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Centre Universitaire des Saints-P`eres
UFR DE MATHEMATIQUES ET INFORMATIQUE
Th`ese pr´esent´ee en vue de lobtention du grade de Docteur de lUniversit´e RENE DESCARTES - PARIS VDiscipline : Sciences de la Vie et de la Mati`ere
Sp´ecialit´e : Math´ematiques et InformatiquePar Olfa TRIKI BCHIR
Sujet de la th`ese :
Mod´elisation, reconstruction et animation
de personnages virtuels 3D `a partir de dessins manuels 2D Soutenue le 11 Octobre 2005, devant le jury compos´ede:Monsieur le Professeur Georges STAMON Pr´esidentMonsieur le Maštre de conf´erences Henri HUDRISIER RapporteurMonsieur le Maštre de conf´erences Hamid RAHBAR Rapporteur
Madame le Professeur Fran¸coise PRETEUX Directeur de th`eseMadame le Professeur Christine GRAFFIGNE ExaminateurMonsieur le Maštre de conf´erences Titus ZAHARIA ExaminateurMonsieur Olivier MARRE Examinateur
Remerciements
Je souhaite tout dabord exprimer mes respectueux remerciements `a Madame le ProfesseurFran¸coise Preteux, responsable de lUnit´e de Projets ARTEMIS de lINT et directeur de cette
th`ese pour mavoir accueillie dans son ´equipe et mavoir ainsi permis de r´ealiser ce travail
passionnant. Quelle soit assur´ee de ma profonde reconnaissance pour la qualit´e de la formation
dont elle ma fait b´en´e"cier et pour ses conseils avis´es. Je tiens `a remercier tout particuli`erement Monsieur le Docteur Titus Zaharia, Maštre deConf´erences `alUnit´e de Projets ARTEMIS pour mavoir encadr´ee avec rigueur tout au long
de cette formation doctorale. Ses suggestions scienti"ques et recommandations p´edagogiques ont toujours ´et´efortpr´ecieuses. A Monsieur Georges Stamon, Professeur `alUniversit´e Paris V, qui me fait lhonneur de pr´esider ce jury, je tiens `a adresser mes chaleureux remerciements et `a exprimer mon grand respect. Que Messieurs Henri Hudrisier et Hamid Rahbar, MaštresdeConf´erences `a lUniversit´eParis VIII et `a lUniversit´edeCaen,rapporteursdecem´emoire, trouvent ici lexpression de
toute ma gratitude pour leur lecture minutieuse et lint´eret quils ont port´e`a cette recherche.
A Madame Christine Gragne, Professeur `alUniversit´eParisV,jetiens`at´emoigner tousmes remerciements pour laide aimable avec laquelle elle ma guid´ee dans le d´edale universi-
taire. Que Monsieur Olivier Marre, pr´esident de lentreprise Quadaxis et promoteur du projet TOON, soit assur´e de mes remerciements les plus chaleureux pour ces longues discussions fructueuses, que nous avons eues tout au long de cette th`ese et qui mont fait d´ecouvrir le monde du dessin anim´e. Que Monsieur Alain Tsara"dy de la soci´et´e Quadraxis, sache combien je lui sais gr´ede toute laide quil ma apport´ee et qui ma permis de progresser plus ecacement. A Nicola Rougon, Catalin Fetita et Marius Preda, MaštresdeConf´erences `alUnit´ede de Projets ARTEMIS, jexprime mes remerciements pour leur ´ecoute attentive et leur aide stimulante. Que ceux qui ont partag´e mon quotidien avec bonne humeur, les Docteurs Mihai Mitrea, Caroline Petitjean, Son-Minh Tran, Sylvain Chevalier, Mathieu Carr´e et Frank Lepouliquen, soient ici remerci´es bien vivement. A mes coll`egues doctorants, Diane Perchet, Perrine Monjaux, Khaled Mamou, Amaury Saragaglia, Antoine Discher et Octavian Folea, au contact desquels je me suis enrichie cultu- rellement et scienti"quement, je dis un grand MERCI. Que mesdames Nicole Teste et Evelyne Taroni trouvent ici lexpression de mes remercie- ments. En"n, je ne remercierai jamais assez ma famille, mon mari, et mes amis pour leur pr´ecieux soutien tout au long de ces ann´ees.A mes parents
AHediR´esum´e
La production de dessins anim´es 2D qui suit actuellement un sch´ema mis en place dans les ann´ees 1920 fait intervenir un tr`es grand nombre de comp´etences humaines. Par opposition `a ce mode de travail traditionnel, la production de "lms 3D, en exploitant les technologieset outils les plus r´ecents de mod´elisation et danimation 3D, saranchit en bonne partie de
cette composante artisanale et vient concurrencer lindustrie du dessin anim´e2Dentermes de temps et couts de fabrication. Les enjeux `a relever par lindustrie du dessin anim´e2Dseposentdoncentermesde:1. R´eutilisation des contenus selon le c´el`ebre paradigme duCreate once, render manyŽ,
2. Facilit´ed´echangeettransmissiondescontenuscequin´ecessite de disposer dun unique
format de repr´esentation,3. Production ecace et ´economique des contenus requ´erant alors une animation automa-
tis´ee par ordinateur.Dans ce contexte comp´etitif, cette th`ese, r´ealis´ee dans le cadre du projet industriel TOON
"nanc´e par la soci´et´e Quadraxis avec le support de lAgence Nationale pour la Valorisation de
la Recherche (ANVAR), a pour objectif de contribuer au d´eveloppement dune plate-forme de reconstruction, d´eformation et animation de mod`eles 3D pour les dessins anim´es 2D. Un ´etat de lart des m´ethodes et outils contribuant `alareconstructiondemod`eles 3D et`a leur animation est pr´esent´eetdiscut´e au regard des contraintes sp´eci"ques des r`egles de
cr´eationdesdessinsanim´es 2D et de la chašne de fabrication 2D. Ayant identi"´e les verrous technologiques `a lever, nos contributions ont port´esur: ...L´elaboration dune de reconstruction des personnages virtuels 3D `a partir de dessins 2D, ...Lamiseaupointdunem´ethode de mod´elisation 3D par surfaces maill´ees, compatible avec le standard MPEG-4/AFX,Les d´eveloppements r´ealis´es, int´egr´es dans un premier prototype de la plate-forme TOON,
montrent un gain en temps de 20% dans la chašne de production et une compl`ete interop´erabilit´e
des applicationsviale standard MPEG-4.Table des mati`eres
Introductioni
1Leschašnes de fabrication des dessins anim´es : 2D versus 3D 1
1.1 Chašne traditionnelle de production de dessins anim´es2D ............ 2
1.1.1 La pr´e-production .............................. 2
1.1.1.1 L´ecriture.............................. 3
1.1.1.2 Ledesign.............................. 3
1.1.1.3 Lestoryboard............................ 4
1.1.2 Laproduction................................. 4
1.1.2.1 Le d´ecor .............................. 5
1.1.2.2 Lanimation ............................ 5
1.1.2.3 Lamiseencouleur......................... 6
1.1.3 Lapost-production.............................. 7
1.2 Chašneactuelledeproduction2D.......................... 7
1.2.1 M´ethodes2D................................. 10
1.2.2 M´ethodes2,5D................................ 13
1.2.3 M´ethodes3D................................. 13
1.2.4 Conclusion .................................. 14
1.3 Chašnedeproductiondedessinsanim´es3D.................... 15
1.3.1 La pr´e-production .............................. 15
1.3.2 Laproduction................................. 15
1.3.3 Lapost-production.............................. 16
1.4 Discussion....................................... 17
2Mod´elisation 3D 21
2.1 Repr´esentation par maillages polygonaux..................... 22
2.1.1 Techniquesdeconstructiondemaillages3D................ 23
2.1.2 Conclusion .................................. 24
2.2 Surfacesimplicites .................................. 24
2.2.1 Surfacesdesquelette............................. 25
2.2.1.1 Primitivesponctuelles....................... 26
2.2.1.2 Surfacesdedistance........................ 28
2.2.1.3 Surfacesdeconvolution...................... 29
2.2.2 Techniquesdevisualisation ......................... 29
2.2.3 Techniques de mod´elisation......................... 31
2.2.4 Conclusion .................................. 32
2.3 Surfaces param´etriques................................ 32
2.3.1 Surfaces de B´ezier .............................. 33
2.3.2 SurfacesB-splines .............................. 33
2.3.3 Surfaces NURBS ............................... 35
2.3.4 Surfaces param´etriques par morceaux (patchsparam´etriques)...... 35
2.3.5 TrimmedNURBS .............................. 37
vii2.3.6 Conclusion .................................. 39
2.4 Surfaces de subdivision . ............................... 39
2.4.1 Sch´ema de subdivision de Catmull-Clark . ................. 41
2.4.2 Sch´ema de subdivision de Doo-Sabin.................... 43
2.4.3 Sch´ema de subdivision de Loop . ...................... 43
2.4.4 Conclusion .................................. 44
2.5 Conclusion ...................................... 46
3 Animation 3D de personnages virtuels 49
3.1 Mod`elesdescriptifs.................................. 50
3.1.1 Mod`eles de d´eformationnonrigide..................... 50
3.1.1.1 D´eformationsdeformeslibres .................. 51
3.1.1.2 D´eformations par controleurs................... 53
3.1.2 Mod`eles par squelette cin´ematique..................... 56
3.1.2.1 Cin´ematiquedirecte........................ 57
3.1.2.2 Cin´ematiqueinverse........................ 57
3.1.2.3 Capturedemouvements...................... 58
3.1.3 Techniquesdinterpolationtemporelle ................... 59
3.1.3.1 Interpolation lin´eaire ....................... 60
3.1.3.2 Interpolation curviligne ...................... 60
3.1.3.3 Interpolation de param`etresdeposeparquaternions...... 61
3.1.3.4 Techniques de m´etamorphose................... 62
3.1.4 Conclusion .................................. 63
3.2 Mod`eles g´en´erateurs ................................. 63
3.2.1 M´ethodes proc´edurales............................ 63
3.2.2 Mod`elesphysiques .............................. 63
3.2.2.1 Mod`elesdynamiques........................ 64
3.2.2.2 Syst`emesdeparticules....................... 64
3.2.3 M´ethodescomportementales ........................ 64
3.2.4 Conclusion .................................. 65
3.3 Standardspourlanimation3D ........................... 65
3.3.1 H-ANIMdeVRML ............................. 65
3.3.2 FBAdeMPEG-4............................... 65
3.3.3 SMSdeMPEG-4............................... 67
3.3.3.1 Lacouchesquelette ........................ 69
3.3.3.2 Lacouchemuscle ......................... 70
3.3.3.3 Conclusion............................. 71
3.4 Conclusion ...................................... 71
4 Reconstruction 2D/3D de personnages virtuels 75
4.1 Reconstruction de mod`eles 3D `apartirdedessinsmanuels2D:´etat de lart . . 76
4.2 Reconstructiondelenveloppevisuelle ....................... 80
4.2.1 Implantation ................................. 81
4.2.2 Reconstruction volumique `a partir de donn´eesdesynth`ese........ 83
4.2.3 Reconstruction volumique `a partir de donn´ees r´eelles........... 84
4.3 Reconstruction 2D/3D par surfaces NURBS.................... 86
4.3.1 Approcheparinterpolation ......................... 88
4.3.1.1 D´etection des points de controledescoupes........... 88
4.3.1.2 Calculdesvecteursdenoeuds................... 89
4.3.1.3 Uniformisationdesvecteursdenoeuds.............. 90
4.3.1.4 Interpolationdescourbesdesection............... 91
4.3.1.5 R´esultats exp´erimentaux ..................... 94
4.3.2 Approcheparapproximation ........................ 98
4.3.2.1 Harmonisationdunombredesommets ............. 98
4.3.2.2 D´e"nition des points de controle................. 99
4.3.2.3 R´esultats exp´erimentaux .....................100
4.4 G´en´eration dun maillageseamless.........................104
4.4.1 Crit`eres dassemblage des parties du mod`ele................105
4.4.2 Connexion hi´erarchique ...........................105
4.4.3 Connexion parRolling Ball.........................108
4.5 Reconstruction 2D/3D par maillages . . ......................112
4.5.1 Assemblagevolumique............................112
4.5.2 Lissagedescoupes..............................116
4.5.3 Triangulation.................................116
4.5.4 R´esultats exp´erimentaux...........................117
4.6 Conclusion ......................................119
5D´eformation 2D/3D de surfaces NURBS 121
5.1 D´eformationsouscontraintes3D ..........................122
5.2 D´eformationsouscontraintes2D ..........................126
5.2.1 D´eterminationdespointssources3D....................128
5.2.2 D´eterminationdescontraintesdeprojection................129
5.2.3 R´esultats exp´erimentaux...........................131
5.3 Conclusion ......................................139
Conclusion et perspectives 141
R´ef´erences143
Table des "gures
1.1 Mod`eledeconstruction. ............................... 3
1.2 Turnaround....................................... 4
1.3 Exemplesdexpressionsdevisage........................... 4
1.4 Exemple destoryboard(extraitde[Dov00])..................... 5
1.5 Animation. ...................................... 6
1.6 Cam´eramultiplan................................... 7
1.7 Les phases num´eriques dune m´etamorphose r´ealis´ee par Peter Foldes (La Faim,
1974). . ........................................ 9
1.8 Mod´elisation3D.................................... 16
1.9 Organisation de la chašnedeproduction2D..................... 18
1.10 Organisation de la chašnedeproduction3D..................... 19
2.1 Mod`eles maill´es. ................................... 23
2.2 Surfaces Implicites : Surfaces alg´ebriques. ..................... 25
2.3 Exemplesdesurfacesdesquelette. ......................... 25
2.4 Combinaisondeprimitives. ............................. 26
2.5 Fonctionsdepotentiel................................. 27
2.6 Combinaison de primitives ponctuelles : la fonction de potentiel g´en´er´ee pr´esente
unaspectbossu. ................................... 282.7 Main mod´elis´eeparsurfacesdeconvolution[BS91]................. 30
2.8 Chien mod´elis´eparsurfacesdeconvolution[TZF03]................ 30
2.9 D´e"nition r´ecursivedesfonctionsdebaseB-splines................. 34
2.10PatchdeBezier. ................................... 36
2.11 Juxtaposition de patchs de B´ezier : conditions de continuit´e............ 36
2.12 Visualisation depatchsparam´etriques:cracking.................. 37
2.13 Trimming NURBS : d´ecoupagedelasurface. ................... 37
2.14 Surface deblendingd´e"nie `a partir de courbes de d´ecoupage........... 38
2.15 Exemple de surface param´etrique. ......................... 39
2.16SubdivisiondunecourbeselonlalgorithmedeChaikin. ............. 40
2.17 Exemple de surface de subdivision.......................... 41
2.18 Types de subdivision : Exemple de subdivision primale et duale appliqu´ees `a
un maillage de base quadrilat´eral........................... 422.19 Sch´ema de subdivision de Catmull-Clark...................... 42
2.20 Sch´ema de subdivision de Doo-Sabin. . . ...................... 43
2.21 Sch´ema de subdivision de Loop. . .......................... 44
2.22 Subdivision : Eet de r´etr´ecissement......................... 45
2.23 In"uence du maillage de base en fonction du sch´ema de subdivision appliqu´e
surlaspectdelasurface"nale............................ 462.24 Surface de subdivision : Le personnage Geri de Geris Game (Pixar). . . . . . . 46
3.1 D´eformationsglobales................................. 51
3.2 D´eformationdeformes"bres............................. 52
3.3 Eets de style en dessins anim´es........................... 52
3.4 FFD........................................... 52
3.5 D´eformationparEFFD[Coq90]. .......................... 53
3.6 D´eformation g´eom´etrique par points de controle. ................. 54
3.7 D´eformation `alaidedecourbeswires........................ 55
3.8 D´eformation `alaidedecourbesg´eod´esiques. ................... 56
3.9 Animation dun personnage par cin´ematiqueinverse................ 58
3.10 Syst`emesdecapturedemouvements......................... 59
3.11Interpolationdeposesclefs.............................. 60
3.12 Interpolation de quaternions : interpolation lin´eaireversusinterpolation lin´eaire
sph´erique........................................ 613.13 Interpolations sph´eriquesdesquaternions ..................... 62
3.14 Hi´erarchieduncorpshumaindanslanormeMPEG-4............... 66
3.15 Standard FBA : Points clefs d´e"nissantlobjetvisage[MPE]. .......... 67
3.16 Mod`eledanimationFBA............................... 67
3.17 Standard FBA : exemple dutilisation des Tables de D´eformation du Corps. . . 68
3.18 Controleurs danimation BBA dans la sp´eci"cation SMS de MPEG-4 [Pre02]. . 70
3.19 ............................................. 72
4.1 Incoh´erences de pose entre di´erentes vues duturnaround............ 76
4.2 Processus de reconstruction 2D/3D. . . ...................... 81
4.3 VisualHullparcoupe................................. 82
4.4 Volume dintersection : Donn´eesdesynth`ese. ................... 83
4.5 Intersection de volumes : Probl`emedauto-occultation............... 84
4.6 Intersection de volumes : Donn´ees r´eelles. ..................... 84
4.7 EnveloppevisuellereconstruitepourlepersonnageTiteuf............. 85
4.8 Reconstruction volumique `a partir de vues segment´ees............... 86
4.9 Reprojections du mod`elevolumiquedeTiteuf................... 86
4.10 Reconstruction par intersection de volumes pour di´erents personnages de des-
sins anim´es....................................... 874.11 Images des sections horizontales du volume dintersection obtenu pour le mod`ele
humano¨šde. ...................................... 884.12 D´etectiondecontourparcodagedeFreeman.................... 89
4.13 Directions discr`etes d´e"niesparlecodagedeFreeman............... 89
4.14 Points de controle extraits pour la coupe pr´esent´eeFigure4.12.......... 89
4.15 Polygone de controle et courbe NURBS de degr´e3................. 90
4.16Uniformisationduvecteurdesnoeuds. ....................... 92
4.17Ranementdesnoeuds. ............................... 92
4.18 Aspect en escalier : leet de la discr´etisation volumique se r´epercute sur la
positions des points de controle et par cons´equentsurlasurface. ........ 944.19 Att´enuationdeleetdescalierpar"ltragepasse-bas. .............. 94
4.20 Att´enuation de leet descalier par sous-´echantillonnage des coupes. . . . . . . 95
4.21 Approche par interpolation : mod`ele NURBS de Titeuf. ............. 95
4.22ReconstructiondesurfacesNURBSparinterpolation. .............. 96
4.23 Reconstruction par interpolation NURBS : R´esultats. . ............. 97
4.24Correspondancesentrelessommetsdedeuxcourbespolygonales......... 99
4.25Harmonisationdunombredesommets....................... 99
4.26 D´e"nition des points de controle...........................100
4.27 Surfaces NURBS reconstruites par approximation : tete, buste, et bras du per-
4.28 Approche par approximation : mod`ele NURBS de la poire, de la chenille, du
4.29 Reconstructions par approximation NURBS : surfaces obtenues avec 3 niveaux
de subdivision de Chaikin...............................1044.30 Crit`eredassemblagedesparties. ..........................106
4.32 Processus de propagation `a partir du poleenfant..................107
4.33 Assemblage : Connexion hi´erarchique. .......................108
4.34 Algorithme deblendingde maillages parRolling Ball. ..............109
4.35 D´eterminationdelacourbedintersection......................109
4.36 Proc´edure de classi"cation des polygones g´en´er´esparlintersection........110
4.38 Maillage seamless : R´esultats. . . ..........................112
4.39 Connexion du torse et du bras du personnage El"e parRolling Ball. ......113
4.40 Connexion du bras et de la main du personnage El"e parRolling Ball......113
4.41 Connexion de la jambe et du pied du personnage El"e parRolling Ball. ....114
4.42 D´econnexion de parties reconstruites en fonction des images dentr´ee.......114
4.43 Vue globale de la m´ethodologiedereconstructionparmaillages..........115
4.44 Assemblage des mod`elesvolumiques.........................115
4.45TriangulationDelaunay2Daveccontraintesinter-coupes. ............116
4.47 D´etailsdumaillageobtenupourlepersonnageEl"e. ...............118
4.48 In"uence de la simpli"cation des polygones sur la qualit´e de la triangulation. . 118
5.1 D´eformation sous contraintes 3D du nez dun humano¨šde. ............125
5.2 D´eformation sous contraintes 3D du dos dun humano¨šde. ............125
5.3 Contrainte2Ddeprojection. ............................126
5.4 D´etermination des points sources sur le contour g´en´erateur............129
5.5 Contraintes de d´eformation .............................130
5.6 R´eajustement du pull du personnage Titeuf selon la vue=90. ........131
5.7 R´eajustement dune jambe du personnage Titeuf selon la vue=90. .....131
5.8 R´eajustement de la main du personnage Titeuf selon les vues=0et= 9 0. 1 3 2
5.9 D´eformation de la tetedEl"eselonlavue=30.................132
5.10 D´eformation du buste DEl"e selon la vue=30. ................133
5.11 D´eformation de la tete du personnage Al selon la vue= 0pour obtenir un
eetdamincissement. ................................1345.12 D´eformation par contrainte projective : ajout doreilles `alatete du personnage
Alenmodi"antuneuniquevueprojective. ....................1345.13 D´eformation de loreille du personnage Ickis selon la vue= 0pour lui donner
plusdimportance. ..................................1345.14 D´eformation de loreille du personnage Ickis selon la vue
= 0pour lamincir. 1355.15 D´eformation de la poire (croqu´ee) selon la vue=0. ..............135
5.16 D´eformation dune chaussure selon la vue=90. ................135
5.17 D´eformation du corps du personnage Oblina selon la vue=90.........136
5.18 D´eformation dune mandoline en un luth selon la vue=90...........136
5.19 D´eformation dun narguil´e selon les vues 0 45, 90et 135.............137
5.20 D´eformation dune ellipso¨šde en teteselonlesvues0et90. ...........137
5.21 Construction dune "`eche `alaideded´eformations selon les vues 0 et 90. . . . 137
5.22 D´eformations dun vase selon la vue=90.....................138
5.23 Proc´edureded´eformationlocale...........................138
5.24 D´eformation du vase pour di´erents niveaux de subdivision de reconstruction. . 139
Liste des tableaux
2.1Blendingde primitives de squelette : apparition de bosses au niveau de la jonc-
tion entre deux ´el´ementsdusquelette. ....................... 292.2 Caract´eristiques des sch´emas de subdivision de Loop, Catmull-Clark et Doo-
Sabin. ......................................... 442.3 Comparaison des mod`elesdesurface......................... 47
3.1 TableaucomparatifdesstandardsFBAetSMS[Pre02]. ............. 71
3.2 M´ethodesdanimation................................. 72
Introduction
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