Velocity based controllers for dynamic character animation

Dynamic character animation is a technique used to create character movements based on physics laws. Proportional derivative (PD) controllers are one of the preferred techniques in real time character simulations for driving the state of the character from its current state to a new target-state. In this paper is presented an alternative approach named velocity based controllers that are able to introduce into the dynamical system desired limbs relative velocities as constraints. As a result, the presented technique takes into account all the dynamical system to calculate the forces that transform our character from its current state to the target-state. This technique allows realtime simulation, uses a straightforward parameterization for the character muscle force capabilities and it is robust to disturbances. The paper shows the controllers capabilities for the case of human gait animation.Postprint (published version

Push Recovery Through Walking Phase Modification for Bipedal Locomotion

Ph.DDOCTOR OF PHILOSOPH

Motion capture based motion analysis and motion synthesis for human-like character animation.

Motion capture technology is recognised as a standard tool in the computer animation pipeline. It provides detailed movement for animators; however, it also introduces problems and brings concerns for creating realistic and convincing motion for character animation. In this thesis, the post-processing techniques are investigated that result in realistic motion generation. Anumber of techniques are introduced that are able to improve the quality of generated motion from motion capture data, especially when integrating motion transitions from different motion clips. The presented motion data reconstruction technique is able to build convincing realistic transitions from existing motion database, and overcome the inconsistencies introduced by traditional motion blending techniques. It also provides a method for animators to re-use motion data more efficiently. Along with the development of motion data transition reconstruction, the motion capture data mapping technique was investigated for skeletal movement estimation. The per-frame based method provides animators with a real-time and accurate solution for a key post-processing technique. Although motion capture systems capture physically-based motion for character animation, no physical information is included in the motion capture data file. Using the knowledge of biomechanics and robotics, the relevant information for the captured performer are able to be abstracted and a mathematical-physical model are able to be constructed; such information is then applied for physics-based motion data correction whenever the motion data is edited

Mesh modification using deformation gradients

Thesis (Ph. D.)--Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Electrical Engineering and Computer Science, 2005.This electronic version was submitted by the student author. The certified thesis is available in the Institute Archives and Special Collections.Includes bibliographical references (p. 117-131).Computer-generated character animation, where human or anthropomorphic characters are animated to tell a story, holds tremendous potential to enrich education, human communication, perception, and entertainment. However, current animation procedures rely on a time consuming and difficult process that requires both artistic talent and technical expertise. Despite the tremendous amount of artistry, skill, and time dedicated to the animation process, there are few techniques to help with reuse. Although individual aspects of animation are well explored, there is little work that extends beyond the boundaries of any one area. As a consequence, the same procedure must be followed for each new character without the opportunity to generalize or reuse technical components. This dissertation describes techniques that ease the animation process by offering opportunities for reuse and a more intuitive animation formulation. A differential specification of arbitrary deformation provides a general representation for adapting deformation to different shapes, computing semantic correspondence between two shapes, and extrapolating natural deformation from a finite set of examples.(cont.) Deformation transfer adds a general-purpose reuse mechanism to the animation pipeline by transferring any deformation of a source triangle mesh onto a different target mesh. The transfer system uses a correspondence algorithm to build a discrete many-to-many mapping between the source and target triangles that permits transfer between meshes of different topology. Results demonstrate retargeting both kinematic poses and non-rigid deformations, as well as transfer between characters of different topological and anatomical structure. Mesh-based inverse kinematics extends the idea of traditional skeleton-based inverse kinematics to meshes by allowing the user to pose a mesh via direct manipulation. The user indicates the dass of meaningful deformations by supplying examples that can be created automatically with deformation transfer, sculpted, scanned, or produced by any other means. This technique is distinguished from traditional animation methods since it avoids the expensive character setup stage. It is distinguished from existing mesh editing algorithms since the user retains the freedom to specify the class of meaningful deformations. Results demonstrate an intuitive interface for posing meshes that requires only a small amount of user effort.by Robert Walker Sumner.Ph.D

Animation basée sur la physique : extrapolation de mouvements humains plausibles et réalistes par optimisation incrémentale

L'objectif de nos travaux est de faire la synthèse de mouvements plausibles et réalistes de marche humaine dans divers environnements de synthèse. Bien que la solution proposée puisse également s'appliquer aux autres mouvements de locomotion humains ou animaux, nos travaux traitent uniquement du problème de la marche humaine. Afin de résoudre ce problème, nous avons développé une approche permettant de générer une multitude de variations d'une animation issue de capture de mouvement. Ces variations sont obtenues en adaptant le mouvement original à un environnement de synthèse dont les paramètres, tels que l'inclinaison du sol ou la courbure de la trajectoire, sont variés. Nous sommes donc en mesure de produire un mouvement de marche courbe ou de marche sur un plan incliné à partir d'un mouvement de marche en ligne droite sur un sol horizontal, ce que nous qualifions d'extrapolation de mouvement. Une animation initiale, obtenue par capture de mouvement, est essentielle à la solution proposée. Adapter ce mouvement à un nouvel environnement de synthèse consiste essentiellement à ajuster les caractéristiques globales du mouvement, telles que l'orientation du personnage et sa vitesse de déplacement. Ce faisant, nous sommes en mesure de conserver les détails plus fins du mouvement qui lui confèrent son aspect humain, tels que le mouvement des bras ou la vitesse avec laquelle un pied entre en contact avec le sol. En conservant les détails fins du mouvement d'origine, la solution proposée assure un certain réalisme dans les mouvements synthétisés. Dans la solution proposée, l'adaptation du mouvement initial est basée sur le paradigme des contraintes spatio-temporelles, où la synthèse du mouvement est posée comme un problème d'optimisation numérique. En plus d'être une formulation élégante du problème, ce paradigme est tout indiqué pour faire la synthèse de mouvements physiquement plausibles. En combinant ce paradigme avec l'utilisation d'une animation initiale issue de capture de mouvement, nous sommes en mesure de produire des animations de mouvements humains plausibles et réalistes. En pratique, le problème d'optimisation sous-tendu par l'adaptation d'un mouvement par contraintes spatio-temporelles est fortement non linéaire et opère dans un espace à très grande dimensionnalité. Cette complexité peut fortement ralentir le processus d'optimisation et aller jusqu'à en empêcher la convergence. La solution proposée fait donc appel à plusieurs mécanismes afin de réduire cette complexité. Notons qu'aucun de ces mécanismes ne vient compromettre la polyvalence de l'approche, en limitant la complexité du modèle biomécanique du personnage par exemple. Parmi ces mécanismes, deux sont des contributions originales : une technique d'estimation rapide des forces de réaction du sol et une approche d'optimisation incrémentale. Ces deux mécanismes visent à simplifier le processus d'optimisation en fournissant une solution initiale très proche de la solution optimale. La technique d'estimation des forces de réaction du sol sert à donner à ces paramètres une valeur initiale qui est relativement proche de leur valeur optimale, ce qui simplifie significativement la tâche d'optimisation subséquente. Cette technique consiste à trouver, pour les phases de support double, les forces de réaction du sol minimisant l'effort interne du personnage. Ce problème peut être exprimé comme une séquence de sous-problèmes de programmation quadratiques. Cette formulation est un aspect central de notre contribution et elle permet d'atteindre la solution très efficacement. L'approche d'optimisation incrémentale proposée s'inspire des méthodes de continuation. Le mouvement original est considéré comme une solution, un mouvement optimal, pour l'environnement de capture. L'environnement de synthèse est ensuite modifié graduellement, en augmentant l'inclinaison du sol par petits incréments par exemple. À chaque incrément, un nouveau mouvement optimal est trouvé en utilisant la solution de l'incrément précédent comme point de départ. On procède de la sorte jusqu'à l'obtention du mouvement désiré pour l'environnement de synthèse considéré. Si les incréments sont suffisamment petits, la différence entre deux problèmes d'optimisation consécutifs sera petite et il en sera de même pour leur optimum respectif