Posing 3D Models from Drawing

Inferring the 3D pose of a character from a drawing is a complex and under-constrained problem. Solving it may help automate various parts of an animation production pipeline such as pre-visualisation. In this paper, a novel way of inferring the 3D pose from a monocular 2D sketch is proposed. The proposed method does not make any external assumptions about the model, allowing it to be used on different types of characters. The inference of the 3D pose is formulated as an optimisation problem and a parallel variation of the Particle Swarm Optimisation algorithm called PARAC-LOAPSO is utilised for searching the minimum. Testing in isolation as well as part of a larger scene, the presented method is evaluated by posing a lamp, a horse and a human character. The results show that this method is robust, highly scalable and is able to be extended to various types of models

Proof of Concept For the Use of Motion Capture Technology In Athletic Pedagogy

Visualization has long been an important method for conveying complex information. Where information transfer using written and spoken means might amount to 200-250 words per minute, visual media can often convey information at many times this rate. This makes visualization a potentially important tool for education. Athletic instruction, particularly, can involve communication about complex human movement that is not easily conveyed with written or spoken descriptions. Video based instruction can be problematic since video data can contain too much information, thereby making it more difficult for a student to absorb what is cognitively necessary. The lesson is to present the learner what is needed and not more. We present a novel use of motion capture animation as an educational tool for teaching athletic movements. The advantage of motion capture is its ability to accurately represent real human motion in a minimalist context which removes extraneous information normally found in video. Motion capture animation only displays motion information, not additional information regarding the motion context. Producing an “automated coach” would be too large and difficult a problem to solve within the scope of a Master's thesis but we can perform initial steps including producing a useful software tool which performs data analysis on two motion datasets. We believe such a tool would be beneficial to a human coach as an analysis tool and the work would provide some useful understanding of next important steps towards perhaps someday producing an automated coach

Acceleration Skinning: Kinematics-Driven Cartoon Effects for Articulated Characters

Secondary effects are key to adding fluidity and style to animation. This thesis introduces the idea of “Acceleration Skinning” following a recent well-received technique, Velocity Skinning, to automatically create secondary motion in character animation by modifying the standard pipeline for skeletal rig skinning. These effects, which animators may refer to as squash and stretch or drag, attempt to create an illusion of inertia. In this thesis, I extend the Velocity Skinning technique to include acceleration for creating a wider gamut of cartoon effects. I explore three new deformers that make use of this Acceleration Skinning framework: followthrough, centripetal stretch, and centripetal lift deformers. The followthrough deformer aims at recreating this classic effect defined in the fundamental principles of animation. The centripetal stretch and centripetal lift deformers use rotational motion to create radial stretching and lifting effects, as the names suggest. I explore the use of effect-specific time filtering when combining these various deformations together, allowing for more stylized and aesthetic results. I finally conclude with a production evaluation, exploring possible ways in which these techniques can be used to enhance the work of an animator without losing the essence of their art

Animation de personnages 3D par le sketching 2D

Free-form animation allows for exaggerated and artistic styles of motions such as stretching character limbs and animating imaginary creatures such as dragons. Creating these animations requires tools flexible enough to shape characters into arbitrary poses, and control motion at any instant in time. The current approach to free-form animation is keyframing: a manual task in which animators deform characters at individual instants in time by clicking-and-dragging individual body parts one at a time. While this approach is flexible, it is challenging to create quality animations that follow high-level artistic principles---as keyframing tools only provide localized control both spatially and temporally. When drawing poses and motions, artists rely on different sketch-based abstractions that help fulfill high-level aesthetic and artistic principles. For instance, animators will draw textit{lines of action} to create more readable and textit{expressive} poses. To coordinate movements, animators will sketch textit{motion abstractions} such as semi-circles and loops to coordinate a bouncing and rolling motions. Unfortunately, these drawing tools are not part of the free-form animation tool set today. The fact that we cannot use the same artistic tools for drawing when animating 3D characters has an important consequence: 3D animation tools are not involved in the creative process. Instead, animators create by first drawing on paper, and only later are 3D animation tools used to fulfill the pose or animation. The reason we do not have these artistic tools (the line of action, and motion abstractions) in the current animation tool set is because we lack a formal understanding relating the character's shape---possible over time---to the drawn abstraction's shape. Hence the main contribution of this thesis is a formal understanding of pose and motion abstractions (line of action and motion abstractions) together with a set of algorithms that allow using these tools in a free-form setting. As a result, the techniques described in this thesis allow exaggerated poses and movements that may include squash and stretch, and can be used with various character morphologies. These pose and animation drafting tools can be extended. For instance, an animator can sketch and compose different layers of motion on top of one another, add twist around strokes, or turning the strokes into elastic ribbons. The main contributions of this thesis are summarized as follows: -The line of action facilitating expressive posing by directly sketching the overall flow of the character's pose. -The space-time curve allowing to draft full coordinated movements with a single stroke---applicable to arbitrary characters. -A fast and robust skeletal line matching algorithm that supports squash-and-stretch. -Elastic lines of action with dynamically constrained bones for driving the motion of a multi-legged character with a single moving 2D line.L'animation expressive permet des styles de mouvements exagerés et artistiques comme l'étirement de parties du corps ou encore l'animation de créatures imaginaires comme un dragon. Créer ce genre d'animation nécessite des outils assez flexible afin de déformer les personnages en des poses quelconques, ainsi que de pouvoir contrôler l'animation à tout moment dans le temps. L'approche acutelle pour l'animation expressive est le keyframing: une approche manuelle avec laquelle les animateurs déforment leur personnage un moment spécifique dans le temps en cliquand et glissant la souris sur une partis spécifique du corps---un à la fois. Malgré le fait que cette approche soit flexible, il est difficile de créer des animations de qualité qui suivent les principes artistiques, puisque le keyframing permet seulement qu'un contrôle local spatiallement et temporellement. Lorsqu'ils dessinent des poses ou des mouvements, les artistes s'appuient sur différentes abstractions sous forme de croquis qui facillitent la réalisation de certain principes artistiques. Par example, certains animateurs dessinent des lignes d'action afin de créer une pose plus lisible et expressive. Afin de coordonner un mouvement, les animateurs vont souvent dessiner des abstractions de mouvement comme des demi-cercles pour des sauts, ou des boucles pour des pirouettes---leur permettant de pratiquer la coordination du mouvement. Malheureusement, ces outils artistiques ne font pas partis de l'ensemble d'outils de keyframing actuelle. Le fait que l'on ne puisse pas employer les même outils artistiques pour animater des personnages 3D a une forte conséquence: les outils d'animation 3D ne sont pas employés dans le processus créatif. Aujourd'hui, les animateurs créent sur du papier et utilisent le keyframing seulement à la fin pour réaliser leur animation. La raison pour laquelle nous n'avons pas ces outils artistiques (ligne d'action, abstractions de mouvement) en animation 3D, est parce qu'il manque une compréhension formelle de ceux-ci qui nous permettrais d'exprimer la forme du personnage---potentiellement au cours du temps---en fonction de la forme de ces croquis. Ainsi la contribution principale de cette thèse est une compréhension formelle et mathématique des abstractions de forme et de mouvement courrament employées par des artistes, ainsi qu'un ensemble d'algorithme qui permet l'utilisation de ces outils artistiques pour créer des animations expressives. C'est-à-dire que les outils développés dans cette thèse permettent d'étirer des parties du corps ainsi que d'animer des personnages de différentes morphologies. J'introduis aussi plusieurs extentions à ces outils. Par example, j'explore l'idée de sculpter du mouvement en permettant à l'artiste de dessigner plusieurs couches de mouvement une par dessus l'autre, de twister en 3D les croquis, ou encore d'animer un croquis ligne comme un élastique. Les contributions principales de cette thèse, aussi résumé ci-dessous: -La ligne d'action facilitant la création de poses expressives en dessinant directement le flow complet du personnage. -La courbe spatio-temporelle qui permet de spécifier un mouvement coordoné complet avec un seul geste (en dessinant une seule courbe), applicable à n'importe quel personnage 3D. -Un algorithme de matching rapide et robuste qui permet du ``squash and stretch''. -La ligne d'action élastique avec des attachements dynamiques à la ligne permettant d'animer un personnages à plusieurs jambes (bras) avec une seule ligne 2D animée

Animation de personnages 3D par le sketching 2D

Free-form animation allows for exaggerated and artistic styles of motions such as stretching character limbs and animating imaginary creatures such as dragons. Creating these animations requires tools flexible enough to shape characters into arbitrary poses, and control motion at any instant in time. The current approach to free-form animation is keyframing: a manual task in which animators deform characters at individual instants in time by clicking-and-dragging individual body parts one at a time. While this approach is flexible, it is challenging to create quality animations that follow high-level artistic principles---as keyframing tools only provide localized control both spatially and temporally. When drawing poses and motions, artists rely on different sketch-based abstractions that help fulfill high-level aesthetic and artistic principles. For instance, animators will draw textit{lines of action} to create more readable and textit{expressive} poses. To coordinate movements, animators will sketch textit{motion abstractions} such as semi-circles and loops to coordinate a bouncing and rolling motions. Unfortunately, these drawing tools are not part of the free-form animation tool set today. The fact that we cannot use the same artistic tools for drawing when animating 3D characters has an important consequence: 3D animation tools are not involved in the creative process. Instead, animators create by first drawing on paper, and only later are 3D animation tools used to fulfill the pose or animation. The reason we do not have these artistic tools (the line of action, and motion abstractions) in the current animation tool set is because we lack a formal understanding relating the character's shape---possible over time---to the drawn abstraction's shape. Hence the main contribution of this thesis is a formal understanding of pose and motion abstractions (line of action and motion abstractions) together with a set of algorithms that allow using these tools in a free-form setting. As a result, the techniques described in this thesis allow exaggerated poses and movements that may include squash and stretch, and can be used with various character morphologies. These pose and animation drafting tools can be extended. For instance, an animator can sketch and compose different layers of motion on top of one another, add twist around strokes, or turning the strokes into elastic ribbons. The main contributions of this thesis are summarized as follows: -The line of action facilitating expressive posing by directly sketching the overall flow of the character's pose. -The space-time curve allowing to draft full coordinated movements with a single stroke---applicable to arbitrary characters. -A fast and robust skeletal line matching algorithm that supports squash-and-stretch. -Elastic lines of action with dynamically constrained bones for driving the motion of a multi-legged character with a single moving 2D line.L'animation expressive permet des styles de mouvements exagerés et artistiques comme l'étirement de parties du corps ou encore l'animation de créatures imaginaires comme un dragon. Créer ce genre d'animation nécessite des outils assez flexible afin de déformer les personnages en des poses quelconques, ainsi que de pouvoir contrôler l'animation à tout moment dans le temps. L'approche acutelle pour l'animation expressive est le keyframing: une approche manuelle avec laquelle les animateurs déforment leur personnage un moment spécifique dans le temps en cliquand et glissant la souris sur une partis spécifique du corps---un à la fois. Malgré le fait que cette approche soit flexible, il est difficile de créer des animations de qualité qui suivent les principes artistiques, puisque le keyframing permet seulement qu'un contrôle local spatiallement et temporellement. Lorsqu'ils dessinent des poses ou des mouvements, les artistes s'appuient sur différentes abstractions sous forme de croquis qui facillitent la réalisation de certain principes artistiques. Par example, certains animateurs dessinent des lignes d'action afin de créer une pose plus lisible et expressive. Afin de coordonner un mouvement, les animateurs vont souvent dessiner des abstractions de mouvement comme des demi-cercles pour des sauts, ou des boucles pour des pirouettes---leur permettant de pratiquer la coordination du mouvement. Malheureusement, ces outils artistiques ne font pas partis de l'ensemble d'outils de keyframing actuelle. Le fait que l'on ne puisse pas employer les même outils artistiques pour animater des personnages 3D a une forte conséquence: les outils d'animation 3D ne sont pas employés dans le processus créatif. Aujourd'hui, les animateurs créent sur du papier et utilisent le keyframing seulement à la fin pour réaliser leur animation. La raison pour laquelle nous n'avons pas ces outils artistiques (ligne d'action, abstractions de mouvement) en animation 3D, est parce qu'il manque une compréhension formelle de ceux-ci qui nous permettrais d'exprimer la forme du personnage---potentiellement au cours du temps---en fonction de la forme de ces croquis. Ainsi la contribution principale de cette thèse est une compréhension formelle et mathématique des abstractions de forme et de mouvement courrament employées par des artistes, ainsi qu'un ensemble d'algorithme qui permet l'utilisation de ces outils artistiques pour créer des animations expressives. C'est-à-dire que les outils développés dans cette thèse permettent d'étirer des parties du corps ainsi que d'animer des personnages de différentes morphologies. J'introduis aussi plusieurs extentions à ces outils. Par example, j'explore l'idée de sculpter du mouvement en permettant à l'artiste de dessigner plusieurs couches de mouvement une par dessus l'autre, de twister en 3D les croquis, ou encore d'animer un croquis ligne comme un élastique. Les contributions principales de cette thèse, aussi résumé ci-dessous: -La ligne d'action facilitant la création de poses expressives en dessinant directement le flow complet du personnage. -La courbe spatio-temporelle qui permet de spécifier un mouvement coordoné complet avec un seul geste (en dessinant une seule courbe), applicable à n'importe quel personnage 3D. -Un algorithme de matching rapide et robuste qui permet du ``squash and stretch''. -La ligne d'action élastique avec des attachements dynamiques à la ligne permettant d'animer un personnages à plusieurs jambes (bras) avec une seule ligne 2D animée