Traitement temps-réel des déformations de la peau et des tissus sous-cutanés pour l'animation de personnages

Caroline Larboulette (1, 2)

1 EVASION - Virtual environments for animation and image synthesis of natural objects
2 SIAMES - Computer generated images, animation, modeling and simulation

Traditional animation of characters relies on the design of an external shape, called the skin, and an internal skeleton, composed of a hierarchy of frames, which enables one to control the deformation of the skin in a consistent and predictable way. Since it is relatively efficient, this skinning technique is widely used in computer graphics production environments. However, it also has inherent limitations. Even if a large amount of research work were to solve the other known deficiencies of the technique, the fundamental issue remains that some types of deformations can never be generated by it. Examples of this are the dynamic wrinkles of skin or clothes near joints, or inertia effects of muscles and fatty tissues when sharp movements are involved. In this thesis, we propose two modeling and animation techniques which address those specific problems, and which can be used to enhance existing animation sequences. Our first contribution addresses the addition of dynamic effects which are typical for the muscles/fatty tissues layer to kinematic deformations obtained through skinning or an equivalent technique. The dynamic effects are computed using a simplification of linear elasticity theory. To this end, dynamic elements which associate damped spring vibrations with a set of per vertex weights for the mesh, perform a so called dynamic skinning. The location, frequency and amplitude of the effects can be specified in a straightforward way by the user. On top of this layer comes a thin surface which can either represent the skin or clothes. This surface of almost constant area follows muscle and fatty tissue deformations by wrinkling when it gets compressed. In order to guide this behavior the user interactively positions and orients a deformable control curve of constant length on a mesh, and speciflies its region of influence. During the animation geometric folds are generated in real-time in the regions covered by the tool, and the mesh is locally refined on the fly where and when needed.

L'animation traditionnelle de personnages repose sur la création d'une enveloppe externe, appelée la peau, et d'un squelette interne constitué d'une hiérarchie de reperes permettant de la déformer. De par son efficacité, le skinning est la technique de prédilection des infographistes. Cependant, bien que de nombreux travaux aient permis de résoudre les problemes notoires de la méthode, certains types de déformations ne peuvent toujours pas être générés. On y retrouve les plis dynamiques de la peau ou des vêtements au niveau des articulations ou bien les effets d'inertie des masses musculaires et graisseuses lors de mouvements secs et rapides. Dans cette these, nous proposons deux techniques de modélisation et d'animation traitant ces problemes spécifiques qui peuvent être utilisées sur une animation existante pour en accroître le réalisme. Notre premiere contribution s'attache a ajouter, en temps-réel, des déformations dynamiques de la couche muscles/graisse aux déformations cinématiques obtenues par skinning ou tout autre technique équivalente. L'effet dynamique est calculé a travers une simplification des lois de l'élasticité linéaire. Pour cela, des éléments dynamiques associant les vibrations d'un ressort a un ensemble de poids assignés aux sommets du maillage permettent d'effectuer un skinning dynamique. L'emplacement, la fréquence et l'amplitude de ces effets sont spécifiés, de maniere très simple, par l'utilisateur. Sur cette couche vient se greffer une surface fine qui peut être soit la peau, soit directement un vêtement. Cette surface, d'aire quasiment constante, suit les déformations des muscles et des tissus graisseux tout en plissant lorsqu'elle se retrouve compressée. Pour cela, l'utilisateur positionne et oriente une courbe de contrôle qui se déforme a longueur constante et spécifie sa région d'influence. Pendant l'animation, des plis géométriques sont générés en temps-réel dans les zones couvertes par l'outil, le maillage étant raffiné localement a la volée.

Mots clés: modeling; real-time; wrinkles; dynamics; inertia; character

Mots clés: modélisation; animation; temps-réel; plis; dynamique; inertie; personnage

Domaines: Modélisation et simulation; Interface homme-machine [cs.HC]

Caroline Larboulette. Traitement temps-réel des déformations de la peau et des tissus sous-cutanés pour l'animation de personnages. Modélisation et simulation. INSA de Rennes, 2004. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00528651⟩