The bulk of research in digital 3D animation is focused on problem solving and the development of new techniques and innovations for the 3D animation software of the future. However, little consideration is given for the underlying reasons why problems arise from a psychological perspective, and if 3D animation is to establish itself as a discipline in academia, strides must be taken to strengthen its foundations with existing academic disciplines.This undergraduate thesis examines the possible causes of joint deformation problems inherent to digital human character rigs in Autodesk Maya using cognitive psychology, specifically theories of perception, with additional considerations for the roles of the Uncanny Valley effect and suspension of disbelief. An experiment was devised to evaluate the presence of joint deformation problems on a basic human character rig and in two approaches of solution.The results supported the presented hypothesis on what causes the viewer to notice joint deformation problems, but further investigation is required for test it definitively. The study also implied that whilst joint deformation problems may be noticed by the viewer and cause distraction from the content of a digital film, other factors also strongly affect the viewer’s experience in a similar manner. The results of further studies could help digital artists better understand how the audience may respond to the presence of joint deformation problems and optimise their workflow. / Den övergripande forskningen kring digital 3D-animation är främst fokuserad på problemlösning samt utvecklingen av ny teknik och innovation för framtida programvaror utformade för 3D-animation. Dock har det sällan tagits någon hänsyn till de underliggande anledningarna om varför problemen uppstår, och inte heller genom ett psykologiskt perspektiv. Om 3D-animation ska bli mer etablerat inom den akademiska disciplinen så behöver framsteg göras för att skapa en starkare grund.Denna vetenskapliga uppsats undersöker möjliga anledningar till varför joint-deformationsproblem upplevs med riggen för digitala mänskliga karaktärer i Autodesk Maya. Detta utforskas genom att använda kognitiv psykologi, speciellt teorier kring perception, med ytterligare överväganden om att ”the Uncanny Valley” och ”Suspension of disbelief” skulle vara avgörande faktorer. Ett experiment var utformat för att utvärdera närvarandet av joint-deformationsproblem gällande en grundläggande mänsklig karaktär samt två möjliga lösningar till problemet.Den presenterade hypotesen, om vad som påverkar att en betraktare noterar joint-deformationsproblem, stärktes av undersökningens givna resultat. Dock är fortsatta forskningar kring ämnet nödvändiga för att definitivt bekräfta hypotesens reliabilitet och validitet. Undersökningen visade att problem med joint-deformationer kan noteras av betraktaren och därmed skapa en distraktion för filmens handling, men att andra faktorer kan vara mer avgörande för samma innebörd. Framtida forskningar kan resultera i att hjälpa digitala artister att underlätta deras förståelse om hur en publik kan tänkas reagera på närvarandet av joint-deformationsproblem och att effektivisera deras arbetsprocess.

En animation de personnages 3D, la déformation de surface, ou skinning, est une étape cruciale. Son rôle est de déformer la représentation surfacique d'un personnage pour permettre son rendu dans une succession de poses spécifiées par un animateur. La plausibilité et la qualité visuelle du résultat dépendent directement de la méthode de skinning choisie. Sa rapidité d'exécution et sa simplicité d'utilisation sont également à prendre en compte pour rendre possible son usage interactif lors des sessions de production des artistes 3D. Les différentes méthodes de skinning actuelles se divisent en trois catégories. Les méthodes géométriques sont rapides et simples d'utilisation, mais leur résultats manquent de plausibilité. Les approches s'appuyant sur des exemples produisent des résultats réalistes, elles nécessitent en revanche une base de données d'exemples volumineuse, et le contrôle de leur résultat est fastidieux. Enfin, les algorithmes de simulation physique sont capables de modéliser les phénomènes dynamiques les plus complexes au prix d'un temps de calcul souvent prohibitif pour une utilisation interactive. Les travaux décrits dans cette thèse s'appuient sur Implicit Skinning, une méthode géométrique corrective utilisant une représentation implicite des surfaces, qui permet de résoudre de nombreux problèmes rencontrés avec les méthodes géométriques classiques, tout en gardant des performances permettant son usage interactif. La contribution principale de ces travaux est un modèle d'animation qui prend en compte les effets des muscles des personnages et de leur interactions avec d'autres éléments anatomiques, tout en bénéficiant des avantages apportés par Implicit Skinning. Les muscles sont représentés par une surface d'extrusion le long d'axes centraux. Les axes des muscles sont contrôlés par une méthode de simulation physique simplifiée. Cette représentation permet de modéliser les collisions des muscles entre eux et avec les os, d'introduire des effets dynamiques tels que rebonds et secousses, tout en garantissant la conservation du volume, afin de représenter le comportement réel des muscles. Ce modèle produit des déformations plus plausibles et dynamiques que les méthodes géométriques de l'état de l'art, tout en conservant des performances suffisantes pour permettre son usage dans une session d'édition interactive. Elle offre de plus aux infographistes un contrôle intuitif sur la forme des muscles pour que les déformations obtenues se conforment à leur vision artistique. / Surface deformation, or skinning is a crucial step in 3D character animation. Its role is to deform the surface representation of a character to be rendered in the succession of poses specified by an animator. The quality and plausiblity of the displayed results directly depends on the properties of the skinning method. However, speed and simplicity are also important criteria to enable their use in interactive editing sessions. Current skinning methods can be divided in three categories. Geometric methods are fast and simple to use, but their results lack plausibility. Example-based approaches produce realistic results, yet they require a large database of examples while remaining tedious to edit. Finally, physical simulations can model the most complex dynamical phenomena, but at a very high computational cost, making their interactive use impractical. The work presented in this thesis are based on, Implicit Skinning, is a corrective geometric approach using implicit surfaces to solve many issues of standard geometric skinning methods, while remaining fast enough for interactive use. The main contribution of this work is an animation model that adds anatomical plausibility to a character by representing muscle deformations and their interactions with other anatomical features, while benefiting from the advantages of Implicit Skinning. Muscles are represented by an extrusion surface along a central axis. These axes are driven by a simplified physics simulation method, introducing dynamic effects, such as jiggling. The muscle model guarantees volume conservation, a property of real-life muscles. This model adds plausibility and dynamics lacking in state-of-the-art geometric methods at a moderate computational cost, which enables its interactive use. In addition, it offers intuitive shape control to animators, enabling them to match the results with their artistic vision.

This document discusses making of masters thesis, which is devoted to modeling of realistic human character. The goal of this thesis is to introduce process of making a 3D realistic character. It contains quick review of todays computer graphic industry, theoretical preparation for making this character and a review of few different modeling techniques. Mesh Flow theory is explained in detail, which is fundamental for todays organic modelling. In process of making character, all acquired knowledge will be used. In stages all theoretical and practical processes of mapping, texturing and skinning will be explained. Demonstration of how junction of different applications may achieve greater speed, effectiveness and quality during process of making model and textures will be presented. Last chapter of this thesis is devoted to programming an application to display character in OpenGL.

Cette thèse consiste à explorer une nouvelle approche pour la simulation d'objets flexibles par la mécanique des milieux continus, dans le cadre d'applications graphiques interactives telles que le jeu vidéo ou l'entraînement aux gestes chirurgicaux. Elle s'inscrit en continuité d'un stage de M2-R sur ce même sujet. Il est important de pouvoir régler simplement un compromis entre précision et temps de calcul suivant la nature de l'application. Les approches actuelles de simulation utilisent principalement la méthode des éléments finis. Celle-ci repose sur un maillage volumique des objets qu'il est souvent difficile d'adapter dynamiquement aux besoins de l'application. La nouveauté introduite par cette thèse est d'utiliser des repères déformables comme primitives cinématiques, avec des champs de déplacements inspirés des méthodes de 'skinning' utilisées en informatique graphique. Le but est d'éviter ainsi les difficultés liées au maillage volumique, ainsi que de faciliter le raffinement et la simplification adaptatives par simple ajout ou suppression de repère déformable là où c'est souhaitable. Ce travail est financé par le projet européen 'Passport for Virtual Surgery', dont le but est de créer automatiquement des modèles physiques pour l'entraînement aux gestes de chirurgie hépatique, à partir de données médicales et anatomiques personnalisées. Dans ce contexte, Guillaume, en collaboration avec d'autres membres du projet, mettra en place les outils nécessaires pour construire la scène physique à partir d'images médicales segmentées et de connaissances anatomiques génériques. Le foie sera dans un premier temps représenté par des modèles physiques précédemment développés à EVASION et étendus aux opérations de découpe. Par la suite, il y appliquera son nouveau modèle mécanique basé sur des repères déformables. The aim of this thesis is to develop a new approach for the simulation of flexible objects based on the continous middle method, related with interactive graphics applications such as video games or training in surgery. It is a continuity of the M2 research internship on the same topic. It is important to simply settle a compromise between accuracy and time computing according to the application. Current simulation approaches mainly use the finite element method, which is based on a volumetric mesh of the simulated objects. It is often difficult to dynamically adapt the needs to the application. The novelty of this thesis is to use deformable reference frames as kinematic primitives, with displacement fields based on 'skinning' methods used in computer graphics. The aim is to avoid the difficulties associated with volumetric mesh, and make the refinement and the adaptive simplification easier by adding or deleting deformable reference frames if necessary. This work is funded by the European project 'Passport for Virtual Surgery', which aims to automatically create models for physical training in gestures of liver surgery, from medical and anatomical custom data. In this context, Guillaume, in collaboration with other members of the project, will develop the tools necessary to build the physical scene from segmented medical images and generic anatomical knowledge. The liver will initially be represented by physical models previously developed in the EVASION team and then extended to cutting operations. Thereafter, Guillaume will apply his new mechanical model based on deformable reference frames.

Alors que le rendu réaliste gagne de l’ampleur dans l’industrie, les techniques à la fois photoréalistes et basées sur la physique, complexes en terme de temps de calcul, requièrent souvent une étape de précalcul hors-ligne. Les applications en temps réel, comme les jeux vidéo et la réalité virtuelle, se basent sur des techniques d’approximation et de précalcul pour atteindre des résultats réalistes. L’objectif de ce mémoire est l’investigation de différentes paramétrisations animées pour concevoir une technique d’approximation de rendu réaliste en temps réel. Notre investigation se concentre sur le rendu d’effets visuels appliqués à des personnages animés par modèle d’armature squelettique. Des paramétrisations combinant des données de mouvement et d’apparence nous permettent l’extraction de paramètres pour le processus en temps réel. Établir une dépendance linéaire entre le mouvement et l’apparence est ainsi au coeur de notre méthode. Nous nous concentrons sur l’occultation ambiante, où la simulation de l’occultation est causée par des objets à proximité bloquant la lumière environnante, jugée uniforme. L’occultation ambiante est une technique indépendante du point de vue, et elle est désormais essentielle pour le réalisme en temps réel. Nous examinons plusieurs paramétrisations qui traitent l’espace du maillage en fonction de l’information d’animation par squelette et/ou du maillage géométrique. Nous sommes capables d’approximer la réalité pour l’occultation ambiante avec une faible erreur. Notre technique pourrait également être étendue à d’autres effets visuels tels le rendu de la peau humaine (diffusion sous-surface), les changements de couleur dépendant du point de vue, les déformations musculaires, la fourrure ou encore les vêtements. / While realistic rendering gains more popularity in industry, photorealistic and physically- based techniques often necessitate offline processing due to their computational complexity. Real-time applications, such as video games and virtual reality, rely mostly on approximation and precomputation techniques to achieve realistic results. The objective of this thesis is to investigate different animated parameterizations in order to devise a technique that can approximate realistic rendering results in real time. Our investigation focuses on rendering visual effects applied to skinned skeletonbased characters. Combined parameterizations of motion and appearance data are used to extract parameters that can be used in a real-time approximation. Trying to establish a linear dependency between motion and appearance is the basis of our method. We focus on ambient occlusion, a simulation of shadowing caused by objects that block ambient light. Ambient occlusion is a view-independent technique important for realism. We consider different parameterization techniques that treat the mesh space depending on skeletal animation information and/or mesh geometry. We are able to approximate ground-truth ambient occlusion with low error. Our technique can also be extended to different visual effects, such as rendering human skin (subsurface scattering), changes in color due to the view orientation, deformation of muscles, fur, or clothes

[pt] Ainda hoje a animação de caracteres tridimensionais é um processo manual. Aplicações como jogos de computadores, ou capturas de movimentos para efeitos especiais em filmes requerem incessante intervenções do artista, que praticamente guia os movimentos a cada passo. Nesses exemplos as ferramentas disponíveis oferecem geralmente edição de detalhes, ou no espaço ou no tempo. Essa tese utiliza duas abordagens analíticas ao processo de animação: harmônica e modal, permitindo descrever movimentos com poucos controles. O resultado destas animações é mostrado em tempo real para o usuário graças às suas implementações na GPU. Em particular, permite escolher os parâmetros de controle através de galerias animadas em tempo real ou ainda usar as freqüências da música para guiar a animação. / [en] Animation of three-dimensional characters is still a mostly manual process. Applications such as computer games and motion capture for special effects in movies require continuous intervention from the artist, who needs to guide the movement almost step by step. In such examples the available tools provide controls mainly over local details, either in space or in time. This thesis uses two analytical frameworks to deal with the process of animation: harmonic and modal analyses, allowing the description of movements with a reduced set of controls. A GPU implementation of the resulting animations allows for real-time rendering of those. In particular, it allows applications such as interactive control tuning through design galleries animated in real-time or three-dimensional music visualization. Particularly, it allows the choice of control parameters through the use of animated galleries in realtime and the use of music frequencies to guide the animation.

The goal of this work is to create an application, which will combine procedural and keyfram animations with subsequent visualization. Composition of this two different animations techniques is used to animate a virtual character. To combine this two techniques one starts with interpolations from keyframe animation and then enchance them by procedural animations to properly fit into the characters surroundings. This procedural part of animation is obtained by using forward and inverse kinematics. Whole application is written in C++, uses GLM math library for computations and OpenGL and GLUT for final visualization.

The goal of this project is to inform a reader about compact workflow of creating complex computer animation using 3D modelling and animation software 3ds Max. It guides him through the whole process from creating models, texturing and skinning them, to animation pointed at more difficult parts of the animation process. Beside the practical examples, this paper includes necessary theoretical explanation of particular problems. After reading this paper, the reader should be well acquainted with the compact process of creating the complex animation.

This work deals with the creation of a graphic demo with the use of inverse kinematics. It explains the motivations that led to the creation of the demo; it briefly mentions the history of the demo as well as the principles of animation. It describes in detail the fundamentals of inverse kinematics as well as the terminology needed for the understanding of inverse kinematics. It also includes some selected algorithms. The issue of inverse kinematics is further developed in the part of the work where the principles of skinning are being described. The principles of the collision detection are also mentioned here. The conclusion consists of a detailed explanation of some of the techniques used in graphic demo, such as the L-systems or procedural textures.