Projet : SIAMES

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Modèles Dynamiques de Mouvement

 

Mots clés : mouvement, animation, simulation, identification, systèmes hybrides, niveaux de détail .

Glossaire :

Animation :  modèles et algorithmes permettant de produire des mouvements conformes à la spécification de l'animateur.

Animation par modèles physiques :  se dit des modèles d'animation qui prennent en compte les lois physiques, sur le plan structurel ou comportemental.

Système hybride :  système dynamique mettant en interaction une partie différentielle continue et un système à événements discrets.

Vecteur d'état :  vecteur de données représentant le système à un instant t, exemple : le couple position et vitesse.

Résumé :

A l'instar de l'approche adoptée en synthèse d'images photoréalistes, nous cherchons à baser nos algorithmes sur des modèles physiques. En outre, la synthèse de mouvements naturels nécessite la prise en compte des phénomènes complexes, au niveau mécanique, biomécanique ou neurophysiologique (activation neuro-musculaire, planification et boucles d'asservissement, ...).

La création de mouvements d'objets ou de personnages synthétiques, nécessite la mise en uvre de modèles dynamiques adaptés aux différents contextes applicatifs de la synthèse d'images : la simulation du mouvement naturel, l'animation pour la production audio-visuelle ou l'animation-simulation interactive.

La modélisation mathématique des processus de génération du mouvement et leur mise en oeuvre algorithmique s'appuient sur la théorie des systèmes dynamiques et utilisent les outils de la mécanique, de l'automatique et du traitement du signal. La forme générale d'un modèle dynamique de mouvement est celle d'un système hybride, interaction d'une partie différentielle continue, avec un système à événements discrets :

$${\frac{dx}{dt}}$$

où le vecteur d'état x est une concaténation des variables d'état discrètes et continues, u est le vecteur de commande et t le temps.

Typiquement, le traitement physique des contacts (chocs et frottements) est effectué à l'aide d'un modèle hybride. Les collisions se manifestent par des sauts dans l'espace d'état (impulsions correspondant à des discontinuités des vitesses). Les procédés de contrôle des différentes phases de la locomotion se formalisent également à l'aide de modèles hybrides.

Nos études consistent à définir les méthodes et les algorithmes servant à construire un modèle dynamique hybride à partir des spécifications d'un utilisateur. L'objectif principal est de transférer la puissance des outils d'étude et de simulation de ces modèles, au domaine de l'animation par ordinateur.

Dans ce contexte, les enjeux et objectifs de nos travaux sont :

la génération automatique des modèles :

cela consiste, d'une part, à définir un langage de spécification des modèles de mouvement et d'autre part, à proposer des algorithmes optimisés pour des architectures spécialisées (comme des machines parallèles). Dans le cas d'objets inertes (sans actionneurs), l'application des principes généraux de la mécanique garantit l'obtention du modèle à partir de ses caractéristiques géométriques et mécaniques. La synthèse des lois de commande peut faire appel à des méthodes systématiques comme la commande optimale, sous réserve que le problème posé puisse être mis sous la forme standard d'un schéma de commande.

l'identification :

la validité d'un modèle de mouvement passe par une phase de calibration et d'identification. A partir de l'étude de trajectoires réelles, des techniques d'identification paramétriques et structurelles permettent d'inscrire la conception des modèles de mouvement dans le cadre d'une approche analyse-synthèse.

les niveaux de détail :

La notion de niveaux de détail est essentielle en animation. La restitution de scènes complexes nécessite une gestion adaptative des coûts calculs associés aux différents objets animés de la scène. Ce problème comporte deux facettes complémentaires : la génération et la gestion en-ligne, à l'instar de ce qui est développé pour la géométrie et les textures.

la commande interactive pour l'animation-simulation :

la démarche générale consiste à adapter certaines fonctions ainsi que des méthodes, issues de la robotique ou de l'automatique, dans le domaine de l'informatique graphique interactive.

L'objectif porte sur la production automatique du mouvement et la notion de contrôleur, destiné à être associé à chaque entité géométrique. Les recherches se situent ici comme des extensions par rapport aux techniques de contrôle au niveau cinématique ou dynamique (en particulier contrôle par contraintes). Nous cherchons à doter les entités de capacités sensorielles pour élaborer des fonctions de guidage adaptatif du mouvement. L'objectif est d'établir les fondements d'une structure de contrôle-commande en boucle fermée, pour la génération automatique de trajectoires dans un environnement complexe et/ou évolutif. Cette fonction de perception de l'environnement est fondamentale pour faire évoluer les techniques d'animation vers l'animation d'entités dotées de véritables propriétés comportementales.

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