From motion capture to interactive virtual worlds : towards unconstrained motion-capture algorithms for real-time performance-driven character animation

This dissertation takes performance-driven character animation as a representative application and advances motion capture algorithms and animation methods to meet its high demands. Existing approaches have either coarse resolution and restricted capture volume, require expensive and complex multi-camera systems, or use intrusive suits and controllers. For motion capture, set-up time is reduced using fewer cameras, accuracy is increased despite occlusions and general environments, initialization is automated, and free roaming is enabled by egocentric cameras. For animation, increased robustness enables the use of low-cost sensors input, custom control gesture definition is guided to support novice users, and animation expressiveness is increased. The important contributions are: 1) an analytic and differentiable visibility model for pose optimization under strong occlusions, 2) a volumetric contour model for automatic actor initialization in general scenes, 3) a method to annotate and augment image-pose databases automatically, 4) the utilization of unlabeled examples for character control, and 5) the generalization and disambiguation of cyclical gestures for faithful character animation. In summary, the whole process of human motion capture, processing, and application to animation is advanced. These advances on the state of the art have the potential to improve many interactive applications, within and outside virtual reality.Diese Arbeit befasst sich mit Performance-driven Character Animation, insbesondere werden Motion Capture-Algorithmen entwickelt um den hohen Anforderungen dieser Beispielanwendung gerecht zu werden. Existierende Methoden haben entweder eine geringe Genauigkeit und einen eingeschränkten Aufnahmebereich oder benötigen teure Multi-Kamera-Systeme, oder benutzen störende Controller und spezielle Anzüge. Für Motion Capture wird die Setup-Zeit verkürzt, die Genauigkeit für Verdeckungen und generelle Umgebungen erhöht, die Initialisierung automatisiert, und Bewegungseinschränkung verringert. Für Character Animation wird die Robustheit für ungenaue Sensoren erhöht, Hilfe für benutzerdefinierte Gestendefinition geboten, und die Ausdrucksstärke der Animation verbessert. Die wichtigsten Beiträge sind: 1) ein analytisches und differenzierbares Sichtbarkeitsmodell für Rekonstruktionen unter starken Verdeckungen, 2) ein volumetrisches Konturenmodell für automatische Körpermodellinitialisierung in genereller Umgebung, 3) eine Methode zur automatischen Annotation von Posen und Augmentation von Bildern in großen Datenbanken, 4) das Nutzen von Beispielbewegungen für Character Animation, und 5) die Generalisierung und Übertragung von zyklischen Gesten für genaue Charakteranimation. Es wird der gesamte Prozess erweitert, von Motion Capture bis hin zu Charakteranimation. Die Verbesserungen sind für viele interaktive Anwendungen geeignet, innerhalb und außerhalb von virtueller Realität

Instrumentation and validation of a robotic cane for transportation and fall prevention in patients with affected mobility

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Física, (especialização em Dispositivos, Microssistemas e Nanotecnologias)O ato de andar é conhecido por ser a forma primitiva de locomoção do ser humano, sendo que este traz muitos benefícios que motivam um estilo de vida saudável e ativo. No entanto, há condições de saúde que dificultam a realização da marcha, o que por consequência pode resultar num agravamento da saúde, e adicionalmente, levar a um maior risco de quedas. Nesse sentido, o desenvolvimento de um sistema de deteção e prevenção de quedas, integrado num dispositivo auxiliar de marcha, seria essencial para reduzir estes eventos de quedas e melhorar a qualidade de vida das pessoas. Para ultrapassar estas necessidades e limitações, esta dissertação tem como objetivo validar e instrumentar uma bengala robótica, denominada Anti-fall Robotic Cane (ARCane), concebida para incorporar um sistema de deteção de quedas e um mecanismo de atuação que possibilite a prevenção de quedas, ao mesmo tempo que assiste a marcha. Para esse fim, foi realizada uma revisão do estado da arte em bengalas robóticas para adquirir um conhecimento amplo e aprofundado dos componentes, mecanismos e estratégias utilizadas, bem como os protocolos experimentais, principais resultados, limitações e desafios em dispositivos existentes. Numa primeira fase, foi estipulado o objetivo de: (i) adaptar a missão do produto; (ii) estudar as necessidades do consumidor; e (iii) atualizar as especificações alvo da ARCane, continuação do trabalho de equipa, para obter um produto com design e engenharia compatível com o mercado. Foi depois estabelecida a arquitetura de hardware e discutidos os componentes a ser instrumentados na ARCane. Em seguida foram realizados testes de interoperabilidade a fim de validar o funcionamento singular e coletivo dos componentes. Relativamente ao controlo de movimento, foi desenvolvido um sistema inovador, de baixo custo e intuitivo, capaz de detetar a intenção do movimento e de reconhecer as fases da marcha do utilizador. Esta implementação foi validada com seis voluntários saudáveis que realizaram testes de marcha com a ARCane para testar sua operabilidade num ambiente de contexto real. Obteve-se uma precisão de 97% e de 90% em relação à deteção da intenção de movimento e ao reconhecimento da fase da marcha do utilizador. Por fim, foi projetado um método de deteção de quedas e mecanismo de prevenção de quedas para futura implementação na ARCane. Foi ainda proposta uma melhoria do método de deteção de quedas, de modo a superar as limitações associadas, bem como a proposta de dispositivos de deteção a serem implementados na ARCane para obter um sistema completo de deteção de quedas.The act of walking is known to be the primitive form of the human being, and it brings many benefits that motivate a healthy and active lifestyle. However, there are health conditions that make walking difficult, which, consequently, can result in worse health and, in addition, lead to a greater risk of falls. Thus, the development of a fall detection and prevention system integrated with a walking aid would be essential to reduce these fall events and improve people quality of life. To overcome these needs and limitations, this dissertation aims to validate and instrument a cane-type robot, called Anti-fall Robotic Cane (ARCane), designed to incorporate a fall detection system and an actuation mechanism that allow the prevention of falls, while assisting the gait. Therefore, a State-of-the-Art review concerning robotic canes was carried out to acquire a broad and in-depth knowledge of the used components, mechanisms and strategies, as well as the experimental protocols, main results, limitations and challenges on existing devices. On a first stage, it was set an objective to (i) enhance the product's mission statement; (ii) study the consumer needs; and (iii) update the target specifications of the ARCane, extending teamwork, to obtain a product with a market-compatible design and engineering that meets the needs and desires of the ARCane users. It was then established the hardware architecture of the ARCane and discussed the electronic components that will instrument the control, sensory, actuator and power units, being afterwards subjected to interoperability tests to validate the singular and collective functioning of cane components altogether. Regarding the motion control of robotic canes, an innovative, cost-effective and intuitive motion control system was developed, providing user movement intention recognition, and identification of the user's gait phases. This implementation was validated with six healthy volunteers who carried out gait trials with the ARCane, in order to test its operability in a real context environment. An accuracy of 97% was achieved for user motion intention recognition and 90% for user gait phase recognition, using the proposed motion control system. Finally, it was idealized a fall detection method and fall prevention mechanism for a future implementation in the ARCane, based on methods applied to robotic canes in the literature. It was also proposed an improvement of the fall detection method in order to overcome its associated limitations, as well as detection devices to be implemented into the ARCane to achieve a complete fall detection system

Entornos multimedia de realidad aumentada en el campo del arte

La relación ente Ciencia y Arte ha mantenido a lo largo de la historia momentos de proximidad o distanciamiento, llegando a entenderse como dos culturas diferentes, pero también se han producido situaciones interdisciplinares de colaboración e intercambio que en nuestros días mantienen como nexo común la cultura digital y el uso del ordenador. Según Berenguer (2002) desde la aparición del ordenador, científicos y artistas están encontrando un espacio común de trabajo y entendimiento. Mediante el empleo de las nuevas tecnologías, la distancia que separa ambas disciplinas es cada vez más corta. En esta tesis, cuyo título es "Entornos Multimedia de Realidad Aumentada en el Campo del Arte", se presenta una investigación teórico-práctica de la tecnología de realidad aumentada aplicada al arte y campos afines, como el edutainment (educación + entretenimiento). La investigación se ha realizado en dos bloques: en el primer bloque se trata la tecnología desde distintos factores que se han considerado relevantes para su entendimiento y funcionamiento; en el segundo se presentan un total de seis ensayos que constituyen la parte práctica de esta tesis.Portalés Ricart, C. (2008). Entornos multimedia de realidad aumentada en el campo del arte [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/3402Palanci