Efficient Generation of Animations using Kinematics and Dynamics

Abstract

본 학위논문은 컴퓨터 애니메이션 연구 분야 내 여러 가지 연구 주제들을 다루면서 보다 효율적으로 3D 캐릭터 애니메이션을 생성하는 방법을 제시한다. 캐릭터를 움직이는 다양한 3D 동작들을 생성하기 위해서는 관련된 동작에 관한 특징을 분석하고, 해당 특징을 토대로 기구학(kinematics) 또는 동역학(dynamics)을 사용하여 새로운 동작을 정의하는 과정이 필요하다. 연구 내용은 크게 다음과 같이 두 가지 방향으로 설정하였는데, 우선은 일반적인 기구한 기반의 동작 생성 방식에서 공통적으로 수행되는 일부 과정의 효율을 높이는 것이고, 다음으로는 일반적으로 동작 생성이 어렵다고 인식되는 특이한 연구 주제들을 선정하여 동역학 기반의 동작 생성 방식으로 시도하는 것이다. 세부적으로는 총 네 가지의 연구 케이스로 나누어 연구를 진행하였으며, 논문의 각 장에서 연구개발 및 실험 내용을 소개한다.

첫 번째 연구 케이스에서는 캐릭터 동작의 물리 기반 정규화(normalization) 기법을 연구개발 하였는데, 해당 기법을 통한 동작 데이터의 정규화는 다음과 같은 단계를 거쳐 수행된다. 우선 원본의 캐릭터 전신 동작 데이터로부터 동작 데이터의 물리적 특징 요소를 추출하여 IPC 모델 동작으로 변환하고, 변환된 IPC 모델 동작이 가지는 물리적 동작 특성을 유지함과 동시에 불필요한 동작 요소를 최소화하는 작업(정규화)을 거친 후, 정규화된 IPC 모델 동작과 기존의 원본 전신 동작을 조합하여 최종적으로 정규화된 전신 동작을 생성해낸다. 연구개발한 정규화 기법은 대량의 동작 데이터를 자동으로 분류하여 정리하는 동작 분류(motion classification) 및 클러스터링(clustering) 알고리즘들의 사전 처리 과정으로서 적용하여 기존 알고리즘들의 분류 정확도를 높이는 데에 기여할 수 있다.

두 번째 연구 케이스에서는 목표 표면 자세를 기준으로 캐릭터 관절을 제어하는 기존의 IK 풀이 방식을 개량하여, 새로운 가속화된 IK 풀이 방식을 연구하였다. 일반적으로 사용되는 기존의 IK 풀이 방식은 3중 중첩 반복 구조로 이루어진 계산 과정을 거쳐 관절 변수를 결정한다. 해당 연구는 기존의 계산 수식들 중 불필요하게 중복되어 계산되는 일부 항들을 사전 계산하는 방식으로 개량하였고, 결과적으로 2중 중첩 반복 구조의 계산 과정을 도출하였다. 자세 복원 실험 결과, 해당 연구를 통해 개발된 가속화된 IK 풀이 방식은 기존의 방식보다 약 3.14배가량 빠른 연산 속도를 보였으며, 목표 표면 위치에 관한 제약조건이 많아질수록 그 향상폭이 크게 나타나는 것을 확인할 수 있었다.

세 번째 연구 케이스에서는, 사용자 입력 경로에 따라 차량 주행 장면을 생성할 수 있는 물리 기반의 차량 주행 시뮬레이션 프레임워크를 연구개발 하였다. 해당 프레임워크는 PD servo를 차용하여 가상 자동차 모델의 이동 경로를 물리 기반으로 계산하여 실제 차량과 흡사한 주행을 연출하고, 외부 오브젝트(object)와의 충돌 시 차체가 찌그러지는 변형(deformation) 또한 연출한다. 내부적으로는 경로 라이브러리(path library)를 설계하여 물리 기반 경로의 계산에 소요되는 시간을 절약하였다. 이를 통해 특정 경로의 주행 장면뿐만 아니라, 노선 변경, 차량 간의 추월 및 충돌 장면까지 자동적으로 생성할 수 있으며, 사용자 지정 경로 대신 블랙박스 데이터나 GPS 경로를 입력함으로써 실제 차량 주행 상황을 3D 애니메이션으로 재연하는 데에도 활용할 수 있다.

마지막으로 네 번째 연구 케이스에서는, 실시간 추적 기반 연체 변형 시뮬레이션 프레임워크를 연구개발 하였다. 해당 프레임워크는 연체 속성을 가진 실제 오브젝트가 움직이는(변형하는) 모습을 저가형 RGBD 카메라를 통해 추적하고, 이를 물리 기반의 3D 시뮬레이션으로 실시간 연출한다. 사실적인 변형 묘사를 위해 사면체 부피 메쉬 모델(tetrahedral volumetric mesh) 및 물리 기반의 변형 기법인 FEM 기법을 차용하였으며, 일부 연산 과정은 저화질 및 고화질 삼각 표면 메쉬 모델(triangular surface mesh)로 대체함으로써 전반적인 시뮬레이션 속도를 높이고 결과적으로 실시간 묘사를 가능케 하였다. 오브젝트가 절단되는 상황 또한 메쉬 재구성(mesh reconstruction)을 통해 사실적인 묘사가 가능하다.

본 학위논문은 여러 가지 연구 케이스에 걸쳐 기구학 또는 동역학을 이용하여 효율적인 3D 애니메이션 생성 기법을 연구개발 하였다는 데에 가장 큰 의의를 둔다. 아울러 컴퓨터 애니메이션 연구 분야에서 일반적으로 동작 생성이 어렵다고 인식되는 몇 가지 연구 주제들을 모델별로, 동작별로, 목적별로 폭넓게 아우르며 동작 생성 방법에 관하여 연구했다는 점을 또 다른 의의로 둘 수 있다.|This thesis presents a few novel ideas to generate 3D character animation in more efficient ways while covering various challenging topics in the computer animation research field. In order to create motions of characters with various forms, it is necessary to analyze the features of given reference motions and to generate new motions using either kinematics or dynamics according to the analyzed motion features. We set the directions of research in two ways: improving previous methods frequently adopted in kinematics-based motion generation, and generating challenging dynamics-based motions. We planned four research cases, and each of these studies improves a different part of the animation pipeline.

In the first research case, we propose a novel character motion normalization method based on physics. The proposed method extracts motion physical features represented by pendulum motion from original motion data, normalizes the pendulum motion by reducing unnecessary elements while preserving essential physical elements, and reconstructs normalized full-body character motion. This normalization method is applicable as a pre-process for motion sorting methods such as motion classification and clustering to improve its accuracy performance. It is also useful for other applications that require extracting motion features and measuring similarities.

In the second research case, we propose an accelerated IK solving method for pose reconstruction of skeleton-based 3D models. In a baseline IK solver which uses a standard approach, the goal position of a given joint is determined based on target marker positions by performing computation using a 3-nested loop structure. In the accelerated IK solver, the existing computation process is simplified to a 2-nested loop structure by performing calculations for duplicated terms in advance. In our 3D pose reconstruction experiments, the average computation speed of our method is 3.14 times faster than the baseline method, and as the number of markers increases, the degree of performance improvement also significantly increases. This accelerated IK solver can improve efficiency in reconstructing 3D models based on the trajectory of surface points in a wide range of applications.

In the third research case, we propose a novel vehicle simulation framework based on physics that produces vehicle scenes guided by a user input trajectory. The proposed system approximates the physical movements of a real vehicle using a PD servo and deforms its shape to generate convincing interactions with other objects. Using a path library, our system avoids expensive simulation calculations and creates responsive vehicle scenes where multiple vehicles run on the specified paths, change lanes, pass other cars, and collide with other objects. The authoring process is fully automated and designed for a general user who is not familiar with the dynamic properties of moving vehicles. Also, using our system, it is possible to reenact real traffic situations by using GPS trajectories extracted from dashboard cameras.

For last, in the fourth research case, we propose a novel soft body simulation framework based on real-time tracking. Using a single RGBD sensor, the framework observes the object to simulate its deformation by tracking object movement and estimating the physical force in an iterative manner. During the simulation process, a set of models with different resolutions and structures(surface/volumetric) is used to improve the simulation speed and visual quality. Furthermore, it generates realistic results for topological deformations by reshaping the intersected part. To the best of our knowledge, there has been no real-time (that is, over 30fps) approach that performs soft body deformation of a real object using a single RGBD sensor. The proposed framework is applicable to various interactive applications in the VR and AR environments.

The main contribution of this thesis is that the novel techniques resulting from each research case allow the efficient generation of 3D animations using either kinematics or dynamics. Another contribution is that this thesis covers a wide range of research subjects frequently addressed in the computer animation research field, including various models, motions, and applications.