Functionality-Driven Musculature Retargeting

We present a novel retargeting algorithm that transfers the musculature of a reference anatomical model to new bodies with different sizes, body proportions, muscle capability, and joint range of motion while preserving the functionality of the original musculature as closely as possible. The geometric configuration and physiological parameters of musculotendon units are estimated and optimized to adapt to new bodies. The range of motion around joints is estimated from a motion capture dataset and edited further for individual models. The retargeted model is simulation-ready, so we can physically simulate muscle-actuated motor skills with the model. Our system is capable of generating a wide variety of anatomical bodies that can be simulated to walk, run, jump and dance while maintaining balance under gravity. We will also demonstrate the construction of individualized musculoskeletal models from bi-planar X-ray images and medical examinations.Comment: 15 pages, 20 figure

Breathing Life Into Biomechanical User Models

Forward biomechanical simulation in HCI holds great promise as a tool for evaluation, design, and engineering of user interfaces. Although reinforcement learning (RL) has been used to simulate biomechanics in interaction, prior work has relied on unrealistic assumptions about the control problem involved, which limits the plausibility of emerging policies. These assumptions include direct torque actuation as opposed to muscle-based control; direct, privileged access to the external environment, instead of imperfect sensory observations; and lack of interaction with physical input devices. In this paper, we present a new approach for learning muscle-actuated control policies based on perceptual feedback in interaction tasks with physical input devices. This allows modelling of more realistic interaction tasks with cognitively plausible visuomotor control. We show that our simulated user model successfully learns a variety of tasks representing different interaction methods, and that the model exhibits characteristic movement regularities observed in studies of pointing. We provide an open-source implementation which can be extended with further biomechanical models, perception models, and interactive environments.publishedVersio

Implicit muscle models for interactive character skinning

En animation de personnages 3D, la déformation de surface, ou skinning, est une étape cruciale. Son rôle est de déformer la représentation surfacique d'un personnage pour permettre son rendu dans une succession de poses spécifiées par un animateur. La plausibilité et la qualité visuelle du résultat dépendent directement de la méthode de skinning choisie. Sa rapidité d'exécution et sa simplicité d'utilisation sont également à prendre en compte pour rendre possible son usage interactif lors des sessions de production des artistes 3D. Les différentes méthodes de skinning actuelles se divisent en trois catégories. Les méthodes géométriques sont rapides et simples d'utilisation, mais leur résultats manquent de plausibilité. Les approches s'appuyant sur des exemples produisent des résultats réalistes, elles nécessitent en revanche une base de données d'exemples volumineuse, et le contrôle de leur résultat est fastidieux. Enfin, les algorithmes de simulation physique sont capables de modéliser les phénomènes dynamiques les plus complexes au prix d'un temps de calcul souvent prohibitif pour une utilisation interactive. Les travaux décrits dans cette thèse s'appuient sur Implicit Skinning, une méthode géométrique corrective utilisant une représentation implicite des surfaces, qui permet de résoudre de nombreux problèmes rencontrés avec les méthodes géométriques classiques, tout en gardant des performances permettant son usage interactif. La contribution principale de ces travaux est un modèle d'animation qui prend en compte les effets des muscles des personnages et de leur interactions avec d'autres éléments anatomiques, tout en bénéficiant des avantages apportés par Implicit Skinning. Les muscles sont représentés par une surface d'extrusion le long d'axes centraux. Les axes des muscles sont contrôlés par une méthode de simulation physique simplifiée. Cette représentation permet de modéliser les collisions des muscles entre eux et avec les os, d'introduire des effets dynamiques tels que rebonds et secousses, tout en garantissant la conservation du volume, afin de représenter le comportement réel des muscles. Ce modèle produit des déformations plus plausibles et dynamiques que les méthodes géométriques de l'état de l'art, tout en conservant des performances suffisantes pour permettre son usage dans une session d'édition interactive. Elle offre de plus aux infographistes un contrôle intuitif sur la forme des muscles pour que les déformations obtenues se conforment à leur vision artistique.Surface deformation, or skinning is a crucial step in 3D character animation. Its role is to deform the surface representation of a character to be rendered in the succession of poses specified by an animator. The quality and plausiblity of the displayed results directly depends on the properties of the skinning method. However, speed and simplicity are also important criteria to enable their use in interactive editing sessions. Current skinning methods can be divided in three categories. Geometric methods are fast and simple to use, but their results lack plausibility. Example-based approaches produce realistic results, yet they require a large database of examples while remaining tedious to edit. Finally, physical simulations can model the most complex dynamical phenomena, but at a very high computational cost, making their interactive use impractical. The work presented in this thesis are based on, Implicit Skinning, is a corrective geometric approach using implicit surfaces to solve many issues of standard geometric skinning methods, while remaining fast enough for interactive use. The main contribution of this work is an animation model that adds anatomical plausibility to a character by representing muscle deformations and their interactions with other anatomical features, while benefiting from the advantages of Implicit Skinning. Muscles are represented by an extrusion surface along a central axis. These axes are driven by a simplified physics simulation method, introducing dynamic effects, such as jiggling. The muscle model guarantees volume conservation, a property of real-life muscles. This model adds plausibility and dynamics lacking in state-of-the-art geometric methods at a moderate computational cost, which enables its interactive use. In addition, it offers intuitive shape control to animators, enabling them to match the results with their artistic vision