INTERACTIVE CONSTRUCTION AND ANIMATION OF LAYERED ELASTIC CHARACTERS

THéSE N¡ (1993)

PRƒSENTƒE AU DƒPARTEMENT D'INFORMATIQUE

ƒCOLE POLYTECHNIQUE FƒDƒRALE DE LAUSANNE

POUR L'OBTENTION DU GRADE DE DOCTEUR éS SCIENCES

PAR

RUSSELL TURNER

IngŽnieur-informaticien EPFL

Originaire d'AmŽrique (USA)

acceptŽe sur proposition du jury:

Prof. D. Thalmann, rapporteur

Prof. Geoff Wyvill, corapporteur

Prof. GŽrard HŽgron, corapporteur

Prof. Roger Hersch, corapporteur

Lausanne, EPFL

1993

Traditional character animation is a highly-developed art form, but it has several creative and economic limitations. Computer animation techniques have had great success in other aspects of commercial animation, but have only recently begun to make inroads into the area of character animation. To animate three-dimensional computer models of characters, a variety of issues must be addressed. Movement results not only from physical structure of the character, but also from its higher-level control. Animated characters are modeled after real-life animals or humans who are composed of both rigid interior skeletons and deformable exteriors. Articulated figure animation techniques are now established and can model the skeleton quite well, while deformable surface models for the skin are more difficult and have not been as successful. Layered construction techniques attempt to combine these two approaches. Physically based models use physical simulation as a modeling and animating tool. They can generate a rich variety of realistic or surrealistic behavior which can be controlled by the animator through intuitive physical parameters and constraint techniques. With high-speed workstations, they can be simulated in real time, allowing interactive control. Layered elastic models add physically-based deformable components to layered 3D characters, resulting in more natural-looking deformation and movement. However, proposed models do not allow for independent layers of muscle, fat and skin.

To overcome these limitations, an original 3D character model is presented. In this new type of layered construction technique, called the elastic surface layer model, a simulated elastically deformable skin surface is wrapped around a traditional kinematic articulated figure. Unlike previous layered models, the skin is free to slide along the underlying surface layers constrained by reaction forces which push the surface out and spring forces which pull the surface in to the underlying layers. By tuning the parameters of the physically-based model, a variety of surface shapes and behaviors can be obtained such as more realistic-looking skin deformation at the joints, the effects of fat, skin sliding over muscles, and dynamic skin effects. Since the elastic model derives all of its input forces from the underlying articulated figure, the animator may specify all of the physical properties of the character once, during the initial character design process, after which a complete animation sequence can be created using a traditional skeleton animation technique. The elastic surface layer model is demonstrated using an interactive animation system designed for studying layered character models with elastic components. The system, called LEMAN (Layered Elastic Model ANimation), allows three-dimensional animated characters to be built up from successive layers of skeleton, muscle, fat and skin in a completely interactive, direct-manipulation environment, using multi-dimensional input devices.

L'animation traditionnelle de personnages est une forme d'art qui, bien qu'ˆ un stade de maturitŽ avancŽ, prŽsente de nombreuses limitations aussi bien sur les plans Žconomiques qu'artistiques. Si l'utilisation de l'outil informatique fut un grand apport pour d'autres domaines de l'animation commerciale, son application ˆ l'animation de personnages n'est que rŽcente. Pour animer des mod�les de personnages tridimensionnels, un certain nombre de points doivent �tre considŽrŽs. Le mouvement n'est pas seulement une rŽsultante de la structure physique du mod�le mais aussi du contr™le de plus haut niveau. Les personnages d'animation sont modŽlisŽs d'apr�s les animaux et �tres humains du monde rŽel qui sont composŽs ˆ la fois d'un squelette interne rigide et d'une enveloppe externe dŽformable. Si les techniques d'animation de figure articulŽes ont prouvŽ leur adŽquation ˆ la modŽlisation fid�le du squelette, l'utilisation de techniques de modŽlisation de surface dŽformable a abouti ˆ des rŽsultats moins probants pour l'enveloppe externe. Les techniques de construction par couche essaient de combiner ces deux approches. Les mod�les basŽs sur les lois de la physique utilisent la simulation physique comme un outil de modŽlisation et d'animation. Ils peuvent gŽnŽrer une grande variŽtŽ de comportements rŽalistes ou surrŽalistes que l'animateur peut contr™ler ˆ travers des param�tres physiques plus intuitifs et par l'utilisation de contraintes. Gr‰ce aux performances actuelles des stations de travail, ces mod�les peuvent �tre simulŽs en temps rŽel autorisant ainsi leur contr™le interactif. L'utilisation de mod�les par couche Žlastique ajoute des composantes dŽformables suivant les lois de la physique au mod�le par couche des personnages tridimensionnels, autorisant ainsi des mouvements et des dŽformations plus rŽalistes. Cependant, les mod�les prŽsentŽs ˆ ce jour ne permettent pas la dŽfinition de couches indŽpendantes de muscle, de graisse et de peau.

Pour surmonter ces limitations, un mod�le original de personnage tridimensionnel est prŽsentŽ. Dans cette nouvelle technique de construction par couche, appelŽe le mod�le ˆ couche Žlastique, une surface Žlastique dŽformable dŽfinit l'enveloppe de peau d'une figure articulŽe traditionnelle. Contrairement aux mod�les par couche prŽcŽdents, la peau est libre de glisser sur les couches surfaciques infŽrieures, contrainte par des forces de rŽaction qui la repoussent et par des forces Žlastiques qui l'attirent vers la surface de la couche infŽrieure. En ajustant les param�tres du mod�le physique, une variŽtŽ de formes et de comportements peut �tre obtenue, comme des dŽformations plus rŽalistes de la peau aux articulations, des effets de couche de graisse ou de glissement de la peau sur les muscles, ainsi que des effets dynamiques de la peau. Comme les forces appliquŽes au mod�le Žlastique sont dŽrivŽes des mouvements de la structure articulŽe, l'animateur peut spŽcifier l'ensemble des param�tres physiques au moment de la modŽlisation du personnage, apr�s quoi une sŽquence d'animation peut �tre crŽŽe en utilisant des techniques classiques d'animation de squelette. Un syst�me d'animation interactif a ŽtŽ con�u pour l'Žtude de personnages dŽfinis avec un mod�le par couche prŽsentant des composantes Žlastiques. Le syst�me, baptisŽ LEMAN (Layered Elastic Model ANimation), permet la construction de personnages tridimensionnels par la dŽfinition successive du squelette et des couches de muscles, de graisse et de peau, ˆ l'intŽrieur d'un environnement totalement interactif utilisant des techniques de manipulation directe et diffŽrents pŽriphŽriques multi-dimensionnels.

I would like to thank Daniel Thalmann, Enrico Gobbetti, Jean-Francis Balaguer, Ronan Boulic, Ying Yang, Prem Kalra, Tat-Seng Chua, Tsuneya Kurihara and Geoff Wyvill for their help and suggestions in the research and preparation of this dissertation.

To Ling, Lulu, and Shasha

Russell Turner is a research assistant at the Computer Graphics Laboratory of the Swiss Federal Institute of Technology in Lausanne, Switzerland. He received his B.S. in Physics and his M.S. in Computer and Information Science from the University of Massachusetts at Amherst. He has also worked as a software engineer for V.I. Corporation of Amherst, Massachusetts. His research interests include animation, 3D interaction, physically-based modeling, and object-oriented graphics.