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A.N. RODRIGUEZENSEEIHT, 2005

A.N. Rodriguez, ENSEEIHT, 2005 2

Plan

Séance 5• Animation• Réalité Virtuelle• Réalité Augmentée


Animation

Quoi• Ajouter au graphisme la dimension du tempsPourquoi• Évolution d’un objet ou caractéristique • Expérimentation n’est pas toujours possibleOù• Divertissement (films, jeux)• Simulation (apprentissage, conception) • Visualisation (phénomènes physiques, RV, RA)

Animation

Ce qui est animé : la géométrie de la forme, son apparence, les sources lumineuses, la caméra, ... tout !• boucle d'animation : transformation, renduObjet : • position, orientation• forme• apparenceLumière : • position, orientation, intensité, couleurCaméra : • position, point d’intérêt, angle de vue

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Généralités

Flot d'images rapide pour avoir l'impression de mouvement « Persistance rétinienne »Vitesse : 24 images par seconde


Animation traditionnelle

Stop-motion• Modèles physiques• Prise d’image une par une• Ex. Wallace et Grommit : 1 image par jour!Dessins• Celluloïd, John Randolph Bray et Earl Hurd (Walt

Disney)


Avec l’ordinateur

Plus rapide et puissante, moins coûteuse1964 : Première animation par Ken Knowlton Utilisée principalement pour les effets spéciaux1976 : Les rescapés du Futur, de R.T. Heffron • affichage d’un visage de synthèse sur un écran1982 : Tron, de Steven Lisberger • 15 minutes d’images de synthèse plein écran1984 : The adventures of André and Wally, de John Lasseter pour Lucasfilm (-> Pixar)1985 : Le secret de la pyramide de Barry Levinson


Avec l’ordinateur

1989 : Créature liquide (Abyss de James Cameron)1991 : Terminator 2 (James Cameron)1993 : Jurassic Park (ILM)1995 : Toy Story (Pixar)2001 : Shrek (Dreamworks), Final fantasy (Sakaguchi, Sakakibara)

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Types d’animation

Animation temps interactif (jeux vidéo, simulateurs)• L’ordinateur calcule les mouvements

suffisamment vite pour les montrer à la bonne vitesse

• Modélisation plus simple, rendu efficace Animation image par image (traditionnelle)• Calcul des images • Enregistrement sur un support• Visualisation ou projection à une cadence

rapide• Modélisation plus détaillée, rendu plus

sophistiquéA.N. Rodriguez, ENSEEIHT, 2005 10

Rôle de l’ordinateur

Animation assistée (Processus traditionnel ) : • Dessins, mouvements,coloriage, tournage,

postproduction et effets spéciaux• InterpolationAnimation générée par ordinateur• Création de modèles (caractéristiques et

variables d’animation)• Spécification de mouvement• Textures et Détails• Éclairage et caméra• Reproduction des effets de stop-motion et

de dessins + effets spéciaux

Contrôle du mouvement

Animer : « donner vie à »Modèles descriptifs• Permettent de reproduire les effets• Contrôle en position et vitesse des mouvements et

des déformations• Temps expliciteModèles générateurs• Décrivent les causes qui produisent les effets :

forces, couples• Temps implicite (paramètre)Modèles comportementaux• Décrire des règles de comportement dans un

environnement• Évolution des comportements, de l'environnement

Méthodes d'animation

Capture de mouvementAnimation par images-clésInterpolation de formes Interpolation paramétriqueAnimation procéduraleSimulation physiqueAnimation de personnages et simulation comportementale

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Capture de mouvement

Les êtres humains sont experts dans la reconnaissance des mouvements humains!But:• Mesurer et enregistrer des actions directes

d’un acteur réel pour les analyser et répliquer Développement• Au début : Outil d’analyse pour la recherche

biomécanique• Maintenant : jeux et cinémaElle permet de:• Situer un acteur dans un endroit peu pratique

ou dangereux• Diminuer les coûts A.N. Rodriguez, ENSEEIHT, 2005 14


L’acteur porte un ensemble de capteurs dont les positions et orientations sont mesurées Deux sortes de systèmes :• Magnétique• Optique


Capteurs magnétiques

Capteurs mesurant leur relation spatiale par rapport à un transmetteur centralisé- Câblage- Définition de position relative au calibrage


Capteurs optiques

Capteurs réflectifs et plusieurs caméras+ Liberté de mouvement+ Permet de tracer la trajectoire de « n’importe quoi »- Occlusion- Difficulté de reconnaissance de 2 capteurs proches

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Par vision

Capture à partir de plusieurs camérasExtraction d’informationMise en correspondance avec un modèle générique



Squelette d’un personnageFaire correspondre le mouvement du personnage digital aux mesures de mouvement


Bilan

Mouvements enregistrés et ensuite appliqués à un acteur digital• Rapide• Grande qualité Difficulté d’édition• Nouveau mouvement ou changement ->

enregistrer de nouveau • Données difficiles à manipulerPas toujours possible• Situations et actions ne pouvant pas être prédites

à l’avance• Personnages autres que les êtres humains


Animation par images-clés

Série d’images à des temps donnés: l’ordinateur calcule les images intermédiaires par interpolation

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Interpolation de formes

Extension des méthodes de transformation de positions-clés aux imagesMorphing 2D : sur des photosMorphing 3D : sur des objets 3D


Interpolation paramétrique

Caractériser une entité par des paramètres fixés à des temps donnésL’ordinateur calcule les valeurs intermédiaires des paramètres par interpolation et recalcule la scène avec les valeurs interpoléesProblèmes : comment paramétrer les objets, comment spécifier la trajectoire, la vitesse de variation d'un paramètreInterpolation linéaire, cubique


Exemple d’interpolation linéaire

Articulation de bras de robot caractérisé par angle α variant au cours du temps tOn fixe les valeurs suivantes :• T = 0, α = 10• T = 2, α = 20• T = 5, α = 45• T = 8, α = 100Exemple de valeur interpolée :• T=1/25 sec • α = 10 + (20-10)/(2*25)= 10.2

α


Interpolation par splines

ACM © 1987 “Principles of traditional animation applied to 3D computer animation”

Transitions en douceur

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Animation procédurale

Le mouvement est décrit via un algorithmeExemple :Chute libre d’un objet d’une hauteur 100mAvec g = 10 -> h = 100 – 5t2

• 1 s = 95m• 2 s = 80m• 3 s = 55m• 4 s = 20Par interpolation paramétrique• <0,100>, <1,95>, <2,80>, <3,55>, <4,20>


Simulation physique

Simulation du mouvement d'après les lois de la physiqueDéfinir• Pour chaque objet : masse, CG, moments

d'inertie• Conditions initiales• Forces externesRésoudre les équations pour retrouver le mouvementEnvironnements et mouvements « valides »


Animation de personnages

Pour « peupler » les environnements virtuelsSquelette + enveloppe corporelleUtilisation d’un squelette :• Structure hiérarchique de segments

connectés • Articulation : intersection de deux

segments• Angle de l’articulation : intersection

de deux segments


Animation d’un squelette

A la main :• Capture de mouvement• Positions clés

o Valeurs d’angleso Points fixes

• -Spécifier en détail le mouvementContrôle automatique• Cinématique directe• Cinématique inverse• Dynamique• Animation comportementale

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Cinématique directe

Approche basée sur la robotiqueDécrit la position des parties du corps comme une fonction des angles des articulations

hanches

cuisse

mollet

pied

jambe...

vs

y

x

zA.N. Rodriguez, ENSEEIHT, 2005 30

Cinématique inverse

Pilotage par le but (quels sont les mouvements pour faire ... )Déterminer les variables d’articulation à partir de positions et orientations des extrémités


Cinématique inverse

Plusieurs solutions possiblesSupporte la présence de contraintes (restrictions sur les paramètres)Utilisation de mouvements « motion capture »


Dynamique

Cinématique : intuitif, pas de gravité ou inertieSimulation du mouvement d'après les lois de la physiqueDécrit les positions des parties du corps en fonction des forces appliqués

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Dynamique

Avantages• Pas de description de mouvements• Animation plus réaliste• Réaction automatiques du corps face à

l’environnementDésavantages• Difficiles à utiliser• Temps de calcul• Mouvements trop réguliers -> personnalité!


L’enveloppe

Metaballs pour les musclesDéfinition de déformationsDéfinition de l’enveloppe


Simulation comportementale

Contribution comportementale pour la simulation d’êtres vivantsModéliser le comportement des personnages (planification de chemin, émotions!)Comportement individuel• MarcheComportement de groupe• Nuées d’oiseaux, troupeaux d’animaux,

bancs de poissons• Rester ensemble• Éviter les collisions


Systèmes de particules

Modélisation d’objets « flous »• Nuages, fumée, eau• Objets non rigides, dynamiquesPrincipe• Objet représenté par un nuage de

particules• Les particules sont générées, changent,

bougent, disparaissentAvantages• Création systèmes complexes• Niveau de détail

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Animation de caméras

Animer les caractéristiques de la caméra virtuelle pour se promener à l’intérieur d’une scènePlusieurs paramètres :• Position• Point d’intérêt• Angle de vue


Exemples

Profondeur de champ

Effet « vertigo »


Difficultés

Animation de tissus

Animation de visages

Aliassage temporel


Aliassage temporel

Séquence d’images représentant l’état du modèle à un moment donnéLa séquence peut être interprétée d’une autre manière!Rotation dans le sens des aiguilles d’une montre < 22.5°

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La Réalité Virtuelle

Howard Rheingold, dans son ouvrage la Réalité virtuelle (1993) définit le monde virtuel comme un monde calculé par «un ordinateur que l'on commande, non pas en écrivant des programmes, mais par des gestes naturels, en le parcourant, en l'explorant du regard et en utilisant les mains pour manipuler les objets qu'il contient ».

La Réalité Virtuelle

Transformer des données en images 3D interactivesMétaphore d’interaction : • Explorer les images de n’importe quel

point de vue• Utiliser les objets de manière intuitiveImplique :• Animation en temps interactif• Interaction• Immersion


Historique

1966 : Ivan Sutherland (MIT)• Principe d’immersion dans un monde

simulé• Difficulté technique à mettre en oeuvre

o Capacité des calculateurso Capacité des dispositifs d’interaction

1980 : Mise en oeuvre du principe1ères applications industrielles de la réalité virtuelle• domaine de la téléopération


Historique

Restitution haptique• 70's F. Brooks: recherche sur le toucher • => notion de retour d’effort

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Historique

Terminologie « Réalité Virtuelle »• lnvention du terme « Virtual Reality » (Jaron Lanier -

VPL) dans les années 801992 : lntroduction du concept de CAVE (Tom De Fanti,EVL Univ. Illinois)Aujourd’hui• solutions légères (PC)• démocratisation de la technologie des

périphériques• technologie efficace pour la génération d’images• applications industrielles concrètes


Intérêt de la RV

Tester une maquette du produitTests fonctionnelsTests opérationnelsLimite le besoin de maquette physiquesAccès à des variables/paramètres non mesurablesAccès à des échelles :• De grandeurs physiques• De grandeurs de temps


Domaines d’application

MédecineArchitecture et designVisualisation de données scientifiquesAérospatiale et aéronautiqueDomaine militaireÉducation et apprentissageJeux et Loisirs


Configuration minimale

Une station graphique capable de générer des images 3D en temps réelLa possibilité d'afficher des images stéréoChanger le point de vue de manière continueUn ou plusieurs périphériques permettant une spécification directe de positions et d’orientations dans l'espace pour une manipulation directe en 3D

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Interaction• Capture des mouvements

o Suivi de la tête, des mains (doigts), des mouvements du corps

o Systèmes électromagnétiques, acoustiques, mécaniques, optiques, ...

• Retour d’efforts, de sensations tactiles• Interprétation du gesteVisuel• Lunettes stéréoscopiques• Casques d’immersion• CAVESon 3D• Cartes spécialisées

Périphériques de rendu


La main

Gant• fibre optique• 18 ou 22 DDL• +capteurs 6 DDLRetour haptique: forces et/ou sensations


Les dispositifs pour la vision stéréo

Lunettes stéréoscopiques

Avec écran extérieur

Casque de visualisation

Immersion partielle Avantages

définition de l ’écrancouleurscontact avec contexte

Inconvénientsfaible champ de vue

Avantages6DDLimmersion totale

Inconvénientscouleursdéfinitioninterface réduite


Difficultés des HMD

Encore très lourdsPeuvent engendrer des malaises

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CAVE

Electronic visualization Lab, Université d’Illinois (1992)Illusion d’immersion sans casqueMultiutilisateur : 1 active


Autres dispositifs


La réalité augmentée


La Réalité Augmentée

Caudel et Mizell (1992)Nouveau paradigme d’utilisation pour préserver l’expérience du monde réel en ajoutant de l’information (pas seulement visuelle)Enrichir plutôt que remplacer

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Applications

MédecineAssemblageTélévisionTourismeArchitectureDivertissement


Aspects de la RA

Mixage : intégration d’un point de vue visuel entre monde réel et monde virtuelIdentification des objets• Utilisation de marqueurs et « tags »Registration• Objets virtuels alignés avec le monde réel Interaction:• Retour visuel• Reconnaissance des gestes


Identification et registration


Erreurs

Statiques• Mauvais alignement en l’absence de

déplacementDynamiques• Mauvais alignement lors d’un

déplacement

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Visualisation

Casque semi-transparentMélangeurs optiques placés devant les yeux Le résultat est la combinaison du monde réel et du monde virtuel


Visualisation

Vidéo semi-transparenteLa vue de l’utilisateur est fournie par une caméraLe générateur de scènes crée les images de synthèse qui sont mélangées avec la vidéo Le résultat est envoyé vers les moniteurs


Visualisation


Interaction

Capteurs RVReconnaissance de gestesInterfaces tangibles

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Réalité augmentée

+Forte réduction de coûts matériels+Mobilité+Connaissances de l’utilisateur- Techniques d’alignement- Études sur la perception

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