Faculté informatique et communications IC, Section d'informatique, Institut des systèmes informatiques et multimédias ISIM (Laboratoire de réalité virtuelle VRLAB)

On-line locomotion synthesis for virtual humans

Glardon, Pascal ; Thalmann, Daniel (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2005 ; no 3431.

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    Summary
    Ever since the development of Computer Graphics in the industrial and academic worlds in the seventies, public knowledge and expertise have grown in a tremendous way, notably because of the increasing fascination for Computer Animation. This specific field of Computer Graphics gathers numerous techniques, especially for the animation of characters or virtual humans in movies and video games. To create such high-fidelity animations, a particular interest has been dedicated to motion capture, a technology which allows to record the 3D movement of a live performer. The resulting realism motion is convincing. However, this technique offers little control to animators, as the recorded motion can only be played back. Recently, many advances based on motion capture have been published, concerning slight but precise modifications of an original motion or the parameterization of large motion databases. The challenge consists in combining motion realism with an intuitive on-line motion control, while preserving real-time performances. In the first part of this thesis, we would like to add a brick in the wall of motion parameterization techniques based on motion capture, by introducing a generic motion modeling for locomotion and jump activities. For this purpose, we simplify the motion representation using a statistical method in order to facilitate the elaboration of an efficient parametric model. This model is structured in hierarchical levels, allowing an intuitive motion synthesis with high-level parameters. In addition, we present a space and time normalization process to adapt our model to characters of various sizes. In the second part, we integrate this motion modeling in an animation engine, thus allowing for the generation of a continuous stream of motion for virtual humans. We provide two additional tools to improve the flexibility of our engine. Based on the concept of motion anticipation, we first introduce an on-line method for detecting and enforcing foot-ground constraints. Hence, a straight line walking motion can be smoothly modified to a curved one. Secondly, we propose an approach for the automatic and coherent synthesis of transitions from locomotion to jump (and inversely) motions, by taking into account their respective properties. Finally, we consider the interaction of a virtual human with its environment. Given initial and final conditions set on the locomotion speed and foot positions, we propose a method which computes the corresponding trajectory. To illustrate this method, we propose a case study which mirrors as closely as possible the behavior of a human confronted with an obstacle: at any time, obstacles may be interactively created in front of a moving virtual human. Our method computes a trajectory allowing the virtual human to precisely jump over the obstacle in an on-line manner.
    Résumé
    Le développement de l'infographie dans les mondes industriel et académique a soutenu la croissance des connaissances et de l'expertise publique, notamment en raison d'une fascination grandissante pour l'animation par ordinateur. Ce domaine spécifique à l'infographie regroupe de nombreuses techniques, surtout dédiées à l'animation de personnages ou d'humains virtuels pour la réalisation de films de cinéma et de jeux vidéo. Pour la création d'animation de haute qualité, la capture de mouvement, une technique permettant d'enregistrer en direct les mouvements 3D d'un acteur, s'est révélée porteuse. Le mouvement ainsi reproduit bénéficie d'un réalisme convainquant. Cependant, peu de contrôle est offert aux animateurs professionnels, le mouvement ne pouvant qu'être joué en boucle. Récemment, de nombreuses solutions basées sur la capture du mouvement ont été publiées, que ce soit pour apporter des modifications fines mais précises au mouvement capturé, ou pour paramétrer une base de données d'enregistrements. La difficulté réside dans l'obtention d'un contrôle intuitif et en temps réel des paramètres du mouvement, tout en préservant le réalisme original dans l'animation produite. Dans la première partie de cette thèse, nous tentons d'apporter une pierre à l'édifice des techniques de paramétrisation d'animation basées sur la capture du mouvement en introduisant un modèle de mouvement générique pour des activités de locomotion et de saut. Dans ce but, nous simplifions la représentation du mouvement en utilisant une méthode statistique, facilitant l'élaboration d'un modèle paramétrique efficace. Ce modèle, structuré en niveaux hiérarchiques, permet une synthèse du mouvement de manière intuitive à l'aide de paramètres de haut-niveau. De plus, nous présentons une normalisation en espace et en temps afin d'adapter notre modèle à des personnages de tailles diverses. Dans la deuxième partie, nous intégrons ce modèle de mouvement dans un moteur d'animation, permettant ainsi la génération d'un flux continu de mouvements pour des humains virtuels. Nous proposons deux outils pour améliorer la flexibilité de notre moteur, tout en conservant des performances en temps réel. En utilisant le concept d'anticipation du mouvement, nous introduisons tout d'abord une méthode de détection et d'application de contraintes entre pied et sol. Ainsi, un mouvement de marche en ligne droite peut être modifié pour suivre une courbe, ceci sans discontinuité. Le deuxième outil permet de synthétiser des transitions de manière automatique et cohérente entre des mouvements de locomotion et de saut, en tenant compte de leurs propriétés respectives. Finalement, nous considérons l'interaction d'un humain virtuel avec son environnement. En fonction de conditions initiales et finales imposées par la vitesse de locomotion et la position des pieds, nous proposons une méthode qui calcule la trajectoire correspondante. Pour illustrer cette méthode, nous étudions un cas reflétant au mieux le comportement d'un humain confronté à un obstacle : interactivement, à tout instant, des obstacles peuvent être créés face à un humain virtuel en déplacement. Notre méthode calcule en temps réel une trajectoire permettant à l'humain virtuel un franchissement précis de l'obstacle ainsi créé.