Интерактивное моделирование на основе скелетов

Интерактивное моделирование на основе скелета (или Интерактивные динамические деформации на основе скелета ) — это метод научного компьютерного моделирования, используемый для аппроксимации реалистичных физических деформаций динамических тел в реальном времени . Он предполагает использование упругой динамики и математической оптимизации для определения формы тела во время движения и взаимодействия с силами . Он имеет различные приложения в рамках реалистичного моделирования в медицине , компьютерной 3D-анимации и виртуальной реальности .

Фон

Методы моделирования деформации, например изменения формы динамических тел, требуют интенсивных расчетов, и было разработано несколько моделей. Некоторые из них известны как деформация свободной формы , деформация скелета , динамическая деформация и анатомическое моделирование . Скелетная анимация хорошо известна в компьютерной анимации и трехмерном моделировании персонажей. Из-за нечувствительности вычислений при моделировании доступно лишь несколько интерактивных систем, которые реально могут моделировать динамические тела в реальном времени . Возможность взаимодействия с такой реалистичной 3D-моделью будет означать, что расчеты придется выполнять в пределах частоты кадров , приемлемой для пользовательского интерфейса .

Недавние исследования позволили использовать ранее разработанные модели и методы для обеспечения достаточно эффективного и реалистичного моделирования. Перспективы этой техники могут быть столь же широко распространены, как имитация выражения человеческого лица для восприятия имитации человеческого актера в реальном времени или других клеточных организмов . Использование скелетных ограничений и параметризованной силы для расчета деформаций также дает возможность сопоставить то, как отдельная клетка имеет формирующийся скелет , а также то, как более крупный живой организм может иметь внутренний костный скелет, такой как позвонки . Обобщенное моделирование внешних массовых сил делает расчеты упругости более эффективными и означает взаимодействия возможность в реальном времени.

Основная теория

Такая система моделирования состоит из нескольких компонентов:

полигональная сетка, определяющая форму тела модели
грубая объемная сетка с использованием методов конечных элементов для обеспечения полной интеграции модели
Линейные ограничения, соответствующие внутреннему скелету и приспособленные к модели
линеаризация уравнений движения для достижения интерактивных скоростей
иерархические области сетки, связанные со скелетными линиями
смешивание локально линеаризованных симуляций
решетка управления посредством подразделения, подгоняющего модель, окружая и закрывая ее
иерархический базис, содержащий функции, которые будут предоставлять значения деформации каждой решетки

область с вычислениями этих иерархических функций, аналогичных расчетам ленивых вейвлетов

Вместо подгонки объекта к скелету, как это обычно бывает, скелет используется для установки ограничений на деформацию. Кроме того, иерархическая основа означает, что уровни детализации могут быть введены или удалены при необходимости - например, при наблюдении на расстоянии или скрытых поверхностях.

Предварительно рассчитанные позы используются для интерполяции между формами и достижения реалистичных деформаций во время движений. Это означает, что традиционные ключевые кадры избегаются.

есть сходство в настройке производительности Между этим методом и процедурной генерацией , вейвлет-методами и методами сжатия данных .

Алгоритмические соображения

Для достижения интерактивности необходимо несколько оптимизаций, зависящих от реализации.

Начните с определения объекта, который вы хотите анимировать, как набора (т. е. определите все точки): $p:\Omega \times \mathbb {R} \rightarrow \mathbb {R} ^{3}:(x,t)\mapsto p(x,t)$ .

Тогда возьмись за дело. Позволять $p_{S}:S\times \mathbb {R} \rightarrow \mathbb {R} ^{3}$

Затем вам необходимо определить состояние покоя объекта (точку неколебания): $r(x)=\sum _{a}r_{a}\emptyset ^{a}(x)=r_{a}\emptyset ^{a}(x)=x$

Проекты

Осуществляются проекты по дальнейшему развитию этого метода и представлению результатов в SIGGRAPH с доступной подробной информацией. Академические учреждения и коммерческие предприятия, такие как Alias Systems Corporation (разработчик программного обеспечения для рендеринга Maya ), Intel и Electronic Arts, являются одними из известных сторонников этой работы. Доступны также видеоролики, демонстрирующие эти методы, а редакторы демонстрируют интерактивность в режиме реального времени с реалистичными результатами. Компьютерная игра Spore также продемонстрировала аналогичные методы.

См. также

Ссылки

Интерактивная анимация персонажей с использованием динамического эластичного моделирования , 2004 г., Стив Капелл, доктор философии. диссертация.
Интерактивные динамические деформации, управляемые скелетом , 2002 SIGGRAPH . Авторы: Стив Капелл, Сет Грин, Брайан Керлесс, Том Дюшан и Зоран Попович.
Структура мультиразрешения для динамических деформаций , 2002 SIGGRAPH . Авторы: Стив Капелл, Сет Грин, Брайан Керлесс, Том Дюшан и Зоран Попович.
Физически обоснованный риг для деформируемых персонажей , 2005 SIGGRAPH . Авторы: Стив Капелл, Мэтью Беркхарт, Брайан Кёрлесс, Том Дюшан и Зоран Попович.
Скелетная деформация — лекция по физическому моделированию, симуляции и анимации , 2005, Минг К. Лин , Университет Северной Каролины, США.

Внешние ссылки

Видео интерактивного редактора скелетов и моделей с введением в базовую теорию , Вашингтонский университет, США.
Проект «Деформируемые объекты и персонажи» , Вашингтонский университет, США. Имеет примеры видео техник.
Проект «Библиотеки движения для анимации персонажей» , Вашингтонский университет, США. Имеет примеры видео техник.