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Metodos generales de animación de humanoides

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Metodos  generales de animación de humanoides Powered By Docstoc
					Métodos generales de animación de humanoides
Abraham Sánchez López FCC-BUAP 2004

(c) A. Sánchez L

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Introducción (1)
Observando la evolución de los trabajos en el área de animación de humanoides de síntesis, se pueden distinguir tres grandes problemáticas sobre las cuales se centran los trabajos de investigación:
problemática se deriva de la dificultad de cuantificar y respetar los criterios de realismo frecuentemente expresados por el observador humano. Este es muy sensible a los errores o a las simplificaciones que un modelo de animación/simulación puede producir. Los trabajos se enfocan a formular matemáticamente las restricciones que, aplicadas a los movimientos calculados, aseguran un criterio minimal de realismo. 2. La necesidad de algoritmos cada vez menos costosos en tiempo de cálculo. Esta problemática se deriva esencialmente de la evolución misma de los requerimientos en términos de la animación:

1. La dificultad de volver realista los movimientos calculados. Esta

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Introducción (2)
control interactivo en tiempo real de un avatar, esqueleto cada vez más complejo, número importante de humanoides (animación de personas). Cantidad importante de movimientos realizables por el cuerpo humano Trabajos de investigación, se limitan a la aplicación de algunos movimientos (movimientos elementales, estudiando sus propiedades y adaptando los algoritmos de manera óptima). Locomoción bípeda, movimientos deportivos, etc. 3. Una aplicación de la animación final más intuitiva y lo más rápida posible ( desde el punto de vista del animador). Los costos importantes inducidos por una producción en imágenes de síntesis nos llevan a la búsqueda de nuevos métodos destinados a automatizar la producción.

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Introducción (3)
Los trabajos conducidos desde este punto de vista van de la automatización de procesos vinculados a los sistemas de adquisición, a la edición, la deformación y la adaptación de movimientos de manera intuitiva.

Los numerosos métodos de animación intentan responder a estas problemáticas. Pueden ser divididos en tres grandes familias:
Los métodos cinemáticos que buscan producir un conjunto de efectos (sin interesarse a las causas), a partir de una descripción dada. Los métodos no respetan obligatoriamente las reglas de la física, pero se concentran aún más sobre la cinemática ligada al esqueleto (posiciones, velocidades y aceleraciones de los elementos rígidos). Los métodos cinéticos que agregan el control del centro de masa.

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Introducción (4)
Los métodos dinámicos, basados sobre las leyes fundamentales de la dinámica, que se interesan más particularmente a las causas del movimiento (las fuerzas) y a las aceleraciones, tomando en cuenta las masas corporales y sus inercias.

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Métodos de animación cinemáticos (1)
Uno de los primeros métodos consiste en suponer que las trayectorias articulares son funciones definidas por pedazos (Sturman86). Una trayectoria θi(t) proporciona la orientación de la í-ésima articulación en el tiempo y se representa por una serie de n posiciones claves (θi(t), tn). Los datos intermedios son obtenidos por interpolación. Este método se aproxima a las técnicas tradicionales de animación que consisten en solo retener ciertas posiciones claves y de completar el movimiento al final. La fase de concepción es simplificada en relación a los métodos que buscan representar estas trayectorias punto por punto, el animador debe por lo menos efectuar una serie de pruebas/errores para llegar al movimiento deseado.
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Métodos de animación cinemáticos (2)
Existe una dependencia entre el tipo de interpolación utilizado, donde la calidad del movimiento depende de la elección de las posiciones claves. El movimiento tiene una tendencia a parecer demasiado “alisado”. La representación cinemática del movimiento por posiciones claves permite obtener trayectorias de origen que pueden ser utilizadas para la animación. No obstante, en el caso de animación interactiva de humanoides a menudo se desea mezclar o modificar estos movimientos de origen con el fin de adaptarlos al medio ambiente o a los deseos del animador. Una primer respuesta a este tipo de problemas consiste en mezclar de manera interactiva las trayectorias cinemáticas de referencia proyectándolas previamente en un espacio apropiado.
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Métodos de animación cinemáticos (3)
La figura muestra la utilización de esta técnica para una movimiento de control a nivel frontal. En una primer instancia, una serie de movimientos de la misma naturaleza se adquieren (Fig. a). La animación interactiva final necesita el control de la mano utilizada para el control. Los movimientos de referencia son, en una segunda instancia, proyectados en un espacio estructurado con el fin de localizar rápidamente los movimientos aproximando una posición deseada de la mano (Fig. b). Al final, la animación calcula en tiempo real, para una posición deseada, la postura correspondiente interpolando las trayectorias de referencia aproximadas con la ayuda de splines. Este método proporciona buenos resultados visuales pero necesita la especificación de un espacio estructurado limitando las posibles interacciones del usuario (Wiley97).
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Métodos de animación cinemáticos (4)
Interpolación de los movimientos de referencia

Movimientos capturados de origen

Movimientos proyectados sobre un espacio estructurado

Control interactivo a partir de los movimientos de referencia.

Guo y Roseberge (96) proponen un método de interpolación de trayectorias representadas cada una por un conjunto de posiciones claves. En una primera instancia, las deformaciones temporales (dilataciones y/o compresiones) se efectúan sobre cada movimiento de referencia con el fin de obtener movimientos sincronizados.
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Métodos de animación cinemáticos (5)
Modificando los parámetros temporales de posiciones claves, es entonces posible sincronizar varios movimientos de la misma naturaleza como la marcha o carrera. La mezcla de trayectorias sincronizadas se efectúa por lo tanto por combinación lineal (o suma ponderada). Esta técnica se ha aplicado a la locomoción humana considerando cuatro gestiones tipo: pasos cortos (ssw), pasos largos (lsw), carrera a pasos cortos (ssr) y carrera a largos pasos (lsr).

Una trayectoria articular descrita a partir de cuatro gestiones de referencia.

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Métodos de animación cinemáticos (6)
Rose et al (98), han generalizado este enfoque clasificando diversos movimientos de referencia siguiendo el tipo de acción (marcha, salto, prensión, …). Para una acción dada, un conjunto de actitudes características se toman en cuenta (triste-contento, fatigado-en forma, estresado-relajado,…). Estas escalas de actitud forman un espacio estructurado sobre el cual cada movimiento puede ser posicionado. Al final los movimientos de referencia de la misma naturaleza (misma acción) son mezclados interpolando/extrapolando las trayectorias sobre el espacio de actitudes características. Los algoritmos de cinemática inversa se aplican enseguida sobre el nuevo movimiento obtenido con el fin de asegurar la consideración de ciertas restricciones cinemáticas.
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Métodos de animación cinemáticos (7)
Boulic propuso una mezcla ponderada de trayectorias articulares resultantes de movimientos elementales (llamadas acciones) que funcionan en paralelo. Para esto, el sistema administra dos listas de acciones: las acciones inactivas y las acciones activas. La ejecución de una acción se descompone en tres fases: una fase de inicialización, una fase de ejecución y una fase de terminación. Una vez activada una acción, esta cambia de lista. La postura final entonces se calcula a partir de las acciones activas. Para realizar la mezcla de acciones, estas deben poseer dos tipos de información: una zona que estipula la parte del esqueleto sobre la cual la acción actúa y una prioridad.
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Métodos de animación cinemáticos (8)
Las prioridades son entonces ordenadas sobre cada zona en función de preferencias establecidas por el usuario. Una acción puede ser:
Exclusiva en relación a todas las acciones activas o únicamente aquellas que actúan sobre la misma zona. Mezclada con las otras acciones sobre una misma zona. El sistema calcula entonces las ponderaciones normalizadas para cada una de las acciones mezcladas. Encadenada a las otras acciones sobre una misma zona si y solo si aquellas están en fase terminal.

Con la ayuda de estos modos operatorios, el sistema determina las ponderaciones asociadas a las trayectorias articulares y obtiene por mezcla la postura final. La mezcla de movimientos elementales con la ayuda de prioridades permite controlar de manera intuitiva un humanoide.
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Métodos de animación cinemáticos (9)
La mezcla cinemática necesita al menos tomar en cuenta la naturaleza de los movimientos elementales con la finalidad de evitar mezclar movimientos incompatibles (por ejemplo, un movimiento de campana pie derecho y de campana pie izquierdo). La mezcla ponderada de movimientos adquiridos necesita cada vez una fase de pre sincronización con el fin de asegurar un mezcla de posturas coherentes. La utilización de movimientos de la misma naturaleza facilita considerablemente la correlación de trayectorias articulares. Muchos trabajos han propuesto una técnica de mezcla similar ampliada a todo tipo de movimientos bípedos cíclicos. La dificultad es entonces especificar las posiciones claves que permiten sincronizar los movimientos de referencia. Ashraf (00, 01) propone una fase de correlación automática identificando las propiedades cinemáticas del movimiento.
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Métodos de animación cinemáticos (10)
Estas técnicas de mezcla de movimientos sincronizados permanecen no obstante limitadas a la naturaleza de los movimientos de referencia (los movimientos cíclicos tienen generalmente una dinámica aproximada). La sincronización entre un ciclo de marcha muy lento y un ciclo de carrera, a menudo provocan distorsiones temporales traduciéndose a aceleraciones angulares poco plausibles. Por otra parte, la interpolación puramente cinemática no garantiza necesariamente un resultado completamente coherente, es necesario utilizar técnicas de modificación con el fin de asegurar ciertas restricciones cinemáticas. Trabajos más recientes han adaptado algoritmos de correlación de imágenes video para localizar las transiciones posibles entre varios movimientos de referencia.

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Deformaciones cinemáticas (1)
La animación de humanoides necesita con frecuencia la necesidad de modificar el movimiento de origen para adaptarlo al ambiente o a las necesidades del usuario. Los métodos de deformación existentes intentan modificar las trayectorias articulares de origen con el fin de satisfacer un conjunto de restricciones cinemáticas. En el caso de un movimiento de toma de objetos, es frecuente modificar el movimiento de origen del brazo para reposicionar la extremidad de la mano en función de la localización del objeto en el ambiente. Las restricciones cinéticas como mantener el equilibrio pueden también ser especificadas. Los algoritmos más comúnmente utilizados para este tipo de aplicaciones son los siguientes:
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Deformaciones cinemáticas (2)
Cinemática directa Cinemática inversa Métodos numéricos de cinemática inversa Métodos analíticos de cinemática inversa Restricciones espacio-temporales

Ejemplos de control de cadena articulada usando cinemática inversa

Generación de un movimiento siguiendo un camino fijo y sobre un terreno

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Deformaciones cinemáticas (3)

Restricciones espacio-temporales asociadas a un movimiento de salto vertical

Generación de movimientos naturales con la ayuda de animación simplistas

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