[PDF] Un environnement pour la reconstruction 3D dédifices à partir de





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UNIVERSITE RENE DESCARTES - PARIS V

Centre Universitaire des Saints-P`eres

UFR DE MATHEMATIQUES ET INFORMATIQUE

Th`ese pr´esent´ee en vue de lobtention du grade de Docteur de lUniversit´e RENE DESCARTES - PARIS V

Discipline : Sciences de la Vie et de la Mati`ere

Sp´ecialit´e : Math´ematiques et Informatique

Par 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 dabord exprimer mes respectueux remerciements `a Madame le Professeur

Fran¸coise Preteux, responsable de lUnit´e de Projets ARTEMIS de lINT et directeur de cette

th`ese pour mavoir accueillie dans son ´equipe et mavoir ainsi permis de r´ealiser ce travail

passionnant. Quelle soit assur´ee de ma profonde reconnaissance pour la qualit´e de la formation

dont elle ma fait b´en´e"cier et pour ses conseils avis´es. Je tiens `a remercier tout particuli`erement Monsieur le Docteur Titus Zaharia, Maštre de

Conf´erences `alUnit´e de Projets ARTEMIS pour mavoir 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 `alUniversit´e Paris V, qui me fait lhonneur 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 lUniversit´e

Paris VIII et `a lUniversit´edeCaen,rapporteursdecem´emoire, trouvent ici lexpression de

toute ma gratitude pour leur lecture minutieuse et lint´eret quils ont port´e`a cette recherche.

A Madame Christine Gragne, Professeur `alUniversit´eParisV,jetiens`at´emoigner tous

mes remerciements pour laide aimable avec laquelle elle ma guid´ee dans le d´edale universi-

taire. Que Monsieur Olivier Marre, pr´esident de lentreprise 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 mont 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 laide quil ma apport´ee et qui ma permis de progresser plus ecacement. A Nicola Rougon, Catalin Fetita et Marius Preda, MaštresdeConf´erences `alUnit´ede de Projets ARTEMIS, jexprime 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 lexpression 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

AHedi

R´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 technologies

et outils les plus r´ecents de mod´elisation et danimation 3D, saranchit en bonne partie de

cette composante artisanale et vient concurrencer lindustrie du dessin anim´e2Dentermes de temps et couts de fabrication. Les enjeux `a relever par lindustrie du dessin anim´e2Dseposentdoncentermesde:

1. R´eutilisation des contenus selon le c´el`ebre paradigme duCreate once, render manyŽ,

2. Facilit´ed´echangeettransmissiondescontenuscequin´ecessite de disposer dun 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 lAgence Nationale pour la Valorisation de

la Recherche (ANVAR), a pour objectif de contribuer au d´eveloppement dune plate-forme de reconstruction, d´eformation et animation de mod`eles 3D pour les dessins anim´es 2D. Un ´etat de lart 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 dune de reconstruction des personnages virtuels 3D `a partir de dessins 2D, ...Lamiseaupointdunem´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 Lanimation ............................ 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

vii

2.3.6 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 Techniquesdinterpolationtemporelle ................... 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 Standardspourlanimation3D ........................... 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 lart . . 76

4.2 Reconstructiondelenveloppevisuelle ....................... 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 dun maillageseamless.........................104

4.4.1 Crit`eres dassemblage 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 Exemplesdexpressionsdevisage........................... 4

1.4 Exemple destoryboard(extraitde[Dov00])..................... 5

1.5 Animation. ...................................... 6

1.6 Cam´eramultiplan................................... 7

1.7 Les phases num´eriques dune 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. ................................... 28

2.7 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

2.16SubdivisiondunecourbeselonlalgorithmedeChaikin. ............. 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........................... 42

2.19 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

surlaspectdelasurface"nale............................ 46

2.24 Surface de subdivision : Le personnage Geri de Geris 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 `alaidedecourbeswires........................ 55

3.8 D´eformation `alaidedecourbesg´eod´esiques. ................... 56

3.9 Animation dun 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........................................ 61

3.13 Interpolations sph´eriquesdesquaternions ..................... 62

3.14 Hi´erarchieduncorpshumaindanslanormeMPEG-4............... 66

3.15 Standard FBA : Points clefs d´e"nissantlobjetvisage[MPE]. .......... 67

3.16 Mod`eledanimationFBA............................... 67

3.17 Standard FBA : exemple dutilisation des Tables de D´eformation du Corps. . . 68

3.18 Controleurs danimation 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 dintersection : Donn´eesdesynth`ese. ................... 83

4.5 Intersection de volumes : Probl`emedauto-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....................................... 87

4.11 Images des sections horizontales du volume dintersection obtenu pour le mod`ele

humano¨šde. ...................................... 88

4.12 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 : leet de la discr´etisation volumique se r´epercute sur la

positions des points de controle et par cons´equentsurlasurface. ........ 94

4.19 Att´enuationdeleetdescalierpar"ltragepasse-bas. .............. 94

4.20 Att´enuation de leet descalier 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...............................104

4.30 Crit`eredassemblagedesparties. ..........................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´eterminationdelacourbedintersection......................109

4.36 Proc´edure de classi"cation des polygones g´en´er´esparlintersection........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 dentr´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 dun humano¨šde. ............125

5.2 D´eformation sous contraintes 3D du dos dun 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 dune 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 tetedEl"eselonlavue=30.................132

5.10 D´eformation du buste DEl"e selon la vue=30. ................133

5.11 D´eformation de la tete du personnage Al selon la vue= 0pour obtenir un

eetdamincissement. ................................134

5.12 D´eformation par contrainte projective : ajout doreilles `alatete du personnage

Alenmodi"antuneuniquevueprojective. ....................134

5.13 D´eformation de loreille du personnage Ickis selon la vue= 0pour lui donner

plusdimportance. ..................................134

5.14 D´eformation de loreille du personnage Ickis selon la vue

= 0pour lamincir. 135

5.15 D´eformation de la poire (croqu´ee) selon la vue=0. ..............135

5.16 D´eformation dune chaussure selon la vue=90. ................135

5.17 D´eformation du corps du personnage Oblina selon la vue=90.........136

5.18 D´eformation dune mandoline en un luth selon la vue=90...........136

5.19 D´eformation dun narguil´e selon les vues 0 45, 90et 135.............137

5.20 D´eformation dune ellipso¨šde en teteselonlesvues0et90. ...........137

5.21 Construction dune "`eche `alaideded´eformations selon les vues 0 et 90. . . . 137

5.22 D´eformations dun 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. ....................... 29

2.2 Caract´eristiques des sch´emas de subdivision de Loop, Catmull-Clark et Doo-

Sabin. ......................................... 44

2.3 Comparaison des mod`elesdesurface......................... 47

3.1 TableaucomparatifdesstandardsFBAetSMS[Pre02]. ............. 71

3.2 M´ethodesdanimation................................. 72

Introduction

Lanimation nest pas lart des images qui bougent, maisquotesdbs_dbs47.pdfusesText_47
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