Techniques de modélisation et d’animation d’avatars connues et usuelles

Squelette d’un avatar

Le squelette du corps humain est composé d’environ 400 articulations plus ou moins complexes. Le squelette filaire d’un avatar est un modèle extrêmement simplifié du squelette complexe humain. Il est généralement constitué de segments rigides (s’apparentant au os), reliés entre eux par des joints (représentant les articulations) et autorisant principalement des rotations .
Suivant leur composition, les différentes articulations du corps humain peuvent posséder un nombre de DDL élevé, leur permettant de réaliser leur fonction en entier. Toutefois, lors de la modélisation du squelette d’un avatar, il est courant de simplifier les modèles articulaires avec un nombre réduit de DDL.

Animation par capture de mouvements

À l’heure actuelle, une des méthodes les plus courantes pour synthétiser des mouvements humains convaincants est d’utiliser des données issues d’un système de capture de mouvements. En appliquant aux joints du squelette de l’avatar la cinématique enregistrée à certains points clefs du corps d’un acrobate, il est possible d’obtenir une synthèse de mouvements humains convaincants. Toutefois, cette méthode seule présente certains désavantages. D’une part, elle est très couteuse. D’autre part, l’éventail des mouvements capturés est limité par des contraintes techniques lors de l’acquisition (espace disponible dans le studio, visibilité des marqueurs positionnés sur l’athlète lors de mouvements très rapides ou complexes). Bien que la synthèse de mouvements obtenue soit visuellement convaincante, elle ne prend pas en compte les principes physiques qui s’appliquent sur le corps humain et ne permet donc pas une validation d’un point de vue plausibilité biomécanique. Enfin, les mouvements synthétisés sont limités à ceux qui ont été capturés ce qui rend l’intégration de l’avatar dans un univers interactif quasi impossible.

Mouvements (ROM)

Les quatre mouvements du membre inférieur utilisés dans cette étude sont issus de la MoCap d’une athlète du CDS spécialisée dans la discipline de la contorsion. Il lui a été demandé de réaliser :
ROM1 : en position debout, élévation du genou gauche (puis droit) vers le buste, tout en gardant la jambe relachée.
ROM2 : en position debout, élévation du genou gauche (puis droit) vers le buste, tout en projetant le pied en avant (coup de pied fouetté).
ROM3 : à partir de la position debout, pas en avant de la jambe gauche avec flexion du genou gauche pour venir poser le genou droit à terre ; idem en sens inverse.
ROM4 : en position debout en T (bras écartés), les deux pieds fixes au sol, rotation du buste vers la gauche puis vers la droite

Utilisation d’images médicales : radiographies biplanes et reconstructions 3D osseuses EOSR de l’athlète

Le placement des joints du squelette filaire est la première étape de l’élaboration d’un avatar. C’est à ce moment que l’on place et détermine la longueur des segments filaire osseux qui restera ensuite fixe au cours de l’animation, formant ainsi une chaine polyarticulée. Lors de l’utilisation de données de MoCap il est nécessaire de modéliser un squelette filaire qui se rapproche le plus des proportions anatomiques de l’acteur/athlète filmé.
Partant de ce principe, nous avons eu l’idée de personnaliser le squelette filaire du membre inférieur de l’avatar au squelette osseux de l’athlète en utilisant des images et reconstructions 3D médicales. À l’aide du système de radiologie basse dose EOSR disponible au CHUM Notre-Dame, nous avons obtenu les informations géométriques osseuses de l’athlète du CDS (dossier éthique CE10.001 et CE09.261).
EOSR est un système d’acquisition de radiographies biplanes (simultanément de face et de profil) d’une personne debout (en charge) dans une cabine. Le résultat est une paire de radiographies du squelette entier de l’athlète . De plus, grâce au logiciel sterEOSR nous avons été capable de reconstruire en 3D le squelette du membre inférieur de l’athlète.
Les algorithmes utilisés pour modéliser les os en 3D à partir de deux plans radiographiques orthogonaux sont basés sur des inférences statistiques et la déformation de modèles génériques suivant la détection des contours osseux .

Utilisation d’information morphométrique : scan 3D de l’enveloppe corporelle externe de l’athlète

Avant de pouvoir animer le squelette filaire de l’avatar, il est nécessaire de le positionner correctement par rapport aux données cinématiques. Concrètement, cela revient à venir placer le squelette filaire au milieu du nuage de points représentants les marqueurs de MoCap, donnant ainsi à l’avatar la position initiale de l’athlète au début du mouvement.
Les données cinématiques étant représentées par un nuage de points dans MayaR , il peut être difficile de se représenter un volume pour correctement placer le squelette filaire à l’intérieur. Afin de faciliter cette tâche de recalage, nous avons eu l’idée d’acquérir le scan 3D de l’enveloppe corporelle externe de l’athlète à l’aide d’un scanner [TC]2R disponible au CDS. Une fois le scan corporel de l’athlète positionné par rapport aux contours corporels légèrement visibles sur les radiographies EOSR nous obtenons un ensemble squelette filaire > reconstructions 3D osseuses > maillage corporel externe de l’athlète.

Traitement des données cinématiques : rigidification des tétraèdres de marqueurs de MoCap pour minimiser la déformation de la peau

Afin de pouvoir visualiser le mouvement réel et le mouvement virtuel en même temps, nous affichons dans une scène MayaR le nuage de points composé des marqueurs de MoCap ainsi que le squelette filaire du membre inférieur de l’avatar. À la première image de chaque ROM, c’est à dire à la position de départ de chaque mouvement, nous mettons en place le réseau de nœuds permettant de calculer les transformations à appliquer à chaque joint au cours du temps.
Il apparait alors visuellement que le mouvement virtuel des segments osseux du squelette filaire ne suit pas exactement le mouvement réel des marqueurs de MoCap. Une partie de cette erreur vient du fait que lors de la capture de mouvement, les marqueurs de MoCap sont placés à même la peau de l’athlète. Or, les muscles travaillent, la peau s’étire et se relâche, engendrant une déformation de la surface sur laquelle les marqueurs sont positionnés.
Un atelier test a été effectué au CDS afin d’observer la déformation de la peau d’une athlète au cours de mouvements acrobatiques. Pour cela, un quadrillage régulier a été peint sur la peau même de l’athlète puis une série de mouvements a été filmée avec une caméra HD. En coloriant par la suite certains carrés du quadrillage à l’aide d’un logiciel comme Photoshop nous pouvons observer l’étirement ou la compression de certaines zones au cours d’une simple flexion du genou par exemple.

 

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Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 REVUE DE LITTÉRATURE 
1.1 Introduction à l’anatomie descriptive et fonctionnelle du membre inférieur 
1.1.1 Hanche
1.1.1.1 Anatomie descriptive de la hanche
1.1.1.2 Anatomie fonctionnelle de la hanche
1.1.2 Genou
1.1.2.1 Anatomie descriptive du genou
1.1.2.2 Anatomie fonctionnelle du genou
1.1.3 Cheville
1.1.3.1 Anatomie descriptive de la cheville
1.1.3.2 Anatomie fonctionnelle de la cheville
1.2 Techniques de modélisation et d’animation d’avatars connues et usuelles
1.2.1 Squelette d’un avatar
1.2.2 Synthèse de mouvements
1.2.2.1 Édition de mouvements point par point
1.2.2.2 Animation par capture de mouvements
1.2.2.3 Animation dynamique
1.2.2.4 Vers une animation hybride
CHAPITRE 2 PROBLÈME ET OBJECTIFS 
CHAPITRE 3 MÉTHODE DE MODÉLISATION ET D’ANIMATION DU MEMBRE INFÉRIEUR 
3.1 Protocole de capture de mouvements 
3.1.1 Mouvements (ROM)
3.1.2 Taille et type de marqueur
3.1.3 Placement des marqueurs
3.2 GÉOMÉTRIE : Modélisation du squelette filaire du membre inférieur de l’avatar 
3.2.1 Utilisation d’images médicales : radiographies biplanes et reconstructions 3D osseuses EOSR de l’athlète
3.2.2 Modélisation du squelette filaire du membre inférieur de l’avatar
3.2.3 Utilisation d’information morphométrique : scan 3D de l’enveloppe corporelle externe de l’athlète
3.2.4 Recalage du squelette filaire de l’avatar par rapport aux données cinématiques
3.3 CINÉMATIQUE : Animation du squelette filaire du membre inférieur de l’avatar 
3.3.1 Sélection des groupes de marqueurs de MoCap pour l’animation des joints
3.3.2 Coordonnées barycentriques et transform node
3.3.3 Traitement des données cinématiques : rigidification des tétraèdres de marqueurs de MoCap pour minimiser la déformation de la peau
3.3.3.1 Algorithme de rigidification et décomposition polaire
3.4 Méthodes d’étude et d’évaluation des résultats
3.4.1 Apport de l’imagerie médicale
3.4.2 Rigidification des données cinématiques : calcul de la somme des arrêtes des tétraèdres
3.4.3 Animation : superposition des squelettes filaires animés avec les données cinématiques brutes et rigidifiées
3.4.3.1 Visualisation
3.4.3.2 Mesure de l’écart de distance entre le mouvement réel et les mouvements virtuels brute et rigidifié
3.4.3.3 Mesure de l’écart de distance entre les têtes de fémur
CHAPITRE 4 RÉSULTATS 
4.1 Apport de l’imagerie médicale 
4.2 Rigidification des tétraèdres de marqueurs
4.3 Animation du squelette filaire avec les données cinématiques brutes et rigidifiées 
4.4 Écarts de distance entre le mouvement réel et les mouvements virtuels 
4.5 Écarts de distance entre les têtes de fémur au cours d’un mouvement
CHAPITRE 5 DISCUSSION
CONCLUSION ET RECOMMANDATIONS

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