Виртуальный человек

Дополнительные сведения см. в разделе « Виртуальный человек (значения)» .

Виртуальный манекен для краш-теста.

Виртуальный человек (или цифровой человек ) — это , созданный программой вымышленный персонаж или человек . Виртуальные люди были созданы в качестве инструментов и искусственных компаньонов в симуляции , видеоиграх , кинопроизводстве , человеческом факторе, исследованиях эргономики и удобства использования в различных отраслях (аэрокосмическая, автомобильная, машиностроительная, мебельная и т. д.), швейной промышленности, телекоммуникациях (аватары), медицине. и т. д. Эти приложения требуют точности моделирования, зависящей от предметной области. Медицинское применение может потребовать точного моделирования конкретных внутренних органов; киноиндустрия требует высочайших эстетических стандартов, естественных движений и мимики; эргономические исследования требуют точных пропорций тела для определенного сегмента населения, реалистичного передвижения с ограничениями и т. д.

Игровые движки, такие как Unreal Engine, через метачеловека и Unity , приобретя Wētā FX обеспечили взаимодействие с цифровыми людьми в реальном времени с использованием физического рендеринга .

Исследования

Мы рассматриваем виртуального человека как нечто большее, чем просто полезный артефакт. Мы рассматриваем это как инструмент для понимания самих себя. Если мы сможем смоделировать поведение виртуального человека в виртуальном мире, неотличимое от поведения реального человека, то мы утверждаем, что уловили кое-что о том, что значит быть человеком.

— Воспринимающие системы, Институт интеллектуальных систем Макса Планка.

Исследования виртуальных людей включают в себя междисциплинарное сотрудничество таких видов деятельности, как машинное обучение , разработка игр и искусственная нейробиология .

• Анатомия и геометрия : моделирование человеческого тела с помощью 3D-сканеров , дигитайзеров и программных инструментов.
• волос и кожи Генерация , представление и рендеринг . Для точного и производительного моделирования требуются современные методы компьютерной графики, такие как вычислительные и тесселяционные шейдеры.
• Скелетная анимация и физическая анимация в ответ на взаимодействие с окружающей средой. Методы включают деревья поведения, выбирающие параметрические ключевых кадров , наборы процедурная инверсная кинематика или нейронной сетью . управление локомоцией, управляемое Распространенный способ получения справочных данных — захват движения.

Захват движения

• Анимация и деформация поверхности тела или снятие шкур , имитирующая деформацию видимой поверхности тела относительно движения базовой структуры скелета.
• Лицевая анимация , играющая важную роль в общении людей. Существуют два основных направления исследования лицевой анимации: параметризованные модели и модели мышц.
• ходьбы или походки Генерация , которая должна генерировать естественно выглядящие движения ходьбы на основе заданной траектории и скорости.
• Уклонение от препятствий , задача достижения некоторой цели управления с учетом ограничений положения непересечения или нестолкновения, чтобы найти оптимальную траекторию ходьбы, избегая при этом препятствий.
• Захват , который должен обеспечивать наилучшее движение рук и кистей для захвата объекта. Хватанию часто предшествует дотягивание , которое во многом зависит от контроля головы и туловища, а также от контроля глаз и взгляда.
• Поведение , стремясь придать анимации больше характера и индивидуальности, чтобы она выглядела более естественной и персонализированной, чем анимация, основанная на механике. Например, генерация речевых жестов.

Типы

Существует два основных класса виртуальных людей:

• Аватары: (вычислительный) — это графическое представление пользователя аватар . Аватары были популяризированы такими онлайн-мирами, как The Palace , Second Life , Active Worlds, IMWU, Zepeto и другими.
• Автономный виртуальный человек: автономный виртуальный человек — это автономный агент с воплощением или воплощенный агент .

Частным случаем Виртуального Человека является Виртуальный Актер , который представляет собой Виртуального Человека (аватара или автономного), представляющего существующую личность и действующего в фильме или сериале.

История

Ранние модели

Эргономический анализ стал одним из первых применений компьютерной графики для моделирования человеческой фигуры и ее движений. Уильям Феттер , арт-директор Boeing в начале 20 века, был первым человеком, нарисовавшим человеческую фигуру с помощью компьютера. Эта фигура известна как «Человек Боинг». Семичленный «Первый человек», используемый для изучения приборной панели Боинга 747, позволял отображать многие движения пилота, шарнирно сочленяя таз, шею, плечи и локти фигуры. Добавление двенадцати дополнительных суставов к «Первому человеку» привело к появлению «Второго человека». Этот рисунок использовался для создания набора эпизодов анимационного фильма на основе серии фотографий, созданных Эдвардом Мейбриджем .

Затем различными компаниями было разработано несколько моделей : Cyberman (Кибернетическая модель человека) была разработана корпорацией Chrysler для моделирования деятельности человека внутри автомобиля и вокруг него. В его основе 15 суставов; положение наблюдателя предопределено. Combiman (компьютеризированная биомеханическая модель человека) была специально разработана для проверки того, насколько легко человек может дотянуться до объектов в кабине; он определяется с использованием 35 внутренних звеньев скелетной системы. Boeman был разработан в 1969 году корпорацией Boeing. Он основан на трехмерной модели человека 50-го процентиля. Он может тянуться к таким объектам, как корзины, распознавать столкновения и визуальные помехи. Боеман представляет собой 23-суставную фигуру с переменной длиной звеньев. Сэмми (Система оценки взаимодействия человека и машины) была разработана в 1972 году в Ноттингемском университете для общего эргонометрического проектирования и анализа. На данный момент это была лучшая параметризованная модель человека, и она предоставляет выбор физических типов: стройный, толстый, мускулистый и т. д. Система зрения была очень развита, и Сэмми манипулировал сложными объектами на основе 21 жесткой связи с 17 суставы. Еще один интересный виртуальный человек, Buford, был разработан в Rockwell International для поиска зон досягаемости и свободного пространства вокруг модели, установленной оператором. Фигура представляла собой модель человека 50-го процентиля и была покрыта полигонами, созданными CAD. Buford состоит из 15 независимых звеньев, которые необходимо переопределять при каждой модификации.

В области моделирования лица Парк создал изображение головы и лица в Университете Юты , а три года спустя он предложил параметрические модели для создания более реалистичного лица.

Некоторые исследователи также использовали элементарные объемы для создания виртуальных моделей человека, например, цилиндров Потера и Уиллмерта. или эллипсоиды Хербисона-Эванса. Бадлер и Смоляр предложил Бабблмена как трехмерную человеческую фигуру, состоящую из множества сфер или пузырей. Модель была основана на перекрытии сфер, причем интенсивность и размер сфер менялись в зависимости от расстояния от наблюдателя.

В начале 1980-х годов Том Калверт, профессор кинезиологии и информатики в Университете Саймона Фрейзера , прикрепил потенциометры к телу и использовал их результаты для управления компьютерно-анимационными фигурами для хореографических исследований и клинической оценки нарушений движений. В системе анимации Калверта использовалось устройство захвата движения вместе с Labanotation и кинематическими спецификациями, чтобы полностью описать движение персонажа.

В то же время пакет программного обеспечения Jack был разработан в Центре моделирования и симуляции человека Пенсильванского университета и стал коммерчески доступным от Tecnomatix . Джек предоставил интерактивную 3D-среду для управления шарнирными фигурами. Он представлял собой детальную модель человека и включал в себя реалистичные элементы управления поведением, антропометрическое масштабирование, системы анимации и оценки задач, анализ представлений, автоматический охват и захват, обнаружение и предотвращение столкновений, а также множество других полезных инструментов для широкого спектра приложений. "

Производство фильмов и демо

В начале восьмидесятых несколько компаний и исследовательских групп выпустили короткометражные фильмы и демоверсии с участием виртуальных людей. В частности, компания Information International Inc , обычно называемая Triple-I или III, продемонстрировала потенциал компьютерной графики для удивительных вещей, создав 3D-скан головы Питера Фонды и окончательную демонстрацию « Адам Пауэрс, жонглер» .

В 1982 году Филипп Бержерон, Надя Магненат-Тальманн и Даниэль Тельманн продюсировали «Полет мечты» , фильм, в котором изображен человек (сочлененная фигурка), транспортируемый через Атлантический океан из Парижа в Нью-Йорк. Фильм был полностью запрограммирован с использованием графического языка MIRA — расширения языка Паскаль, основанного на графических абстрактных типах данных . Фильм получил несколько наград и был показан на SIGGRAPH киношоу '83. Другой фильм стал прорывом в 1985 году, фильм « Тони де Пельтри », в котором впервые использовались методы лицевой анимации, чтобы рассказать историю. клип Hard Woman на песню Мика Джаггера разработала В том же году компания Digital Productions , в котором была представлена ​​красивая анимация стилизованной женщины. В то же время фильм «The Making Of Brilliance» был создан компанией Robert Abel & Associates как телевизионный рекламный ролик и на данный момент продемонстрировал невероятную динамику и рендеринг.

В 1987 году Инженерный институт Канады отметил свое 100-летие. Крупное мероприятие, спонсируемое Bell Canada и Northern Telecom , состоялось на площади Искусств в Монреале . Для этого мероприятия Надя Магненат-Тальманн и Дэниел Тельманн смоделировали встречу Мэрилин Монро и Хамфри Богарта в кафе в старом городе Монреаля. Этот фильм «Свидание в Монреале» стал первым фильмом, в котором легендарные звезды были смоделированы в 3D. Фильм является результатом обширного исследования аспекта 3D-клонирования реальных людей, а также моделирования их поведения.  

В 1988 году « Оловянная игрушка » стал первым фильмом, снятым на компьютере и получившим « Оскар» (как лучший короткометражный анимационный фильм). Это история о жестяной игрушке, состоящей из одного человека , пытающейся сбежать от Билли, глупого младенца. В том же году компания deGraf/Wahrman разработала «Говорящую голову Майка» для Silicon Graphics, чтобы продемонстрировать возможности своих новых 4D-машин в режиме реального времени. Майком управлял специально построенный контроллер, который позволял одному кукловоду управлять многими параметрами лица персонажа, включая рот, глаза, выражение и положение головы. Аппаратное обеспечение Silicon Graphics обеспечивало интерполяцию в реальном времени между выражением лица и геометрией головы под контролем исполнителя. Майк выступал вживую на SIGGRAPH кино- и видеошоу в том году.

В 1989 году Клейзер- Вальчак создал «Дозо», компьютерную анимацию женщины, танцующей перед микрофоном и поющей песню для музыкального клипа. Они зафиксировали движение, используя оптическое решение Motion Analysis с несколькими камерами для триангуляции изображений небольших кусочков светоотражающей ленты, помещенных на тело. В результате получается трехмерная траектория каждого отражателя в пространстве.

В 1989 году в фильме « Бездна » в определенном эпизоде ​​показано, как водянистая ложноножка приобретает человеческое лицо. Это стало важным шагом для будущих синтетических персонажей, поскольку тогда можно было трансформировать одну форму в другое человеческое лицо. В 1989 году Лотта Дезире, актриса фильмов «Маленькая смерть» и «Виртуально твой», продемонстрировала передовую лицевую анимацию и первый поцелуй, анимированный на компьютере. Затем фильм « Терминатор 2 » в 1991 году ознаменовал веху в анимации виртуальных людей, смешанных с реальными людьми и декорациями.

В девяностые годы было снято несколько короткометражных фильмов, наиболее известным из которых является « Игра Джери » от Pixar , получившая премию «Оскар» за короткометражные анимационные фильмы.

Более поздние исследования

Поведенческая анимация была введена и разработана Крейгом Рейнольдсом . Он моделировал стаи птиц рядом со стаями рыб с целью изучения групповой интуиции и движений. Объединив множество виртуальных людей для обитания в виртуальных мирах, Мусс и Тельман затем положили начало области моделирования толпы .

Начиная с девяностых годов исследователи перешли к анимации в реальном времени и взаимодействию с виртуальными мирами. Объединение методов виртуальной реальности , человеческой анимации и видеоанализа привело к интеграции виртуальных людей в виртуальную реальность, взаимодействию с этими виртуальными людьми и саморепрезентации в качестве клона, аватара или участника виртуального мира . Взаимодействие с виртуальными средами планировалось осуществлять на различных уровнях пользовательской конфигурации. Высококачественная конфигурация может включать в себя иммерсивную среду , в которой пользователи будут взаимодействовать с виртуальными людьми с помощью голоса , жестов и физиологических сигналов, что поможет им исследовать среду цифровых данных как локально, так и через Интернет . Для этого виртуальные люди начали распознавать жесты, речь и выражения пользователя и отвечать с помощью речи и анимации. Конечная цель этой разработки – создание реалистичных и правдоподобных виртуальных людей с адаптацией , восприятием и памятью . Эти виртуальные люди проложили путь современным исследованиям по созданию виртуальных людей, которые могут действовать свободно, имитируя эмоции. В идеале цель состоит в том, чтобы они знали об окружающей среде и были непредсказуемы.

Приложения

• Виртуальные люди для обучения и обучения на основе моделирования (транспорт, гражданское строительство и т. д.), развития навыков, координации команды и принятия решений .
• Виртуальные пользователи для эргономического анализа рабочих сред и транспортных средств.
• Виртуальные ведущие для телевидения и Интернета.
• Виртуальные люди и толпы для моделирования и обучения в случае возникновения чрезвычайных ситуаций.
• Виртуальные манекены для швейной промышленности .
• Виртуальные актеры для кино.
• Виртуальные пациенты для ортопедической хирургии , пластической хирургии , протезирования и реабилитации .
• Виртуальные люди для лечения социального тревожного расстройства и фобий, а также виртуальная психотерапия.
• Виртуальные жители для виртуальных городов и архитектурная симуляция со зданиями, ландшафтами, освещением и т. д.
• Виртуальные персонажи для компьютерных игр и лунапарков/казино.
• Виртуальные спортсмены для спортивного моделирования и обучения.
• Виртуальные солдаты для военных приложений, таких как моделирование поля боя, командная тренировка и операции по поддержанию мира.
• Виртуальные персонажи для интерактивной драмы
• Виртуальные работники для моделирования человеческой деятельности в промышленных или других рабочих условиях.
• Виртуальные древние люди для обитаемых объектов культурного наследия .
• Виртуальные представления участников виртуальных конференций с целью снижения требований к полосе пропускания передачи .
• Виртуальные сотрудники для проектирования и обслуживания оборудования: дизайн для доступа, простота ремонта, безопасность, зазор для инструментов, видимость и т. д.
• Виртуальные люди для анализа человеческого фактора .
• Виртуальный влиятельный человек . Исследования показывают, что человеческий облик виртуальных людей демонстрирует более высокий уровень доверия к сообщению, чем виртуальные люди, похожие на аниме, в рекламном контексте.

Дальнейшее чтение

Книги о виртуальных людях

• Надя Магненат-Тальманн (редактор), Дэниел Тельманн (редактор), «Справочник виртуальных людей» , ISBN   978-0-470-02316-7 , 468 страниц, Wiley, август 2004 г. (цифровая библиотека ACM)
• Питер М. Плантек, Виртуальные люди: комплект для самостоятельной сборки, в комплекте с программным обеспечением и пошаговыми инструкциями , Amacom, 2003 г.
• Дэвид Берден, Мэгги Савин-Баден, Виртуальные люди сегодня и завтра , 2020, Чепмен и Холл / CRC

Книги с содержанием виртуальных людей

• Уэйн Э. Карлсон, Компьютерная графика и компьютерная анимация: ретроспективный обзор , лицензированный по международной лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0.
• Моделирование коммуникации с роботами и виртуальными людьми , Второй международный семинар Ziff Research Group 2005/2006 по воплощенной коммуникации в людях и машинах, Билефельд, Германия, 5–8 апреля 2006 г., Пересмотренные избранные статьи