Animação de corpos humanos

Transcrição

1 Animação de corpos humanos Sumário Evolução Classificação dos sistemas Notações Modelo tradicional: interpolação Modelo de caminhada Restrições de posição e cinemática inversa Dinâmica Captura de movimento 1

2 Evolução Key-frames Modelos baseados em física Modelos comportamentais Interacção entre actores Actores com o ambiente Actores com seres humano reais Classificação dos sistemas Histórica Animação assistida por computador Animação modelada em computador Segundo a aplicação Produção de filmes comerciais Simulações científicas ou industriais Segundo a dimensão (2D ou 3D) 2

3 Classificação dos sistemas Segundo o modelo para humanos Figuras em wireframe Modelos de superfícies Modelos volumétricos Segundo o modelo de movimento Cinemático Dinâmico Classificação dos sistemas Segundo a especificação do movimento Guiado Nível de programa Nível de tarefa Segundo método de controlo do movimento Geométrico Físico comportamental 3

4 Classificação dos sistemas Segundo o actor Actor só (sem interacção) Interacção actor-ambiente Actor move-se no ambiente com conhecimento disso Interacção actor-actor Acções de um actor influenciam atitude do outro Interacção actor-animador Animador comunica com actor e vice-versa Classificação dos sistemas Conforme o actor Participante Aparência natural Uso de captura de movimento em tempo real Actor guiado Guiados pelo utilizador ( marioneta ) Actor autónomo Possuem comportamento Guiados por sensores visuais, tácteis, etc. Actor interactivo perceptivo Capaz de comunicar com outros actores e seres humanos 4

5 Notação Baseadas na representação do esqueleto como um conjunto de membros e juntas Mais fáceis de usar Eschkol-Wachmann notation (1958) Movimento associado aos membros Labanotation (1970) Movimentos associados às juntas Labanotation 5 modelos de descrição sinais de direcção (translação) sinais revolução (rotação) sinais de face (orientação da junta) sinais de contacto sinais de forma (movimentos que descrevem formas) 5

6 Notação Baseadas em modelo muscular Mais realísticas Benesh notation (1956) Effort-Shape (1979) especifica características dinâmicas do movimento (tensão, peso,tempo) Movimento tradicional: Interpolação Animação key-frame Extensão: interpolação de parâmetros (parametric keyframe animation) Cálculo das frames intermédias Linear Spline Etc... 6

7 Modelo de caminhar Caminhar forma de locomoção em que o centro de gravidade se move alternadamente de um lado para o outro Durante todo o tempo, um pé está sempre em contacto com o chão e em breves instantes estão mesmo ambos Modelo de caminhar Baseado em parametrização matemática a partir de dados experimentais biomecânicos Considerado uma extensão da rotoscopia tradicional 7

8 Modelo de caminhar Caminhar também pode ser visto como uma queda controlada Depois do pé tocar o chão, o peso do corpo é transferido para este pé e o joelho dobra para absorver o impacto O pé da frente levanta então o corpo e impulsiona-o para a frente, fazendo a perna balançar Modelo de caminhar Desenvolvido em 2 níveis nível global: geração das características temporais e espaciais médias (normalizadas) nível de trajectória: descrição da posição do corpo no espaço e a sua configuração interna em diferentes pontos no tempo 8

9 Caminhar Caminhar geralmente começa com o pé na posição estendida (pé o mais longe possível do corpo) e o peso do corpo no pé da frente Caminhar Como o peso do corpo é transferido para o pé da frente, o joelho da frente flecte para absorver o impacto. A posição de recuo é o ponto mais baixo do caminhar 9

10 Caminhar A metade do caminho para o primeiro passo, a perna da frente fica estirada, levantando o corpo até atingir sua posição mais alta. Na posição de passada, o pé livre ultrapassa a perna de suporte. Caminhar Como o corpo se move para a frente, o pé de trás começa a deixar o solo, transmitindo o peso do corpo para o pé da frente. O pé livre balança então como um pêndulo procurando o solo e novamente absorve o peso do corpo 10

11 Caminhar A perna livre faz contacto com o solo, completando então meio ciclo. A segunda metade é exatamente igual a primeira, mas espelhada. Se não for, o corpo parecerá que manca Caminhar Quando o pé está completamente estendido, os quadris rodam em torno da coluna Para manter o balanço, os ombros também (no entanto, em direcção oposta) 11

12 Caminhar Na posição de passada, uma visão frontal do corpo mostra o peso da perna suspensa puxando os quadris e forçando um movimento de rotação em sentido contrário no ombro Vistos de cima, quadris e ombros movem-se paralelamente Caminhar Durante a extensão da segunda perna, os quadris e ombros rodam novamente (vista do alto) 12

13 Caminhar - Biomecânica 13

14 Exemplo: Walk-cycle Hip-joint orientation Knee-joint orientation Exemplo: Walk-cycle Ankle-joint orientation 14

15 Exemplo: Walk-cycle As trajectórias dos ângulos de rotação são fixas Trajectórias dos ângulos de elevação são estereotipadas em relação as características do personagem (altura, largura, velocidade do passo) Modelo de caminhar Um ciclo de caminhada normal leva de 1/3 a 2/3 de segundo (10 a 20 frames), considerando ¼ de segundo para cada pé ficar no chão Pode-se considerar em média 1 segundo por ciclo completo (passo esquerdo + passo direito) Assim, personagens grandes tendem a caminhar lentamente enquanto personagens baixos, caminham com mais facilidade Características emocionais também influenciam o movimento 15

16 Modelo de caminhar Modelo de caminhar Características espaciais largura do ciclo ângulo de abertura do pé Características temporais duração do ciclo duração do suporte duração do balanço duração do duplo suporte 16

17 Motion Planning for Digital Actors Manipulação Sensory-based Locomotion Restrições de posição e cinemática inversa Problema chave quais os valores angulares para o ombro, cotovelo e punho, se a mão deve alcançar uma determinada posição e orientação no espaço? Grande quantidade de soluções Restrição de resultados definir ângulos confortáveis para as juntas Restrições de posição podem ser função do envelope do actor (contacto do pé com o solo) e do seu ambiente 17

18 Dinâmica Mais complexo, porém mais realístico Forças e torques são aplicados sobre os membros Dois problemas dinâmica directa: encontrar trajectórias em função de forças e torques dinâmica inversa: dada uma trajectória e as forças, encontrar os torques nas juntas Dinâmica directa Difícil de ajustar os parâmetros equivalentes às forças e torques produzidos pela contração dos músculos Animador deve ajustar os parâmetros passo a passo, até obter o movimento desejado 18

19 Desvantagens O animador não pensa em termos de forças e torques (necessidade de uma interface especial) Requer muito tempo de CPU para corpos articulados complexos (complicado para aplicações em tempo real) Animações mais realísticas, mas muito (irrelisticamente) regulares Não levam em conta personalidade do actor Captura de movimento (MoCap) 19

20 Captura de movimento Mede a posição e orientação de um objecto no espaço real, registando a informação por forma a ser entendida por um computador Usado para controlar objectos numa cena Objectos humanos e não-humanos expressões faciais câmara ou posições das luzes etc. Captura de movimento Tipos Captores ópticos ou eletromagnéticos DataGloves Captura de vídeo Problemas Tempo-real ou não? Ajuste de dimensões entre o objecto capturado e o resultado 20

21 Tracking Devices A real-time rotoscopy device consists of recording input data from a VR device in realtime allowing to apply at the same time the same data to a graphic object on the screen Tracking Devices - Technical Description Flock of Birds from Ascension Technology Magnetic motion capture system Sensors measure the magnetic field created by the source 15 to 120 samples per second (depending on the model and number of sensors) 6 DOFs One such ex. system: 16 sensors and 1 emitter 21

22 Tracking Devices Tracking Devices - Technical Description Flock of Birds from Ascension Technology Data transfer between the host and the sensor s units is made through an Annex Communication Server over the ethernet Applications can run on any workstation Rapid but expensive Interference problems and limited movement Hand motion tracking provided by Virtual Technologies Cyberglove (serial connection) 22

23 Tracking Devices - Motion Capture System Anatomical converter (3 stages): Skeleton calibration Sensors calibration Real-time conversion Tracking Devices - Motion Capture System Skeleton calibration Once per performer Scale the humanoid accordingly to the performer total height Adjust the other measures (if necessary) Error estimation: 2 cm per segment 23

24 Tracking Devices - Motion Capture System Sensors calibration Establish the relation between the sensor attached and the corresponding joint Performed every time the sensor attachment is modified One sensor drives one joint Try to avoid regions with muscles or fat Tracking Devices - Motion Capture System 24

25 Tracking Devices - Motion Capture System Sensors calibration Calculates the calibration matrix between each sensor and the joint = transformation matrix from sensor frame to joint frame Composed by multiplying 3 transformation matrix: from sensor frame to emitter frame (by hardware) from emitter frame to world frame from world frame to joint frame Tracking Devices - Motion Capture System Real-time conversion calculate the joint angle and global position calculate the joint rotation matrix (Rj ) Rj = Rjw. Rwe. Res. Rsj 25

26 26

27 27