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Optimization approaches applied to animation setup transfer for visual effects

Fallahdoust, Sahel (2016). Optimization approaches applied to animation setup transfer for visual effects. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

In today’s animation and visual effects (VFX) industry, time is precious. Making a 3D character ready for animation, and by ready we mean preparing the skeletons and skin weights, is a very time-consuming task. Thus speeding up this iterative creation process will be useful. This thesis is part of a broader project done in the Multimedia Laboratory at École de technologie supérieure (ÉTS) in collaboration with an industrial partner, Autodesk, and also with contributions of a postdoctoral fellow, two PhD students, and a professional’s master student. The main goal of this project is to transfer the already-done artist’s work to other 3D characters. This process is done through a pipeline consisting of a geometric correspondence computation, skeleton transfer, and weight transfer. Within the broader project, this dissertation makes specific contributions to the analysis of underlying mathematical models and to enhance and optimize the skeleton retargeting.

To transfer the animation setup, first a geometric correspondence based on a set of markers is computed between the source mesh and target mesh. It should be mentioned here that the whole process of skeleton retargeting and skin weights transferring does not rely on a specific geometric correspondence method. Each joint can be extracted as a blended combination of its weighted vertices. The weighted vertices of each joint are a set of vertices, which are affected by the transformation of the joint. The computed vertex-to-point correspondence is used to position the source joint within the target mesh, in a way that reproduces the spatial relationship found between the source joint and its weighted vertices. In this dissertation, two different approaches are developed for locating the joints within the target mesh. One approach is done by solving an energy minimization problem, and the other one is done using generalized Procrustes analysis. The skeleton retargeting results achieved using these two approaches are proposed and compared, mostly in the matter of speed and simplicity. Furthermore, the rotation and orientation of each joint need to be retargeted as well. The orientation is copied from the source joints’ orientation directly. Transferring the rotation is done by finding the rotation alignment between the point cloud of the joint’s weighted vertices on the source and their corresponding locations on the target. A pose normalization procedure is designed to make sure that the joints in the source and target share the same limb orientation. To improve the skeleton quality, the options for aligning the spine and mirroring the joint positions to take advantage of symmetrical mesh’s features, are also developed. At last, the skin weights are transferred from the source mesh to the target mesh.

The approaches are tested on a diversity of source and target characters with a vast range of mesh topology and morphology in both inverse and forward kinematics animations. This method allows for reusing existing animation setup and reducing the manual interventions.

Titre traduit

Approches d'optimisation appliquées au transfert de la configuration d'animation pour les effets visuels

Résumé traduit

Dans l’industrie de l’animation et des effets visuels, le temps est précieux. Faire un personnage 3D prêt pour l’animation implique de préparer les squelettes et les poids de sommets; c’est une tâche fastidieuse. Ainsi l’accélération de ce processus de création itératif sera utile. Ce mémoire fait partie d’un projet plus large du Laboratoire multimédia à l’École de technologie supérieure (ÉTS), en collaboration avec un partenaire industriel, Autodesk, et aussi avec des contributions d’un chercheur postdoctoral, de deux étudiants en doctorat et d’une étudiante en maîtrise avec projet. L’objectif principal de ce projet est de transférer le travail de l’artiste déjà fait à d’autres personnages 3D. Ce processus se fait à travers un pipeline constitué d’un calcul géométrique de la correspondance, du transfert de squelette et du transfert des poids. Au sein du projet plus large, ce mémoire apporte des contributions spécifiques à l’analyse des modèles mathématiques sous-jacents ainsi qu’à l’amélioration et l’optimisation du reciblage de squelette.

Pour transférer la configuration d’animation, d’abord une correspondance géométrique reposant sur une série de marqueurs est calculée entre le maillage source et le maillage cible. Il faut mentionner ici que l’ensemble du processus de reciblage de squelette et de transfert des poids de sommets ne repose pas sur une méthode spécifique de correspondance géométrique. Chaque articulation peut être représentée comme une combinaison de ses sommets pondérés. Les sommets pondérés de chaque articulation sont l’ensemble des sommets qui sont affectés par la transformation de l’articulation. La correspondance sommet à point calculée est utilisé pour positionner l’articulation source au sein du maillage cible d’une manière qui reproduit la relation spatiale trouvée entre l’articulation de la source et ses sommets pondérés. Dans ce mémoire, deux approches différentes sont développées pour localiser les articulations dans le maillage cible. Une approche est effectuée en résolvant un problème de minimisation d’énergie, et l’autre est effectuée en utilisant l’analyse Procrustéenne généralisée. Les résultats de reciblage de squelette obtenus en utilisant ces deux approches sont presentés et comparés, principalement en matière de rapidité et de simplicité. En outre, la rotation et l’orientation de chaque articulation ont besoin d’être reciblées. L’orientation est copiée de l’orientation des articulations source directement. Le transfert de la rotation se fait en trouvant l’alignement entre la série de points de sommets pondérés de l’articulation sur la source et leurs emplacements correspondants sur la cible. Une procédure de normalisation de pose est conçue pour assurer que les joints de la source et de la cible résultent en la même orientation des membres. Pour améliorer la qualité du squelette, des approches pour l’alignement de la colonne vertébrale et la mise en miroir des positions d’articulation sont également développées pour tirer profit des caractéristiques des maillages symétriques. Enfin, les poids de sommets sont transférés du maillage source au maillage cible.

Les approches sont testées sur une variété de personnages sources et cibles qui démontrent un vaste éventail de morphologie et de topologie d maillage. L’approche fonctionne en utilisant l’animation cinématique et cinématique inverse. Cette approche permet la réutilisation de la configuration de l’animation existante et la réduction les interventions manuelles.

Type de document: Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires: "Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment of the requirements for a master's degree with thesis in information technology". Bibliographie : pages 81-83.
Mots-clés libres: Animation squelettale. Modélisation tridimensionnelle. Migration (Informatique). Modèles mathématiques. Parallélisme (Informatique) Animation par ordinateur Industrie. reciblage, infographie, animation par squelette
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Paquette, Eric
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie des technologies de l'information
Date de dépôt: 02 mars 2017 20:14
Dernière modification: 02 mars 2017 20:14
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1821

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