When trying to make a game character come alive and add some sense of realism to a game, it can be done in multiple ways. Animating a 3D model is the commonly used one and it is usually done by hand. The artist moves the model's limbs bit by bit to make small animation clips that are then played in the game. This has a few drawbacks, it's time consuming and depending on what the character is doing in the game it won't always look accurate. Ragdolls can be used together with animations to help bring more realism to the model. Together with animation and colliders on the model limbs, it can simulate when the models limbs interact with objects on the screen. It can also simulate physical responses that happen. But some problems still remain that can't be solved by ragdolls and animation alone. One example is the foot position when a character walking up or down sloped terrain. The foot can clip through the terrain and destroy the sence realism, however ragdolls together with inverse kinematics can solve such problems.

<p>Animation av karaktärer är en viktig del inom dataspel. Den interaktiva, oförutsägbara naturen av spel kräver att karaktärer måste kunna reagera dynamiskt på händelser i miljön för att upplevas som realistiska. För att göra detta möjligt räcker det inte att använda tekniker baserade på förinspelad animationsdata eller fysisk simulation av karaktärer i medvetslöst tillstånd.</p><p>Ett system som kombinerar kontinuerlig fysisk simulation av karaktärer med ett kontrollsystem baserat på förinspelad animation åstadkommer fysiskt korrekta rörelser hos en karaktär. Genom att utöka ett sådant system med introducerandet av möjligheten för flera samtidigt samverkande kontrollsystem, baserade på dynamiska såväl som förinspelade tekniker, i ett uniformt interface kan en karaktärs rörelser modulariseras. Detta tillåter sammanställandet av en ”verktygslåda” av rörelser.</p><p>En sådan uniform verktygslåda, kombinerad med en kontrollerande artificiell intelligens, gör det möjligt att utveckla fullt självständiga virtuella karaktärer i en dynamisk miljö.</p>

Det huvudsakliga syftet med denna rapport är att genomföra och testa en implementationsteknik för ragdolls ämnade användas i spelsammanhang. Implementationen sker genom en kombination av en verletimplementering tillsammans med en fördefinierad bone-hierarki i meshen som skall användas. Verletimplementeringen programmerades som en grund till en enklare fysikmotor och parsningen och struktureringen av meshen sköttes parallellt utanför fysikmotorn. Rotationsmatriser för samtliga större kroppsdelar, såsom över- och underarmar, överkropp, huvud etc. beräknas sedan i fysikmotorn och används för att vrida mesh-kroppen rätt. Testerna utförda i detta arbete gick uteslutande ut på att mäta beräkningstider för de fysiska uträkningarna vilket innefattade ragdollens alla rörelser och framtagandet av de rotationsmatriser nödvändiga för meshen. Allt som hade med grafik att göra var borttaget från testet för att se hur väl metoden, som sådan, stod sig. Resultatet erhållet från dessa tester visade på att den här implementationstekniken för ragdolls bäst passar för hobbyprojekt eller som något utav en inkörsport till fysikberäkningar då beräkningstiden för varje ragdoll ansågs vara i överkant av vad som skulle klassas som tillåtet. / The primary purpose of this report is to apply and test an implementation technique for ragdolls meant to be used in a game context. The implementation is realized as a combination of a verlet implementation and a predefined bone hierarchy in the mesh meant to be used. The verlet implementation was programmed as a foundation for a simplified physics engine, and the parsing and structuring of the mesh was made outside of the physics engine as a stand-alone component. Rotation matrices for the major body parts, such as the arms and body, were calculated in the physics engine and later applied to the mesh so it would bend appropriately. The tests performed in this project were solely constructed to measure the computational times required for moving the ragdoll and extracting the rotation matrices from the same. Every part related to graphics was all but turned off to investigate how well the method, as such, would measure up. The result obtained from these tests showed that this implementation technique is best suited to be used as a hobby project or as an entry point to further and more complex physical calculations, as the computational times needed for each ragdoll was something of immense.

Animation av karaktärer är en viktig del inom dataspel. Den interaktiva, oförutsägbara naturen av spel kräver att karaktärer måste kunna reagera dynamiskt på händelser i miljön för att upplevas som realistiska. För att göra detta möjligt räcker det inte att använda tekniker baserade på förinspelad animationsdata eller fysisk simulation av karaktärer i medvetslöst tillstånd. Ett system som kombinerar kontinuerlig fysisk simulation av karaktärer med ett kontrollsystem baserat på förinspelad animation åstadkommer fysiskt korrekta rörelser hos en karaktär. Genom att utöka ett sådant system med introducerandet av möjligheten för flera samtidigt samverkande kontrollsystem, baserade på dynamiska såväl som förinspelade tekniker, i ett uniformt interface kan en karaktärs rörelser modulariseras. Detta tillåter sammanställandet av en ”verktygslåda” av rörelser. En sådan uniform verktygslåda, kombinerad med en kontrollerande artificiell intelligens, gör det möjligt att utveckla fullt självständiga virtuella karaktärer i en dynamisk miljö.

In the area of Physics-Based Animation using Reinforcement Learning (RL), multiple games and virtual simulations have had it as an objective throughout the years because of the added realism it brings to motions of characters. It also brings a realistic and practical interaction between the characters and their environment. By using a physically simulated ragdoll and Reinforcement Learning, the ragdoll can learn how to walk and balance. This has the potential of bringing realistic and interactive real-time animations, of normally rigid animations, to life. No longer do animators have to animate every single scenario of foot placement, collision, or fall because the physics-based character will produce realistic motions for every unique scenario. Previous work includes the article Data-Driven Responsive Control of Physics-Based Characters (2019)\cite{bergaminDReConDatadrivenResponsive2019} which uses a motion matching and Imitation method during its reinforcement learning to assure that the motion of the characters looks more human-like and realistic. The article, Emergence of Locomotion Behaviours in Rich Environments (2017)\cite{heessEmergenceLocomotionBehaviours2017} does not use motion imitation which means that the agent can develop any kind of motions, realistic-looking or not. None of these previous works, which uses different methods, have been tested against each other. The research question of the thesis is as follows: Which benefits does motion imitation bring to physics-based imitation? Both experiments and a survey were used to answer this question. To do this, the two separate methods of generating physics-based animation using Reinforcement Learning was implemented. One that used motion imitation, and one without using motion imitation. These were then compared against each other in terms of performance, responsiveness, realism, and appeal. The results of the experiments show that none of the versions had a better run-time performance, but the version without motion imitation did have a shorter learning time performance. This may be irrelevant though because the version without motion imitation took more attempts to develop, which resulted in additional time spent on learning. The version that used motion imitation had significantly better responsiveness which was measured by checking the different agent's ability to follow a certain goal speed. The survey was used to determine the realism and appeal of the different versions and the results show that all participants preferred the version that used motion imitation in terms of realism. The majority of the participants also thought the version with motion imitation had a more appealing motion.

<p>En stor del av spelkänslan ingår i hur saker beter sig och hur karaktärer rör sig. Animering är ett viktigt verktyg för att åstadkomma realistiska rörelser men räcker i många sammanhang inte för att leverera en fulländad känsla av realism. I fall interaktion med omvärlden är av stor vikt kan det vara nödvändigt tillämpa tekniker för dynamisk animation, ett komplext område som har potential att öka interaktivitet i datorspel.</p><p>Detta arbete presenterar en teknik för att tillåta animation att påverkas av externa krafter såsom gravitation, friktion, kollision och annat. Tekniken bygger på simulerad fysik i form av trasdockor (eng. ragdolls) som animeras genom data från animation och fysikberäkningar presenterade häri.</p><p>Tekniken testades i en applikation där trasdockorna animeras samtidigt som de utsätts för externa krafter. Applikationen påvisade att teorin är korrekt och har all potential att leverera animerade trasdockor som en modulär lösning till ett existerande system. Applikationen visade även att tekniken har mycket arbete kvar att göras innan den kan ses som färdigutvecklad eftersom trasdockan inte i alla fall beter sig naturligt.</p><p>Om tekniken tillåts evolvera fram tillsammans med andra arbeten inom området kan man komma att se stora förbättringar vad gäller interaktivitet i datorspel.</p>

En stor del av spelkänslan ingår i hur saker beter sig och hur karaktärer rör sig. Animering är ett viktigt verktyg för att åstadkomma realistiska rörelser men räcker i många sammanhang inte för att leverera en fulländad känsla av realism. I fall interaktion med omvärlden är av stor vikt kan det vara nödvändigt tillämpa tekniker för dynamisk animation, ett komplext område som har potential att öka interaktivitet i datorspel. Detta arbete presenterar en teknik för att tillåta animation att påverkas av externa krafter såsom gravitation, friktion, kollision och annat. Tekniken bygger på simulerad fysik i form av trasdockor (eng. ragdolls) som animeras genom data från animation och fysikberäkningar presenterade häri. Tekniken testades i en applikation där trasdockorna animeras samtidigt som de utsätts för externa krafter. Applikationen påvisade att teorin är korrekt och har all potential att leverera animerade trasdockor som en modulär lösning till ett existerande system. Applikationen visade även att tekniken har mycket arbete kvar att göras innan den kan ses som färdigutvecklad eftersom trasdockan inte i alla fall beter sig naturligt. Om tekniken tillåts evolvera fram tillsammans med andra arbeten inom området kan man komma att se stora förbättringar vad gäller interaktivitet i datorspel.

För att underlätta grafikers animationsarbete har det länge varit intressant att utforska olika fysikbaserade lösningar och göra dem effektiva. Detta arbetes mål har varit att undersöka olika villkorslösare för trasdocksfysik och fastställa vilken som hade bäst balans mellan tidseffektivitet och trovärdighet. Bakgrunden presenterar tidigare forskning som arbetet bygger på och går igenom viktiga begrepp inom trasdocksfysiksimulering relaterat till funktionalitet och trovärdighet. Olika scenarier och en benchmarker utvecklades för att testa trasdocksversionerna och kortare videoklipp skapades som observerades av respondenter för att avgöra versionernas trovärdighet. Resultatet från undersökningen visade inte på någon större skillnad för trovärdigheten av versionerna, men visade en större skillnad av tidseffektivitet mellan dem. Den sammantagna bedömningen blev att versionen med tre relaxationssteg, utan prioriteringsprocess av förskjutningar hade bäst balans. För framtida arbete är det intressant att studera hur väl versionerna presterar om de körs på GPU och att lägga till självkollision för trasdockan. / <p>Det finns övrigt digitalt material (t.ex. film-, bild- eller ljudfiler) eller modeller/artefakter tillhörande examensarbetet som ska skickas till arkivet.</p>

The main goal of this project was to familiarize readers with the techniques used in real-time animation of 3D characters. This work is focused on two types of animation: keyframe animation and skeletal animation. There are described algorithms for software and hardware accelerated model deformations, keyframe interpolations, animation blending, inverse kinematics and ragdoll. The result of this project is a framework, which consists of an animation library, examples demonstrating library functions and tools for export animations from 3D Studio Max and MilkShape 3D.