utiliser des primitives simples (points, lignes)
en considrant que les particules ne rflchissent pas la lumire n
ne jettent dombre
- Un pixel gagne de la couleur quand il couvre une particule
(considre comme une lumire ponctuelle)
- Lintensit du gain dpend des attributs de la particule (couleur
et transparence)
- Autres techniques o Bitmap splatting (association dune bitmap
une particule) o Blobs (association dun blob dont le squelette
ponctuel est une particule)
Systmes masses-ressorts - Similaire aux systmes de particules -
Particules sont strctures entre elles - Pas de gnrateur, pas de
dure de vie - Les particules sont connectes entre elles par des
ressorts (forces internes) - Il est possible dincorporer des forces
des aux interactions avec
lenvironnement (forces externes) - Systme 1D : tuyaux,
cheveux
-
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- Systme 2D : tissus, vtements - Systme 3D : muscles
Environnement
Impacte de lenvironnement - Sur le mouvement de lacteur et
inversement
o Contrle adaptif du mouvement de lacteur - Les informations
disponibles pour le ocntrle :
o Sur lenvironnement o Sur lacteur
- Avantage o Moins dinformations fournir par lanimateur
- Ncessite o Reprsentation efficace de la gomtrie des objets
Pour prvenir automatiquement les collisions
Quelques problmes - Panification de trajectoire
o vitement dobstacles - Traitement des collisions
o Dtection o Rponse
Planification de trajectoire Le problme est de trouver la
trajectoire suivre afin de saisir un objet en vitant les obstacles
Les 2 problmes de la planification de trajectoire :
- La dtection de la collision - Lvitement des obstacles
La trajectoire rsultante est alors utilise comme donne dentre au
gnraeur de mouvement. 1ire approche : Dtection automatique de la
collision avec avertissement Problme de la planification de
chemin
- Revient calculer un chemin libre de toute collision en ayant
uniquement la destination finale comme donne
- Problme classique en robotique
1ire classe dalgorithme : essai / erreurs - Calcule le volume
engendr par le dplacement de lobjet mobile le long du
chemin - Dtermine lintersection entre le volume engendr et
lobstacle - Si ncessaire propose un nouveau chemin
-
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- E marche que si les obstacles sont rares et dissmins de manire
pouvoir tre traits 1 la fois
2ime classe dalgorithme bas sur des fonctions de pnalit -
Fonction de pnalit
o Fonction encodant la prsence dobjets - Mouvement est
planifi
o Selon les minima locaux de la fonction de pnalit -
Limitations
o Ne peut tre valu que pour des formes simples comme des robots
sphriques par exemples
3ime classe dalgorithme despace liibre Algorithme du grpahe de
visibilit de Lozano-Perez
- On connecte les sommets qui se voient - Prise du chemin le
plus court libre de collisions
Extension aux objets mobiles non ponctuels Les obstacles sont
remplacs par de nouveau obstacles, rgions interdite pour un point
de rfrence sur lobjet.
Collisions - 2 problmes
o Dtection o Rponse
- Peut sappliquer o des corps rigides o des corps dformables
Dtection des collisions Etablir les interactions existatnes dans
un groupes dentits
-
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- Chercher les couples dentits lis par une iteraction, et tablir
les caractristiques de code de linteraction
- Quels objets sont en contact lun avec lautre, et ou se trouve
leur point de contact
- En gnrale, problme de gomtrie Complexit algorithmique
- Algorithme naf de dtection de N objets (test systmatique) o La
fonction dtecter est appele N(N-1)/2 fois o Temps de calculs
proportionnel N2 o Complexit de lalgorithme O(N2)
Complexit algorithmique quadratique O(N2) - inacceptable pour la
plupart des contextes
Rduction de la complexit algorithmique - Necessit dalgorithmes
plus compliqu
o Algorithme efficace : 0(n)+(o m log n) n = nb objet m = nb de
collision
Principe de rduction de complexit - Volumes englobants
o Si aucune collision avec un volume englobant alors collision
avec les objets contenus dans le volume
- Mthode de projection o Si pas de collision entre les
projections des objets, alors pas de collision
entre les objets - Mthode de subdivision
o Collision seulement entre les objets dans une mme region de
lespace et du temps
- Mthode de proximit o Collision seulement entre les objets
voisins dans lespace et le temps
Mthode combiner.
Volume englobant Volume simples :
- Sphre englobante : o Dcrit par un centre et un rayon o Volume
transformable en rotation o Peu efficace (objets plats ou
allongs)
-
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o Evaluation complique (dfinir le centre), test trs rapide
- Boite englobante
o Dcrit par 2 coins opposes o En gnral orient en axes o
valuation et test trs rapide
- Polydre englobants (nDOPs)
o Gnralisation de la boite englobante o Selon un nombre
arbitraire de directions o Efficace pour les objets de directions o
Efficace pour les objets allongs o Evaluation et test moyennement
rapide
o Opration sur les volumes englobants :
Construction Union Transformation Test Gomtrique Test
dinteraction
Mthode de projection Ide : Tester selon les axes de direction
successifs Combinable avec la mthode des boites et polydres
englobants Optimisation par tri
-
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Mthode de subdivision
- Grilles de subdivision (voxels) - Dtection uniquement entre
des objets qui partagent une mme rgion de
lespace
- Choix de la discrtisation de la grille - Trouver un optimum
enre le nombre de cases et nombre dobjets par cases - Nombreuse
variante
o Grille adaptives o Grille rgulires
- Combinaison de techniques o Boites englobantes o
Projections
Subdivision rcursive - Un volume contenant de nombreux objets
est subdivis rcursivement jusqu'
ce quun nombre limit dobjets se trouve dans chaque volume
-
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Subdivision de la scne Au lieu de dcouper lespace, dcouper les
objets Construire une arbre de la scne Chaque nud tant un groupe
dobjets Subdivision rcursive
- combin aux volumes englobants - choix de la mthode de
subdivision en fonction des dispostion des objets - Pour les
animation, mj de la subdivision de faon systmatiques ou pas
Mthode de proximit (Voronoi) Dtection entre objets voisins
uniquement, mise jour des domaines durant les animations
Choix de la mthode Combiner diverse approches, exploiter
cohrences et constances
Lanimation de niveau tche - Action spcifis que par leurs effets
sur les objets
o Comme dans les systmes robotiques de niveau de tche - Les
commandes sont transformes en instruction de plus bas niveau
o Script pour lanaimation procduale o Valeur-cls pour une
approche paramtrique
- Exemple de raches pour dews acteurs virtuels o Marche dun
point a vers un point b o Prhension dun objet et dplacement un
autre endroit o Emotions
Planification des taches Cur du systme danimation de niveau tche
: la planificateur de tche Problme majeur en robotique et en IA La
complxit du problme est directement lie la gnralit du monde virtuel
de lacteur.
-
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Flocking Comportement autonome et de groupe
Quest-ce quun flock ? - Une 1ire dfinition : un groupe doiseau
ou de mammifres qui se dplacent
ensemble - Un flock est un ensemble dobjets qui se dplacent de
faon align et
cohrente, group et sans collision. - Pour simuler un flock, il
faut simuler le comportement individuel de chaque
objet le composant o La perception o Le contrle du
dplacement
- Les systmes de particules sont trop simples pour modliser ce
type dobjets collectifs
- Il faut les rendres plus complexes en y intgrant o La
percetion locale o La simulation physique o Des comportements de
groupe
- Lanimation du flock est le rsultat dinteractions denses entre
les comportement simples des individus qui les composent
Pourquoi modliser des groupes ? - Les groupes sont difficiles
animer partir des techniques danimations
usuelles o Difficile de dterminer prcisment le chemin de chauqe
membre du
groupe o Difficile de contrler les contraintes de mouvement pour
chauqe membre
du groupe o Difficile dditer le mouvement de chaque membre du
groupe
Caractristiques dun flock - Chaque individu veut rester proche
du groupe et se dplacer de faon
cohrante avec lui - Chaque individu veut diter les collisions
avec les autres individus proches - Chaque individus a une
perception locale du groupe (interactions avec ses
voisins proches)
Les boids - Vient de bird-oids - Similaires aux particules, mais
ont une orientation et une perception de leur
environnement. - Une forme gomtrique leur est associe pour la
visualisation - Le dplacement est contrl par le comportement
individuel
-
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Dplacement - Chaque boid a un systme de coordonnes local - Le
vol est accompli appliquant une transformation gomtrique
incrrsmentale, rigide et dynamique - La trajectoire du vol nest
pas spcifie lavance - Lavance est spcifie comme une translation
incrmentale selaon laxe des Z
du repre local - Les rotations sont possibles selon les 3 axes
(X,Y,Z) - Pas de gravit - Une vitesse et une acclration maximales
sont dfinies pour chaque boids.
Mouvement de groupe - Chauqe boid doit se coordonner avec ses
voisisn proches - 2 objectifs
o rester proches du groupe o Eviter les collisions avec le
groupe
- Dautre types de comportement ont t pris en compte au cours de
lvolution de cette tachnique : comportement proie/prdateur,
recherche de nouritture, dun compagnon
Systme de perception - Le systme de perception dun boid est
compos de 2 lments
o Une angle o Une distance
- Ces 2 lments dterminent une portion de cercle dont le centre
est le boid - Un boid na conscience que des autres boids qsui se
trouvent dans la zone de
perception ainsi dfinie
Perception - Il nest pas possible que chaque boid est une
connaissance de son
environnement complet - Le comportement global dpend de la vue
locale du monde - Le champ de perception peut tre tendue dans la
direction du dplacement
Flocking : 3 comportements - Sparation ou vitement des
collisions
o Evite les collision avec ses voisins proches - Alignement
o Aligner sa vitesse et direction sur celle de ses voisins
proches - Aggrgation
o Rester proches de ses voisins proches
-
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Prise en compte des comportements - Chacune des 3 lois de
comportement permet de gnrer une force qui va
sappliquer sur le Boid pour le faire voluer dans le plan ou
lespace - Pour permettre la sparation, une force est calcule de
manire repousser le
boid de lensemble des boids proches. - La cohsion est assure par
une force inverse la prcdente, qui a pour but
de rapprocher le boid du centre de gravit du groupe des boids de
proches. - La force dalignement est calcule comme tant une moyenne
entre les
vitesses des boids voisins
Recherche et fuite - Atteindre une cible (statique)
Poursuite et vitement - La cible est un autre objet en
dplacement - La position future de la cible est value partir de sa
position et vitesse
courantes - Le pas de temps de prdiction T prend en compte la
distance boid-cible - T = Dc
Arrive - Le mouvement de boid est altr pour atteindre la cible -
Plus le boid se rapproche de la cible, plus la vitesse diminue - Le
boid atteint la cible avec une vitesse nulle
vitement dobstacles - Champ de force
o Les obstacles ont un champ de rpulsion o Plus un boid
sapproche de lobstacle plus il en est repouss
- Manuvre dvitement o Un boid ne considre que les obstacles en
face de lui o Il dtermine larte de la silhouette de lobstacle la
plus proche du point
dimpact ventuel. o Un vecteur est calcul qui va modifier la
trajectoire du poisson au-del de
larte de la silhouette
vitement de collision - La position de chaque boid est prdite en
fonction de leur situation actuelle
(position et vitesse) - En cas de collision probable, une force
est applique chaque boid pour le
dtourner de sa direction
-
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Champ directionnel - La force qui perturbe la direction courante
du boid est la diffrence entre la
direction entre la direction du champ et la vitesse courante du
boid
Suivi dun leader - Combinaison de comportements
o Sparation o Arrive
- La cible atteindre pour larriv se trouve place derrire le
leader - Un poursuivant sclatera sil se trouve sur le chemin du
leader
Les poissons - Lobjectif est de simuler lapprentissage et
dautres type de comportements
o Se nourrir o Eviter les prdateurs o Rechercher des
compagnons
- Modlis avec la perception du monde, le comportement et la
physique
Modle physique du poisson - Le modle dynamique du poisson
artificiel est compos de 23 masses
ponctuelles (nuds) et de 91 ressorts - Larrangement des ressorts
maintient la stabilit de la structure tout en
permettant davoir de la flexibilit - 12 ressorts sont disposs le
long du corps et servent de muscles
Mcanique - Chaque nud est dfini par
o Par une masse mi o Une position o Une vitesse o Une
acclration
- Le ressort Rij connecte le nud i au nud j o Constante du
ressort k o Longueur au repos I o Dformation du ressort o Force
exerc
- Lquation du dplacement est dfinie par o mi(d2xi/dt2) +
i(dxi/dt) wi = fwi o pi = facteur damortissement o Wi(t) = sommes
des forces des ressorts o Fwi = forces externes
(hydrodynamiques)
- Lquation est rsolue par une mthode de rsolution numrique
-
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Comment nager - Le poisson artificel se dplace en contractant
ses muscles - Le dplacement avant est ralis par le battement de la
queue qui dplace
leau - Leau dplace produit une force de raction oriente selon la
normale au
corps du poisson et proportionnelle au volume deau dplac
La composante de force selon laxe Y contribue propulser le
poisson vers lavant. Les nageoires pectorales permettent aussi de
contrler la direction et lorientation ainsi que la vitesse en
gnrant une force (Ff) dont la direction varie selon lorientation
des nageoires. - Le battement de la queue est produit en
contractant et relchant
alternativement les muscles de la queue de chaque ct du corps de
faon priodique
- Pour tourner, le poisson contracte un ct brusquement en
relaxant lautre ct, puis en relaxant lentement le ct contract
- Pour nager, les 2 groupes de muscles postrieurs sont utilis,
alors que pour tourner, ce sont les 2 groupes de muscles
frontaux
Contrleurs de dplacement - Le poisson artificielle a trois
contrler de dplacement
o Swim-MC (vitesse) Convertir la vitesse en amplitude et en
frquence de contradiction
musculaire o Left-turn-MC (angle) o Right-turn-Mc (angle)
Perception sensorielle - Capteur de vision : la vision
estcyclopenne
-
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- Couvre un angle sphrique de 300 - Le capteur de vision a accs
la gomtrie, aux matriaux et aux information
dillumination de lenvironnement
tat mental - Ltat mental du poisson est dfini par :
o Faim Nourriture absorb Taux de digestion Temps depuis le
dernier repas Apptit
- Ltat mental du poisson est dfini par o Libido
Constant de libido H est lapptit Temps depuis la dernire
rencontre
o Peur Distance au prdateur visible
Satisfactions des besoins Once an intention is selected, control
is passed to a behavior routine
- 8 comportements o Eviter un obstacle statique o Eviter un
poisson o Manger de la nourriture o Choisir un compagnon o Partir o
Dambuler o Senfuir o Sentrainer
- Behaviors can also have subroutines that are called
Diffrents types de poissons - Prdateurs, proies pacifiques -
Chaque type a des motivation diffrentes qui produisent des modles
de
comportement diffrents - Les pacifiques expriment un
comportement sociable, cest dire quils ont un
comportement qui les rend intresss par tout compagnon
possible
Pacifiques - Un poisson mle choisit une compagne de la faon
suivante
o Une femelle de la mme espce sera choisie de prfrence o Les
femelles les plus proches sont plus attractives que celles qui
sont
loignes
-
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: Stephane Garchery
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- Un poisson femelle slectionne un compagnon de faon similaire,
mais montre une prfrence pour la taille du poisson mle (plus fort
et protecteur) plutt que pour la proximit
Dformation faciale en temps rel
Animation faciale - Ensemble des techniques pour modifier un
modle afin de reporduire de
faon cohrante les expressions du vissage - Visage important
pour
o Animation des lvres correspondant la parole o Emotions
Domaines dapplications - La tlvision ou le cinma - La
communication machine/humain (interfaces) - Les jeux virtuels - La
communications distance - Application temps rel ou pas
Non temps rel vs temps rel - Non temps rel (pr calcul)
o Aucune interaction o Pas de contrainte pour le temps de
dformation et de rendu o Conception de modle complexe et prcis
- Temps rel
o Interaction possibles o Dformation et rendu 25* par secondes o
Conception de modle algs o Dpendance des plateformes (ressources
matrielles)
Processus de lanimation facial 1- Dfinir un modle gomtrique 2-
Dfinir une structure danimation pour ce modle + paramtrage 3-
Conception danimations (vido, capture, design, IA) 4- Animer le
modle en fonction de la structure danimation et des paramtres
Etat de lart
Linterpolation - Interpolation simple - Interpolation n-linaire
- Interpolation par rgion
-
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o Estimer la forme finale par mlange de formes diffrentes
- Avantages o Mthode gnrique en animation o Calculs simples
- Inconvnients
o Conception de toutes les expressions clefs ncessaires o
Manipulation non intuitive o Contraintes et dpendances topologiques
des modles o Beaucoup de donnes pour manipuler un modle
La simulation de lanatomie faciale - 3 approches majeures
o La reprsentation par ressorts o La reprsentation par couches
de ressorts o La reprsentation vectorielle
- Avantages o Approches bas sur lanatomie du visage o Prise en
compte des caractristiques physiques
- Inconvnients o Conception et calcul complexes
Les pseudos muscles Ils sintressent aux rsultats des contraction
musculaires
- Technique de dformation gomtriques o Free form deformation o
Spline pseudo muscles o Radial basis function
- Avantages o Contrle plus simple o Gnralement plus simple en
calcul (adapt au temps rel)
- Inconvnients o Moins raliste
Les systmes de paramtrisation - 3 systmes principaux de
paramtrisation
o FACIAL ACTION CODING SYSTEM (FACS) Pour lanalyse,
classsification des expression faciales, bas sur
lanatomie musculaire o Minimal Perceptible Action (MPA)
Paramtrisation base sur les rsultats visuels des contractions
musculaires
o MPEG-4 FBA
-
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Dfinition et le dplacement des points de contrle
Critre dvaluation - Simplicit dutilisation
o Temps de conception rduit o Forme quelconque
- Intgration o Fonctionne pour diffrentes applications et
diffrentes plates-formes sans
modification - Gnralisation
o Animation indpendante du modle, rutilisable o Personnalisation
des animations
- Qualit visuelle o Contrle des dformations o Qualit adaptable
en fonction des ressources
Objectifs - Animation dun modke complet de buste
o Application de visage parlant o Mouvement de tte
- En temps rel o Application interactives
- Simplicit de production de modles animables partir de trs peu
dinformations o Rapidit de conception o Animation de nombreux
modles o Sans contraintes sur les modles
- Flexibilit : plates-formes (pc-web-pda) o Utilisation des mmes
modles, mmes animations
Les diffrentes approches - But : animer les pooints voisins
partir des points de contrainte - Comment dfinir les zones
dinfluence ?
o A la main o De faon semi-automatique
Sur la surface Par application de formes gomtriques autour des
points de
contraintes o Entirement automatique
Les problmes - Qui influence quoi et comment
o Mtrique utilise o Juxtaposition des points de contraintes
-
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o Dfinition des bons points influents
Dfinition de la mtrique - La mtrique utilise doit tenir compte
:
o Des diffrentes densits des rgions du modle o Des trous o De la
forme quelconque du modle
- Solution : distance le long des arrtes
Juxtaposition des rgions - Pour viter les cassures entre les
rgions, il faut prendre en compte plusieurs
points de contraintes possibles - Linfluence dun point ordinaire
dpend de :
o Distance entre les points de contraintes o Distance point
ordinaire points de contrainte o Rpartition des points de
contrainte autour du point ordinaire
Points de contrainte - Peu de donnes manipuler
o Points caractristiques - Rapidit
o Quelques secondes pour linitilalisation o Calculs simples
surant la phase danimation
- Gnralit o Mme approche pour tout les points o Aucune
contrainte sur le nombre de points et les degrs de libert
- Calcul intensifs durant la phase dinitilisation - Aucun contrl
sur les dformations
Dformation par Morph target - Principe quivalent linterpolation
par rgion, mais bas sur les paramtres
danimation (FAP) o A partir du modle en position neutre o
Calculer la somme des dformations correspondantes chaque paramtre o
Les appliquer au modle o Afficher les rsultats
- 2 paramtres clefs o Amplitudes des dformation pour une itensit
de FAP donne o Juxtaposition des zones dinfluence
- Conclusion
o Contrle des dformations o Aucune contraintes sur le modle o
Fonctionne avec la paramtrisation MPEG-4
-
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o Calculs simples o Complexit de conception (travail manuel pour
chaque modle)
Points de contraintes vs morph target
Animation faciale
4 techniques danimations 1- Posture clef : keyframing
- Animation cre par interpolation de posture ou dexpression
existatnes o Avantages
Confre un haut degr de contrle sur lanimation Interpolation des
paramtres calculs simples
o Inconvenients Construction de lanimation couteuse en temps
Difficile de designer des animations ralistes Dfinir toutes les
expressions avant
2- Synthse vocale anime : text-to-speech - Animation et la voix
sont contruite automatiquement partir des phonmes et
des vismes o Avantages
Trs rapide Animation peut tre calcul en temps rel
o Inconvnients Voix synthtique Seulement animation des lvres
3- Synchronisation lvres/audio + expression
-
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- Synchronise lanimation la voix et ajout dmotions o
Avantages
Rapide, quelques minutes Animation facile gnrer Large vantail de
possibilits
o Inconvnients Pas de temps rel
4- Capture de mouvement - Animation construite par systme de
capture optique (VICON)
o Avantages Trs raliste La voix, lanimation et les motions sont
enregistres
simultanment o Inconvnients
cots des quipements (camera & marqueur faciale)
Simulation des cheveux
Systmes de particules - Simple - Tel un vol doiseau (boids) - Un
grand nombre dapplication utilisent les particules pour faire le
rendu des
cheveux - Inadquat pour modliser les coupes complexes - Apapt
pour la dynamique - Effectif pour le rendu
Textures volumtrique - Bonne approche pour representer la
complexit de la nature omme lherbe,
arbres et la fourrure - Les textures paramtriques sont aussi
appeles hypertextures - Extension non analytique texels application
en damier de la texture
fourrure directement sur la gomtrie - A la diffrence des
hypertextures peut tre employ sur des gomtries
complexes
Cantilever critique - 1ire approche dans le domaine de la
simulation - Utilisation de corps rigides et dynmaiques pour
simuler les cheveux - Approche complte pour la dfinition des styles
de coiffure animation et
rendu - Simplification des quations dynamiques des cheveux -
Interaction corps/cheveux grossirement approxime par un champ
de
pseudo-force
-
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- Pas dinteraction cheveux-cheveux
Les problmes de la simulation - Modlisation des diffrentes
coupes de cheveux - Dynamique des cheveux - Rendu des cheveux -
Animation temps rel et le rendu
Dualit solide liquide des cheveux - Les solides ont la mmoires
des formes - Les liquides continuent de se dformer
o Les cheveux disposent des 2 proprits - Proposition de sunil
:
o La modlisation des interactions, cheveux corps, cheveux
cheveux et cheveux air comme une continuit sous la forme de la
dynamique des fluides
- Maintenir le rigidit individuelle des cheveux, leur inertie et
leur dynamique - Dynamique affine des cheveux individuelles - Les
cheveux sont presents comme une srie de corps multiples -
Representation efficace pour la torsion et le recouvrement - Evite
les quations de raideurs
- Imaginer un ensemble de cheveux immergs dans un fluide
o Les interactions cheveux - cheveux sont conduites par la
dynamique des
fluides o Les fluides peuvent bouger librement, plutt que
suivant un lien
cinmatique - Utilisation des smoothed particules
hydrodynamics
-
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