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ANIMATION BASE SUR LÕINTERPOLATION
Chapitre 4
Olivier Vaillancourt, Olivier Godin Universit de SherbrookePORTE DU CHAPITRE
Les chapitres prcdents taient consacrs au mouvement en gnral.Ce chapitre et le suivant sont consacrs
principalement la dformation de maillages (mesh).Pour ce chapitre, on parlera principalement
2PLAN DU CHAPITRE
Types dÕanimation par interpolation
" Animation par key-frame " Animation hirarchique par squelette # Joints # Ossature (Bones) # Variables et contraintes dÕarticulations Considrations dÕimplmentation Mthodes de skinning Langages dÕanimation" Orients artistes " Langages de programmation " Variables dÕarticulation " Langages graphiques " Langages bass acteurs
BlenderArtists.org, 2008
3NOTION DE CADRE CL (KEYFRAME)
En animation 2D classique, un cadre cl est une image de lÕanimation dterminant une pose dÕun objet/personnage.
Les images entre les cadres cls
sont appelles les Òentre deuxÓ ou Òin-betweenÓ. " Les in-between sont habituellement gnres par des interpolations simplesAdrien-Luc Sanders,2005
4NOTION DE CADRE CL (KEY-FRAME)
En animation par ordinateur, un cadre cl dfinit tout moment o une variable dÕune animation nÕest pas interpole.
" Les diffrentes variables peuvent avoirdiffrents cadres cls. # Dplacement sur un axe # Couleur # Rotation autour dÕun axe # Etc.
" Un cadre cl ne correspond plusobligatoirement une pose globale dÕune animation mais plutt un tat fix dÕune variable.
MapScenes System, 2008 Parent, R. : ÒComputer Animation : Algorithms and techniquesÓ, 1 st edition, Morgan Kaufmann, 2002, p.133 5ANIMATION PAR KEYFRAME CLASSIQUE SUR ORDINATEUR
6ANIMATION PAR KEY-FRAME CLASSIQUE SUR ORDINATEUR
" En 2D on parle de ÒSpriteÓ # Images 2D affiches en squence. " En 3D on parle dÕune suite de maillages (mesh) rendus en squence. SNK, Metal Slug, 1999 A. Rebecca, Nisselson J. : ÒComputers who danceÓ, Atari Archive, 1983 7ANIMATION PAR KEY-FRAME CLASSIQUE SUR ORDINATEUR
Variation pour lÕanimation par key-frame classique en 3D: nombre de frame rduit pour lÕanimation. " Chaque vertex est interpol un un entre les images pour combler les trous et produire lÕanimation. 8ANIMATION PAR KEY-FRAME CLASSIQUE SUR ORDINATEUR
Avantages
" Simple # Simplement charger chaque maillage et les afficher squentiellement. " Rapide # Une fois le maillage charg, simplement lÕafficher, ne demande aucun calcul supplmentaire. " Haute fidlit logiciel dÕanimation. 9ANIMATION PAR KEY-FRAME CLASSIQUE SUR ORDINATEUR
Dsavantages:
" Mmoire # Un maillage spar pour chaque cadre dÕanimation prendnormment dÕespace.
" Peu/Pas dÕinteraction avec lÕanimation # Aucune structure simplifie pour faciliter lÕinteraction du # Tout doit tre fait dÕavance (transitions entre les animations, actions, etc.) 10ANIMATION PAR KEY-FRAME CLASSIQUE SUR ORDINATEUR
Applications:
" Applications 3D en temps rel # C..d.: Jeux vidos principalement 1990# mergence des cartes vido 3D # Ordinateurs manquaient de puissance pour dÕautres types dÕanimation " Reprise de la popularit avec les consoles de jeu vido portables, tlphones cellulaires, etc. De haut en bas: Quake 2, 1997; Animal Crossing, Wild World, 2005; Super Monkey ball (iPod)2008 11 ANIMATION PAR KEY-FRAME CLASSIQUE SUR ORDINATEUR En pratique: squelette dans un logiciel de modlisation 3D. " Il est converti en une srie de key-frames 3D reprsentant les images de lÕanimation lors de lÕexportation. 12
ANIMATION PAR KEY-FRAMES INTERPOLS
13ANIMATION PAR KEY-FRAMES INTERPOLS
Si on exclut lÕanimation classique, en animation par ordinateur un key-frame se dfinit comme tant:
" LÕimage (le frame) o lÕtat dÕune variable dÕanimation est fix.Exemples de variables:
" Position " Orientation " Couleur " chelle " Proprit dÕun matriaux " [...] On fixe le temps soit en termes direct (secondes, minutes, etc.) ou en termes de nombre dÕimages. 14ANIMATION PAR KEY-FRAMES INTERPOLS
" On nomme cette ligne ÒpisteÓ ou ÒtrameÓ dÕanimation. " Les diffrentes valeurs contenues sur les key- frames dÕune piste dÕanimation sont interpoles pour gnrer lÕanimation en soit. 15ANIMATION PAR KEY-FRAMES INTERPOLS
LorsquÕon combine les diffrentes valeurs contenues sur les diffrentes pistes, on obtient notre animation globale.
Form-Z 6.0, AutoDesSys, Inc, 2008
16ANIMATION PAR KEY-FRAME INTERPOLS
Exemple: Courbes dÕanimation sous Maya.
17ANIMATION PAR KEY-FRAMES INTERPOLS
18ANIMATION PAR KEY-FRAME INTERPOLS
" Interpolation Contrle quantitatif des variables aux keyframes. " Paramtrisation, longueur dÕarcNormalisation du contrle des variables.
" Contrle du mouvementContrle de la vitesse des variables.
19 20ANIMATION HIRARCHIQUE PAR SQUELETTE
MODLISATION HIRARCHIQUE DE LÕANIMATION (5.1)Consiste exprimer lÕanimation dÕun objet en fonction de transformations relatives celles dÕun autre objet.
(simplifi) 21MODLISATION HIRARCHIQUE DE LÕANIMATION
Vocabulaire:
dit que a est lÕenfant de b." Le noeud dont un enfant dpend est appell son parent. " Un noeud nÕayant aucun parent est appell la racine. " Un noeud nÕayant aucun enfant est une feuille. " Un noeud peut avoir plusieurs enfants mais un seul parent.
22MODLISATION HIRARCHIQUE DE LÕANIMATION
Exemple: Soleil Racine Lune et Mars Feuilles Terre Parent de Lune Lune Enfant de Terre Soleil Parent de Terre et
mars Etc. 23MODLISATION HIRARCHIQUE DE LÕANIMATION En exprimant les transformations dÕun noeud par rapport son parent, on contraint son positionnement ou son orientation par rapport celui-ci.
" Contraintes de distance (translation) " Contraintes dÕorientation (rotation) 24MODLISATION HIRARCHIQUE DE LÕANIMATION
La dpendance entre les transformations permet de les simplifier de faon individuelle. " On caractrise cette simplification comme tant une rduction de dimensionalit.Exemple:
25MODLISATION HIRARCHIQUE DE LÕANIMATION
noeud en question. 27Rick Parent, 2008
MODLISATION HIRARCHIQUE DE LÕANIMATION Une fois quÕon a obtenu notre transformation globale, transformer les points associs au noeud en question se fait simplement.
" Ex : (transformation du point V 1 associ au noeud 1.1) 28MODLISATION HIRARCHIQUE DE LÕANIMATION
Puisque les transformations partent du noeud racine, celui-ci est exprim par dfaut en espace monde.
" Toute transformation applique sur la racine se rpercutent sur toute la hirarchie. 29MODLISATION HIRARCHIQUE DE LÕANIMATION
La hirarchie entre noeuds peut tre reprsente sous la forme dÕun graphe dirig acyclique.
30Ariane Vaillancourt, 2009
31SQUELETTES DÕANIMATION
SQUELETTES DÕANIMATION
Comme on vient de le voir:
" La modlisation hirarchique " Une autre approche est demodliser une hirarchie lÕintrieur mme dÕun objet pour grer de faon localise sa dformation.
32Linksquare, 2008 Frank A. Rivera, 1998
SQUELETTES DÕANIMATION
" Les diffrents points (vertices) qui " LÕassocation dÕun point un lmentde la hirarchie est appell ÒskinningÓ, nous verrons des mthodes de skinning plus en dtail vers la fin du chapitre.
33ÒLucienÓ, Mathias Aubry, 2008 David Lanier, 2002
SQUELETTES DÕANIMATION
Vocabulaire:
" Un objet contenant une hirarchie interne est appell un objet articul. " Le fait de modifier lÕtat des transformations de la pas confondre avec Òune articulationÓ.) 34LES ARTICULATIONS
Les articulations sont les points de jonction entre les diffrents arcs de notre squelette dÕanimation.
Il existe deux types dÕarticulations
primaires: " Les articulations prismatiques # Translation selon un axe quelconque. " Les articulations rotode # Rotation autour dÕun axe quelconque. 35Rotode
University of Texas at Austin, RRG
Prismatique
University of Texas at Austin, RRG
LES ARTICULATIONS
Une des proprits dÕune articulation est le nombre de transformations distinctes quÕelle peut effectuer.
" Cette proprit est appelle le nombre de degrs de libert. " Les articulations primaires ont un seul degr de libert. 36LES ARTICULATIONS
" Une articulation complexe peut tre modlise comme tant plusieurs articulations primaires combines. " Exemples: (non exhaustif) # Articulation Rotule (Ball and socket) $ quivalent de 3 rotodes3 degrs de libert.
# Articulation Planaire (Planar) $ quivalent de 2 articulations prismatiques2 degrs de libert
# Articulation Selle (Saddle) $ quivalent de 2 rotodes orthogonaux2 degrs de liberts. 37
ISO/IEC FCD 19774 Ñ Humanoid animation (H-Anim)LES ARTICULATIONS
En animation, il est courant de limiter les
valeurs possibles des variables dÕarticulations. On parle ici de contraintes dÕarticulation. " Ceci permet de conserver lÕintgrit et le " Ceci permet de conserver lÕintgrit 38Monstrous Software, 2007
LES ARCS
SÕapparentent aux ÒosÓ du squelette.
" Ils servent dfinir la distance par dfaut entre2 articulations.
" Un arc en soit est habituellement rigide dans le temps. " Un arc, est habituellement reprsent par un prisme mais nÕest en thorie quÕune distance. # Deux arcs reprsents de faons diffrentes mais formant la mme distance entre deux joints sont considrs identiques. 3940
REPRSENTATION DU SQUELETTE DÕANIMATION
TRANSFORMATIONS , ARTICULATIONS ET ARCS
Comme nous lÕavons vu, la transformation dÕune articulation dans lÕespace est le rsultat de la transformations accumule de ses parents.
Pour remettre en contexte, notons que chaque transformationse fait en deux temps, soit: 1. La translation par la distance de lÕarc. 2. La transformation dfinie par lÕarticulation.
Ex: 41REPRSENTATION DU SQUELETTE DÕANIMATION
Tel que vu prcdemment, un squelette dÕanimation peut tre reprsent par un graphe.
Habituellement, on reprsente un graphe dÕune de ces faons: " Une liste dÕartes " Une liste de sommets Un squelette dÕanimation se reprsente de faon analogue: " Approche par arc " Approche par articulation 42REPRSENTATION DU SQUELETTE DÕANIMATION
Approche par arc:
" Consiste dfinir chaque lment du graphe comme tant un segment, dfini par sa position initiale et sa position finale. " Ex: structure Arc { Vecteur3 PosDebut(x,y,z) Vecteur3 PosFin(x,y,z) Arc* Parent Arc* Enfant[] } 43REPRSENTATION DU SQUELETTE DÕANIMATION
La valeur du point au dbut du segment (PosDebut) reprsente le dplacement partir du point la fin du segment parent.
La valeur du point la fin (PosFin) forme le
segment par rapport au point du dbut (PosDebut).La transformation du joint sÕapplique
directement sur le vecteur form par lÕarc.Si on souhaite relier un arc directement son
parent, la valeur de PosDebut doit tre zro (0,0,0). 44REPRSENTATION DU SQUELETTE DÕANIMATION
Avantages de lÕapproche par arc:
" LÕarc peut spatialement tre spar du parent. " Facile de transformer lÕarc de coordonnes locales
coordonnes globales pour le dissocier du squelette. # (debut += parent.fin; parent = NULL) # Utile lorsque le squelette doit tre dsassembl. $ (Explositions, objet qui se dmonte, jeu trop violent, etc.) 45REPRSENTATION DU SQUELETTE DÕANIMATION Dsavantage de lÕapproche par arc: " Prend toujours 2 coordonnes. # Redondant pour la plupart des squelettes o les enfants sont joints directement leur parent. 46
REPRSENTATION DU SQUELETTE DÕANIMATION
Approche par articulation:
" On prend pour acquis quÕune articulation sera toujours relie " On exprime uniquement lÕarticulation comme tant une certaine orientation et une certaine distance de son articulation parente. " On peut reprsenter lÕorientation/distance avec 3 nombres: # Reprsentation polaire: # Reprsentation cartsienne: 47REPRSENTATION DU SQUELETTE DÕANIMATION Approche par articulation:
structure Articulation { Vecteur3 (distance,Theta,Phi) Articulation* Parent Articulation* Enfants[] }
48REPRSENTATION DU SQUELETTE DÕANIMATION Avantages de lÕapproche par articulation: " Beaucoup plus compact. (limination de la redondance) " Plus facile dÕeffectuer les oprations de rotation (diffrentes reprsentations mieux adaptes.) " Facile dÕexprimer la position du joint racine # En fixant la distance/orientation 0. 49
REPRSENTATION DU SQUELETTE DÕANIMATION
Dsavantages de lÕapproche par articulation: " Les arcs sont obligatoirements spatialement connects. " Demande des structures supplmentaires si on veut extraire un arc dÕun squelette pour lÕexprimer en coordonnes globales. # (On droit crer une articulation supplmentaire car un arc est compos de 2 articulations.) 50SQUELETTE DÕANIMATION
Pourquoi utiliser le squelette dÕanimation?
" Beaucoup plus simple animer. # On manipule les articulations plutt que dÕavoir manipuler chaque vertex indpendemment. " Beaucoup plus compact que lÕanimation par keyframe classique. animations, apparences diffrentes.) " Utilisation de mthodes dÕinterpolation de complexit suprieure linaire. # Rendu possible puisque lÕinterpolation se fait sur les articulations, moins nombreuses queSQUELETTE DÕANIMATION
Dsavantages dÕun squelette dÕanimation:
" Beaucoup plus lourd animer en terme de puissance de calcul. position du squelette chaque image.) " La flexion au niveau des articulations peut tre visible squelette. 52SQUELETTE DÕANIMATIONS
Pour terminer, notons que contrairement la croyance populaire, les squelettes dÕanimation ne sont pas exclusifs la 3D. " On note une popularit grandissante des squelettes dÕanimations dans
les jeux 2D sur console: (Castlevania, Patapon, Odin Sphere, etc.) 5354
ANIMATION PAR INTERPOLATION, CONSIDRATIONS DÕIMPLMENTATION
CONSIDRATIONS DÕIMPLMENTATION
LÕanimation de squelettes implique lÕutilisation massive de transformations gomtriques.
Pour conserver des performances correctes, il
est important de savoir o et comment optimiser. 55CONSIDRATIONS DÕIMPLMENTATIONS
Parmi les optimisations les plus courantes :
" Sparation des transformations gomtriques # Translation (vecteur), mise lÕchelle (vecteur), rotation (quaternion) " Utilisations de marqueurs (flags) pour indiquer les transformations identits. # vite de concatner avec des transformations nÕayant aucun effet. " Conservation des transformations en mmoire cache. # vite de devoir recalculer une transformation identique deux fois. " Utilisation de piles de matrices pour parcourir lÕarbre du squelette. 5657
MTHODES DE SKINNING
QUÕEST-CE QUE LE SKINNING?
associ une ou plusieurs articulations. " LorsquÕune articulation est transforme, les points qui y sont associs sont transforms en consquence. 58Microsoft, Bungie, 2005 Bill Ballout, 2007
QUÕEST-CE QUE LE SKINNING?
Pour le squelette de la diapositive prcdente: 59Ariane Vaillancourt, 2008
QUÕEST-CE QUE LE SKINNING?
Le skinning se dfinit donc comme tant la mthode permettant: " DÕassigner efficacement les points (vertex) qui " De transformer efficacement ces points au prorata des transformations du squelette. 60LE SKINNING
La notion de dformation dÕobjets 3D a t la source mme du dveloppement des diverses mthodes de skinning. [Magnenat-Thalmann et al. 1988]
Originalement, le skinning tait surtout utilis pour lÕanimation de personnages en 3D dans les jeux vidos. " Les premiers algorithmes de skinning nÕtaient 61LE SKINNING
Il existe probablement autant de variantes aux algorithmes de skinning quÕil y a de chercheurs sÕtant pench sur la question.
Dans le cadre du cours, nous nous limiterons aux
mthodes les plus rpandues, soit: " Assignation directe " Linear Blend Skinning (LBS) " Spherical Blend Skinning (SBS) 62SKINNING PAR ASSIGNATION DIRECTE
Elle consiste simplement assigner une
articulation un vertex, puis transformer le vertex par la transformation exacte applique lÕarticulation.
63SKINNING PAR ASSIGNATION DIRECTE
(habituellement la position de De Vinci). " La transformation dÕune articulation j, dans sa position de rfrence, est caractrise par la matrice de transformation A j " Une mme articulation j, une fois transforme par le mouvement du squelette, est caractrise par la matrice de transformation F j " Finalement, le vertex transformer est dnot v. 64SKINNING PAR ASSIGNATION DIRECTE
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