Simulación interactiva basada en esqueletos

La simulación interactiva basada en esqueletos (o deformaciones dinámicas interactivas basadas en esqueletos ) es una técnica científica de simulación por computadora que se utiliza para aproximar deformaciones físicas realistas de cuerpos dinámicos en tiempo real . Consiste en utilizar dinámica elástica y optimizaciones matemáticas para determinar las formas del cuerpo durante el movimiento y la interacción con fuerzas . Tiene diversas aplicaciones en simulaciones realistas para medicina , animación 3D por computadora y realidad virtual .

Los métodos para simular la deformación, como los cambios de forma, de cuerpos dinámicos implican cálculos intensivos, y se han desarrollado varios modelos. Algunos de ellos se conocen como deformación de forma libre , deformación impulsada por esqueleto , deformación dinámica y modelado anatómico . La animación esquelética es bien conocida en la animación por computadora y la simulación de personajes 3D. Debido a la insensibilidad al cálculo de la simulación, existen pocos sistemas interactivos que puedan simular de forma realista cuerpos dinámicos en tiempo real . Poder interactuar con un modelo 3D tan realista implicaría que los cálculos tendrían que realizarse dentro de las limitaciones de una velocidad de fotogramas que sería aceptable a través de una interfaz de usuario .

Investigaciones recientes han aprovechado modelos y métodos desarrollados previamente para ofrecer simulaciones suficientemente eficientes y realistas. El potencial de esta técnica abarca desde la imitación de expresiones faciales humanas para la percepción hasta la simulación en tiempo real de un actor humano u otros organismos celulares . El uso de restricciones esqueléticas y fuerzas parametrizadas para calcular deformaciones también permite reproducir la estructura ósea de una célula individual , así como la de un organismo vivo de mayor tamaño, como las vértebras . Las simulaciones generalizadas de fuerzas externas hacen que los cálculos de elasticidad sean más eficientes y posibilitan interacciones en tiempo real.

Este tipo de sistema de simulación consta de varios componentes:

• una malla poligonal que define la forma del cuerpo del modelo
• una malla volumétrica gruesa utilizando métodos de elementos finitos para asegurar una integración completa en todo el modelo.
• restricciones de línea correspondientes al esqueleto interno e instrumentadas al modelo
• linealización de las ecuaciones de movimiento para lograr velocidades interactivas
• regiones jerárquicas de la malla asociadas con líneas esqueléticas
• combinación de simulaciones linealizadas localmente
• una red de control mediante subdivisión que ajusta el modelo rodeándolo y cubriéndolo
• una base jerárquica que contiene funciones que proporcionarán valores para la deformación de cada red

dominio con cálculos de estas funciones jerárquicas similares a los de las ondículas perezosas

En lugar de ajustar el objeto al esqueleto, como suele hacerse, este último se utiliza para establecer restricciones de deformación. Además, la estructura jerárquica permite introducir o eliminar niveles de detalle según sea necesario, por ejemplo, al observar desde la distancia o al visualizar superficies ocultas.

Se utilizan poses precalculadas para interpolar entre formas y lograr deformaciones realistas durante los movimientos. Esto significa que se evitan los fotogramas clave tradicionales.

Existen similitudes en la optimización del rendimiento entre esta técnica y los métodos de generación procedimental , ondículas y compresión de datos .

Para lograr la interactividad, son necesarias varias optimizaciones que dependen de la implementación específica.

Comience definiendo el objeto que desea animar como un conjunto (es decir, defina todos los puntos): ${\displaystyle p:\Omega \times \mathbb {R} \rightarrow \mathbb {R} ^{3}:(x,t)\mapsto p(x,t)}$.

Entonces, contrólalo. Deja${\displaystyle p_{S}:S\times \mathbb {R} \rightarrow \mathbb {R} ^{3}}$

A continuación, debes definir el estado de reposo del objeto (el punto sin oscilación): ${\displaystyle r(x)=\sum _{a}r_{a}\emptyset ^{a}(x)=r_{a}\emptyset ^{a}(x)=x}$

Se están llevando a cabo proyectos para perfeccionar esta técnica y presentar los resultados en SIGGRAPH , con referencias detalladas disponibles. Instituciones académicas y empresas comerciales como Alias ​​Systems Corporation (creadora del software de renderizado Maya ), Intel y Electronic Arts se encuentran entre los principales impulsores de este trabajo. También existen vídeos que muestran las técnicas, con editores que demuestran la interactividad en tiempo real con resultados realistas. El videojuego Spore también ha mostrado técnicas similares.

• Cinemática
• Dinámica
• Animación por computadora
• Animación esquelética
• Animación de transformación de objetivo
• Gráficos por computadora en 3D
• Desarrollo de la espora

• Animación interactiva de personajes mediante simulación elástica dinámica , 2004, tesis doctoral de Steve Capell.
• Deformaciones dinámicas interactivas impulsadas por esqueletos , SIGGRAPH 2002. Autores: Steve Capell, Seth Green, Brian Curless, Tom Duchamp y Zoran Popović.
• Un marco multirresolución para deformaciones dinámicas , SIGGRAPH 2002. Autores: Steve Capell, Seth Green, Brian Curless, Tom Duchamp y Zoran Popović.
• Sistemas de rigging basados ​​en la física para personajes deformables , SIGGRAPH 2005. Autores: Steve Capell, Matthew Burkhart, Brian Curless, Tom Duchamp y Zoran Popović.
• Deformación basada en esqueletos: conferencia sobre modelado, simulación y animación basados ​​en la física , 2005, Ming C. Lin , Universidad de Carolina del Norte, EE. UU.

• Vídeo de un editor interactivo de modelos y esqueletos con introducción a la teoría básica , Universidad de Washington, EE. UU.
• Proyecto de Objetos y Personajes Deformables , Universidad de Washington, EE. UU. Incluye vídeos de ejemplo de las técnicas.
• Proyecto de bibliotecas de movimiento para animación de personajes , Universidad de Washington, EE. UU. Incluye vídeos de ejemplo de las técnicas.