2 - Le Dessin d'animation : le 3D

 

d) - La simulation du mouvement

 

La simulation, contrairement à l'interpolation entre les positions clés et à la captation du mouvement, engendre le mouvement des personnages et des objets en se fondant uniquement sur les lois de la physique. Les personnages sont généralement représentés par un ensemble de segments coporels rigides.

Le corps, par exemple, peut être constitué d'un tronc, de segments supérieurs et inférieurs, et de pieds reliés par des articulations. Pour élaborer des modèles précis, il a fallu recueillir des données mécaniques y compris en prenant des mesures sur les cadavres. L'avant bras d'un homme adulte virtuel a une masse de 1,1 kg, une longueur de 24 cm et une circonférence moyenne de 25 cm.

 

Malgré tout, les modèles ne ressemblent qu' aproximativement au corps humain : les segments corporels sont trop rigides et ne tiennent pas compte des mouvements des muscles sur l'os ...

D'autre part, l'ordinateur calcule plus difficilement le mouvement des organismes que celui des objets inertes. Pour ces derniers des équations issues de lois physiques suffisent.

Ex : un ballon qui dévale une pente ne dépend que :

  • des forces auxquelles il est soumis : gravité (poids), frottements contre le sol, frottements avec l'air ...

  • et des conditions initiales

Les êtres vivants en revanche, sont animés par les sources d'énergies internes. Un programme générateur de commandes musculaires a été mis au point. C'est le système de contrôle : il calcule les couples de forces nécessaires au déplacement de chaque articulation pour permettre au personnage d'accomplir les actions choisies, et les applique aux bonnes articulations.

Ex : Pour la course à pied, le système de contrôle détermine les couples nécessaires pour ramener la jambe vers l'avant, avant que le pied touche le sol, afin que le coureur ne tribuche pas. Ici, il faut prendre en compte les forces de réactions avec le sol, le temps d'envol, la longueur et l'amplitude des pas ...

 

 

Le fonctionnement du système de contrôle :

 

Le système de contrôle utilise des « automates d'états * » qui détermine ce que chaque articulation doit faire à chaque instant, puis il assure que les articulations exécutent ces fontions au moment approprié.

Ex : La course à pied, est une activité cyclique où altèrnent  :

  • une phase de soutien, lorsqu'une jambe sert d'appui ; et
  • une phase d'envol, quand aucun des deux pieds n'est en contact avec le sol.

     Pendant la phase de soutien, la cheville, le genou et la hanche, du coté de la jambe en contact avec le sol, doivent assurer le soutien et l'équilbre. Quand cette jambe est en l'air, la hanche a une fonction différente : faire osciller la jambe vers l'avant pour préparer au contact suivant.

 

L'automate des états sélectionne parmi les différents rôles de la hanche, l'action appropriée pour la phase en cours.

Ensuite à chaque phase du mouvement sont associées des lois de contrôle : équations qui représentent la manière dont chaque segment corporel doit bouger pour accomplir le mouvement prévu, avec lesquelles l'ordinateur calcule les angles nécessaires pour chacunes des 30 articulations du corps humain virtuel.

Pour déplacer les articulations vers les positions désirées, le système de contrôle calcule ensuite les couples de force adaptés grace à des équations qui reproduisent la fonction motrice des muscles.

Pour simplifier l'écriture des lois de contrôle, on utilise les synergies : on associe, met en commun plusieurs organes pour accomplir une action tout en minimisant la consommation d'énergie.

Ex : La course à pied. Pendant la phase de soutien, les articulations de la cheville et du genou coopèrent dans la poussée sur le sol.

 

 

 

 

En général, les mouvements sont mieux décrits lorsque bougent aussi des segments qui ne travaillent pas au cours de phases particulières.


La technique de la simulation a deux avantages par rapport à l'interpolation et à la captation du mouvement.

  • D'abord, les simulations sont plus générales : les mêmes lois décrivent des mouvements légèrement différents. Par exemple, les mêmes techniques de simulations animent une course à 4 m.s-¹ et une course à 5 m.s-¹. Avec les autres techniques d'animation, l'action perd son naturel si on se contente d'accelérer ou de ralentir la séquence.

  • De plus, les simulations peuvent être inéractives, qualité importante pour les environnemnt virtuels et les jeux vidéo où les personnages doivent réagir aux actions de personnes réelles.

     


La simulation reste toute fois difficile d'utilisation, et n'est exécutable que par des ordinateurs puissants. Cependant des programmes où l'ordinateur combine les quatres systèmes de contrôle fondamentaux [ sauter, tourner en l'air, atterir, et s'équilibrer ] ont été mis au point pour faciliter l'utilisation et la création de mouvements complexes tels les sauts périlleux ou les plongeons.

Autre difficulté : la simualtion doit s'adapter à la morphologie et aux contraintes.

 

L'adaptation de la simulation à la morphologie :


Les systèmes de contrôle sont adaptés aux propriétés particulières d'un modèle donné et, en général, le système mis au point pour un adulte ne fonctionne pas pour un enfant.

Des techniques d'ajustement des systèmes de contrôle permettent la modification d'un comportement existant et son adaptation à un autre personnage dont les caractéristiques physiques sont différentes de celles du modèle comme les différences de masses corporelles, par exemple.

 

L'adaptation de la simulation aux contraintes :


Ex : Pour la simulation du saut, les contraintes sont :

  • que le personnage parte du sol
  • qu'il soit ensuite en l'air

  • et qu'il revienne au sol

C'est un logiciel d'ajustement qui determinera automatiquement les actions que le personnage effectuera : il plie les genoux, avant de sauter pour obtenir la hauteur maximale avec une dépense d'énergie minimale.

 

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Bien que la mise au point de systèmes de contrôle soit difficile, leur utilisation est assez simple et aujourd'hui les animateurs utilisent les logiciels sans connaître toutes les équations sous-jacentes.


Les limites de cette technique :

Si la simulation permet la reproduction d'actions générales, elle n'aide pas à réaliser des mouvements en détails. Par exemple, pour animer un cycliste, l'animateur peut indiquer la trajectoire suivie par la bicyclette mais il ne pourra pas montrer que le cycliste pédale de façon décontratée. Plus généralement, la simulation est beaucoup plus difficile quand les mouvements humains peuvent être exécutés de différentes façons selon les personnes.


--> Pour l'animation de mouvements globaux, on utilise la simulation et pour affiner les mouvements tels que les expressions faciales, on utilise l'interpolation.


Les mouvements sont également rendus plus réalistes grâce à l'ajout d'éléments secondaires, passifs qui réagissent en fonction des mouvements du personnage principal.


Ex :

    • Un trampoline se déforme lorsqu'un gymnaste rebondit dessus ...

    • Le sable se tasse sous le poids du coureur ce qui ralentit sa course ...

    • Les vêtements, modélisés par un ensemble de points reliés par des ressorts, bougent avec la personne qui les portent.



La simulation est une technique qui est vouée à encore s'améliorer puisqu'elle dépend des avancées scientifques en informatique. On remarque que depuis le developpement de cette technique, de nouveaux métiers, qui n'existaient pas auparavant, se sont créés.

 

 

 

 

 

 

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