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Membres supérieurs. 2 3 4 Lune des tâches danimation les plus courantes de lanimation du corps humain concerne le mouvement des membres supérieurs.

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1 Membres supérieurs

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4 4 Lune des tâches danimation les plus courantes de lanimation du corps humain concerne le mouvement des membres supérieurs. Il est plus simple du point de vue du calcul de considérer le bras comme un appendice qui se déplace indépendamment du reste du corps. Cela peut donner lieu à un mouvement dune allure peu naturelle dans certains cas. À moins davis contraire, le bras sera considéré de manière isolée. Si nécessaire, on doit prévoir une étape de pré-traitement servant à positionner le personnage et le préparer à un mouvement de bras. Mouvement des membres supérieurs

5 5 Modélisation du bras Le modèle de base du bras humain, si lon fait abstraction des articula- tions de la main, peut être représenté sous la forme dun manipulateur à 7 DDL. Une configuration ou pose dun bras renferme 7 angles darticulation. La rotation de lavant-bras est associée au poignet alors que, dans la réalité, elle nest pas associée à une articulation localisée mais répartie sur lavant-bras lui-même.

6 6 Modélisation du bras Parfois, cette rotation est associée au coude, alors que dautres réalisations créent une articulation virtuelle à mi-chemin de lavant-bras.

7 7 Limitation des mouvements Il est évident que les articulations du bras humain présentent des limites. Si lon dépasse ces limites, cela entraîne un aspect non naturel. Ex. :Mouvement de lépaule Abduction - adduction de lépaule Flexion - extension de lépaule Les quelques limitations présentées ci-dessous sont tirées de « Krusens Handbook of Physical Medecine and Rehabilitation ».

8 8 Mouvement du coude : Flexion - extension du coude Limitation des mouvements

9 9 Mouvement du poignet : Flexion - extension du poignet Limitation des mouvements

10 10 Mouvement des articulationsmétacarpophalangiennes et interphalangiennes: Flexion - extension Limitation des mouvements Flexion - extension

11 11 Mouvement des articulationsdes doigts: Flexion - extension Limitation des mouvements Flexion - extension

12 12 Mouvement du pouce : Abduction - adduction Limitation des mouvements

13 13 Mouvement du pouce : Articulation métacarpophalangienne Limitation des mouvements Articulation interphalangienne

14 14 Limitation des mouvements Les limites darticulation peuvent aussi varier selon la position dautres articulations; de nouvelles limites sont imposées aux articulations pour éviter lintersection dappendices avec dautres parties du corps. Exemple : La rotation de lavant-bras autour de laxe vertical est limitée par le tronc.

15 15 Calcul des mouvements En appliquant ces limites darticulation, certains mouvements généraux peuvent être obtenus via un modèle de cinématique direct tout en créant un mouvement relativement convaincant. En revanche, si le bras / main doit être actionné p/r à un objet fixe, un modèle de cinématique inverse est nécessaire. Exemple :Un bouton de porte. Malheureusement, cela ne garantit pas lobtention dun mouvement humain. Dans le modèle de base précédent, si uniquement la position souhaitée de leffecteur final est donnée, alors plusieurs solutions existent. Cela risque de produire des configurations qui nont pas lair naturelles. Il est préférable de spécifier la position finale du poignet et non des doigts pour mieux contrôler les configurations produites.

16 16 Calcul des mouvements Même si le poignet et lépaule sont fixes, plusieurs positions pouvant être adoptées qui satisfont à la fois aux contraintes et aux limites darticulations. Orienter les angles darticulations vers des orientations préférées pour certaines tâches (approche de moindre effort) permet de réduire quelque peu le problème à solutions multiples. Afin de contrôler le mouvement avec plus de précision, lanimateur peut spécifier des positions et des orientations intermédiaires pour leffecteur terminal ainsi que pour les articulations intermédiaires. Cela permet de définir des poses clés pour les liaisons. Une méthode de cinématique inverse peut ensuite être appliquée pour passer dune pose à une autre de façon que le bras reste orienté sur le trajet donnant à lanimateur un meilleur contrôle du mouvement final.

17 17 Calcul des mouvements Au lieu dutiliser lapproche de cinématique inverse à laide du Jacobien inverse, on opte pour la construction du bras dans un plan spécifié par lutilisateur entre lépaule, le coude et le poignet. Une fois le plan fixé, les angles de lépaule et du coude peuvent être aisément calculés et ajustés en fonction de ce plan. un angle à 1 DDL

18 18 Articulation de lépaule Cela est généralement modélisée sous la forme dune articulation à rotule avec 3 DDL. Cest en réalité plus complexe. F. Scheepers(96) propose dans sa thèse "Anatomy-Based Surface Generation for Articulated Models of Human Figures" un modèle davantage réaliste de la clavicule et de lomoplate ainsi que de larticulation de lépaule. Lauteur donne aussi une réponse au problème de la rotation de lavant-bras au moyen dune articulation au milieu de lavant-bras.

19 19 Composition de la main Elle est composée de 27 os répartis en 3 groupes : - carpes ou os du poignet, - métacarpes ou os de la paume, - phalanges ou os des doigts. phalangines phalangettes

20 20 Importance de la main «Ce nest pas, en effet, la main, absolument parlant qui est une partie de lhomme, mais seulement la main capable daccomplir son travail, donc la main animée; inanimée, elle nest pas une partie de lhomme.» Aristote. Nous navons quà considérer les 3 principales tendances des gestes de la main : - le geste comme manière dêtre, « la main est le sismographe des réactions affectives » de C. Wolff - le geste comme manière de dire, la main accompagne naturellement la parole - le geste comme manière de faire « il ne lui suffit pas de prendre ce qui est, il faut quelle travaille à ce qui nest pas et quelle ajoute aux règnes de la nature un règne nouveau » H. Focillon Tiré de Isabelle Létourneau, La main humaine Lieu de manifestation et condition dactualisation. Éditions du Scribe, 2001.

21 21 Importance de la main La main humaine, organe dune extraordinaire complexité, est un instrument primordial pour laction quotidienne. Défi :la simulation dynamique et complète de la main et de lavant-bras humains. Applications :étude dergonomie,rééducation, compréhension des maladies professionnelles, télé manipulation, jeux vidéo,cinéma. Cette main robotique conçue au Département de génie mécanique de lUL pourrait servir de "main" au bras canadien. Concevoir et fabriquer un préhenseur calqué sur la main humaine coûte très cher et inutilement complexe pour la plupart des actions demandées à un robot. Clément Gosselin, directeur du Laboratoire de robotique.

22 22 Modèle de la main humaine Modèle conçu par Catmull(72) à laide de polygones

23 23 Modèle de la main humaine Modèle simple dune main et de ses doigts : Ce modèle a été utilisé dans les travaux de Rijpkema et Girard, SIGGRAPH91.

24 24 Modèle de la main humaine des modèles avec des articulations plus précises dans la zone de la paume pour obtenir un mouvement dallure humaine. Ce modèle est proposé par Nadia M. Thalmann & Daniel Thalmann. Synthetic Actors in Computer-Generated 3D Films. Springer-Verlag, 1990.

25 25 Modèle de la main humaine Modèle plus simple combinant les 4 doigts en une même surface : Cela réduit à la fois la complexité de laffichage et du contrôle du mouvement.

26 26 Modèle de la main humaine Modèle intermédiaire : On peut conserver la même qualité de limage si lon utilise un modèle très détaillé en se contentant toutefois de coordonner le mouvement de lensemble des articulations des 4 doigts avec un seul paramètre.

27 27 Modèle de la main humaine Modèle multicouches : la surface de la peau (un maillage 3D de 3000 triangles), obtenue à laide dun plâtre le squelette de la main constitué de 29 maillages triangulaires, Tiré du domaine public : Une mise à léchelle est effectuée pour tenir compte de la surface de la peau. un ensemble de pseudo muscles permettant de décrire le mouvement des os de la main à laide de données anatomiques et de lois mécaniques. un ensemble de muscles "géométriques" simulant la déformation de la peau de la main. I. Albrecht, Construction and Animation of Anatomically Based Human Hand Models. Eurographics / SIGGRAPH Symposium on Computer Animation (2003)

28 28 Modèle multicouches (suite) : Une structure hiérarchique représentant le squelette de la main avec un repère associé à chaque articulation. 5. Note : Ces 2 types de muscles sont animés à partir dun paramètre de contraction (paramètre entre 0 et 1). À chaque image, la déformation de la peau et la position des os sont déterminées à partir de ces paramètres de contraction.

29 29 Limitation des angles darticulation Les mouvements des doigts de la main sont régis par des contraintes biomécaniques qui font que certaines postures ne sont pas réalisables. Contraintes statiques : Cela traduit les limites des angles dabduction / adduction ou de flexion / extension possibles des différentes articulations. Exemple :Langle de flexion / extension des premières phalanges des 4 doigts est compris entre –110° et 15°. Contraintes dynamiques : 2. Cest presque impossible de modifier langle darticulation au bout dun doigt sans altérer langle voisin du même doigt. = (2/3) une relation presque linéaire : Tiré de J. Lee & T. L. Kunii, Model-Based Analysis of Hand Posture. IEEE CG & A, September 95, pp Les articulations dun doigt varient dans un plan (sauf larticulation métacarpophalangienne). Cela réduit dès lors le # de DDLs.

30 30 Limitation des angles darticulation 3. Lors dun mouvement dabduction / adduction, le majeur ne bouge pas de façon appréciable à moins de ly forcer. 4. interdépendance entre la flexion /extension et labduction /adduction de chaque phalange Plus langle de flexion / extension est grand, plus labduction / ladduction des doigts est limitée. Considérons larticulation métacarpophalangienne a : angle dabduction / adduction, f : angle dextension / flexion, a min, a max, f min, f max : contraintes statiques sur a et f, alors1 -1 f x a max f max est le maximum qui peut être atteint pour a. et

31 31 Limitation des angles darticulation 5. Langle dextension/flexion de larticulation métacarpophalangienne varie dans un intervalle ayant comme largeur 90°, légèrement moins pour lindex, et allant en croissant en séloignant de lindex. Note :la flexion dun doigt isolé peut entraîner la flexion dun voisin, la flexion dun doigt isolé est limitée par létat dextension des doigts adjacents, lextension dun doigt est entravée par la flexion des autres, Posons 2, 3, 4 et 5 langle dextension / flexion de lindex, du majeur, de lannulaire et de lauriculaire resp. contraintes statiques

32 32 Préhension humaine Pourquoi la simuler ? Chirurgie médicale et conception de prothèses artificielles pour corriger les déficiences humaines dues à des accidents ou des malformations, acteurs virtuels interagissant avec lenvironnement. Approches de la simulation empirique : La connaissance est acquise en observant comment les humains saisissent les objets. Difficulté : Déduire à partir dobservations du comportement humain des principes devant être appliqués à des modèles dapproximation. analytique : On se base sur les lois de la physique pour simuler ce processus. Difficulté : On doit simplifier les modèles; cest donc valide pour un ensemble très réduit dexpériences.

33 33 Préhension humaine But final en animation : Lapparence réaliste des images et pas nécessairement un modèle absolument exact du monde physique. Exemple de préhension humaine Aspects à considérer : Déterminer les angles darticulations afin de saisir avec précision un objet. Une fois lobjet saisi, lobjet et la main ne font plus quun. Exemple : En saisissant un livre, les mouvements du bras et du livre sont combinés. Choisir le type de prises et le mode dutilisation de ces prises.

34 34 Préhension humaine Rendez-vous à Montréal. Marilyn saisit un verre et le porte à sa bouche.

35 35 Préhension humaine Caractéristiques à considérer dans un système de préhension : Utilisation de pincement quand lobjet est trop petit. Utilisation de 2 mains quand lobjet est trop grand ou trop gros. Imposer des contraintes sur plusieurs articulations pour assurer une fermeture réaliste de la main. Définir une méthode heuristique pour choisir une des stratégies de préhension selon la géométrie des objets, celle des mains et lobservation de la préhension réelle. La cinématique inverse peut déterminer les postures finales des bras de façon à amener les mains autour des objets. La forme des objets décide des points de contact des doigts sur les objets, leur position et leur orientation. Notes de cours, Daniel Thalmann

36 36 Préhension humaine Stades à lintérieur dune prise Une prise, quel que soit son type, se compose de quatre stades : Ouverture de la main. Fermeture des doigts pour saisir lobjet et sadapter à sa forme. Réglage de la force exercée pour tenir lobjet. Cette force exercée par un individu dépend du poids, des caractéris- tiques de la surface, de la fragilité et de lutilisation de lobjet. Relâchement de la prise, au cours duquel la main souvre pour laisser lobjet.

37 37 Préhension humaine capacité de montrer du doigt, saisir des objets de différentes formes, exercer des forces telles que celles nécessaires pour dévisser le couvercle dun bocal par exemple, etc. Le pouce confère aux humains une grande dextérité manuelle. Rôle du pouce lors de la préhension Le pouce, bien quil ne soit pas toujours utilisé dans les prises, donne à la main à la fois de la stabilité et une aide pour contrôler la direction dans laquelle lobjet se déplacera.

38 38 Préhension humaine Les études sur la préhension considèrent au moins 16 catégories différentes de préhension. Le choix du meilleur mode de préhension (le plus efficace et/ou le plus crédible) ajoute énormément de complexité à la simple capacité de réalisation de la prise. Types de prises et modes dutilisation de ces prises On peut considérer différents critères pour choisir un mode de préhension : - si lobjet est trop petit pour être saisi avec plus de 2 doigts (pincement), - si lobjet est trop grand ou trop lourd pour le saisir avec une main, une préhension à 2 mains est appliquée, utilisant les 2 mains sur les côtés opposés de lobjet, - pour une forme dobjet irrégulière, la décision est prise en fonction de volumes enveloppants.

39 39 Préhension humaine Prises de force Les doigts maintiennent lobjet contre la paume; la main est alignée sur lavant-bras; cette prise nécessite un contrôle ferme.

40 40 Préhension humaine Prises de précision limitées surtout aux articulations métacarpophalangiennes; un contact pulpe contre pulpe entre le pouce et les doigts; le pouce soppose aux autres doigts.

41 41 Préhension humaine Dautres types de prises : Prises à 2 mainsPrises à plusieurs Environnements Virtuels Multimédias, Daniel Thalmann.

42 42 Coordination du mouvement Linteraction entre parties du corps est un problème qui dépasse la détermination des articulations à utiliser dans un mouvement donné. Si le fait de considérer le bras et la main comme des systèmes indépendants et distincts simplifie la stratégie de contrôle, leur relation avec le reste du corps doit être pris en compte pour un traitement plus robuste de la préhension. - repositionner, tordre ou plier le torse, - effectuer des mouvements de réaction avec lautre bras, - contrebalancer avec les jambes. Au lieu de conserver le reste de son corps en une position fixe et de tendre les articulations jusquà leur limite et produire un stress, il est préférable que dautres parties du corps coopèrent pour soulager la tension musculaire et conserver léquilibre. Exemple :La marche implique non seulement les jambes mais le torse, les bras et même la tête.

43 43 Coordination du mouvement Expérience : - tendre son bras vers le côté, - tourner la paume de sa main face à vous, - tourner ensuite la main face vers le bas et essayer de continuer à la faire tourner jusquà ce quelle revienne de nouveau face à vous. Réalisez lexpérience en nimpliquant que la main/poignet/avant-bras. Répétez lexpérience en ajoutant le bras et lépaule. Répétez lexpérience en ajoutant un mouvement du torse, de la clavicule et du dos. Modélisez ce mouvement de façon réaliste est très difficile.

44 44 Préhension avec contournement dobstacles La spécification et le contrôle du mouvement de préhension sont compliqués en plaçant dans lenvironnement des obstacles quil faut éviter. Il ne suffit pas de planifier un trajet sans collision pour leffecteur terminal. Le membre entier balaie pendant lopération de préhension un volume despace qui doit être totalement libre de tout objet afin déviter toute collision. DE PLUS, Les stratégies pour déterminer le trajet sont souvent complexes et les résultats ont dans bien des cas une allure non humaine. Le coût dune collision peut avoir une incidence sur le trajet résultant : le coût dune collision avec une clôture en fil de fer barbelé est plus élevé quavec une serviette de toilette.

45 45 Relation entre les gestes de la main et la parole Interprétation des gestes de la main

46 46 Références David J. Magee, Lévaluation clinique en orthopédie. Edisem Inc., 1988, chap. 6, pp Gilles Cours, Apprendre à dessiner les mains. Éditions FLEURUS, sept. 2002, 32p. Rick Parent, ANIMATIQUE Algorithmes et techniques. Vuibert, 2003, chap. 6, section 6.1, pp Hans Rijpkema and Michael Girard, Computer Animation of Knowledge-Based Human Grasping. Computer Graphics, Vol. 25, No. 4, July Ying Wu and Thomas S. Huang, Hand Modeling, Analysis, and Recognition. IEEE Signal Processing Magazine, Mai 2001, pp


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