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  • Animao Anatomicamente Correcta de umHumanide

    Tiago Guiomar Ribeiro

    Dissertao para obteno do Grau de Mestre emEngenharia Informtica e de Computadores

    Jri

    Presidente: Prof. Jos Carlos Martins DelgadoOrientador: Prof. Joo Madeiras PereiraCo-Orientador: Prof. Jos BrazVogal: Prof. Antnio Veloso

    Maio 2011

  • Agradecimentos

    Quando comeamos a escrever uma dissertao, esta uma daquelas pginas que deixamos embranco, para o final, questionando-nos apenas por um momento de quais sero os nomes que iro aquificar.Essa lista tanto inimaginvel a incio, como indescritvel no fim. Se apenas uma pgina pudessedescrever todas as pessoas a quem preciso de agradecer, isso apenas reflectiria o quo sossegado foi esteperodo.Mas definitivamente no chega.

    Ao longo de cerca de dois anos a minha vida foi rodeada de familiares, amigos e colegas que pre-senciaram as ltimas etapas do meu curso. Desde o ltimo exame, ltima aula da ltima cadeira,aos momentos em que eu pensava que a tese corria nas calmas, queles em que desesperei porque nadacorria bem, e finalmente at ao ponto em que tudo se iluminou e consegui terminar.Finalmente, sinto-me feliz com o meu trabalho, no apenas pelo que dele resultou, mas porque tive tantagente a apoiar-me e a acreditar em mim, tantos amigos que fui capaz de manter mesmo quando o tempoparecia nem sequer permitir proferir a palavra "Ol".Os meus pais so sem dvida aqueles a quem mais alto ergo com um grande Obrigado. Por tudo o quederam para que eu pudesse estar onde estou hoje, e porque quando eu dizia que no conseguia, elesconvenciam-me do contrrio. Ao lado deles, as minhas irms e a minha av foram as pessoas que sempreacreditaram em mim mais do que eu prprio acredito.O meu orientador, o Prof. Joo Madeiras Pereira, e o meu co-orientador, Prof. Jos Braz mostraram-mesempre qual o caminho que eu devia seguir quando eu me perdia do mapa. A eles agradeo a suapacincia e respostas quando eu prprio acreditava que o trabalho seria um fracasso.Alguns amigos tm os seus nomes fortemente gravados nas entrelinhas deste trabalho. O Pedro Lopesfoi um amigo e um mentor que a todo o momento se certificava de que o meu trabalho correria damelhor forma possvel; a ngela nunca perdeu o flego ou o sorriso para me motivar a trabalhar quandoa vontade perecia; o Srgio soube sempre ouvir os meus problemas na companhia de uma cerveja. OPimenta, a Ana, a Vivi, o Daniel, o Vasco, a Tnia, a Teresa, o Jernimo, o Guilherme, o Fraga, o Tiago,o Semedo, a Diana, o Miguel, o Joo Estrela, o Joo Carmo, o Lus, a Rita, a minha afilhada Raquel, aSarah, o Drio, o Nuno, a Sara, a Isabel e a Mara so algumas das pessoas que mais me presenciaramcom a sua pacincia, preocupao e apoio, alguns deles desde o incio deste curso, j h sete anos atrs.A Nessa, o Humberto, o Vtor, o Catarino, o Manel, e tantos outro amigos que guardo h anos desdeAveiro, mesmo distncia, mantiveram-se prximos, guardando-me sempre aquelas palavras que squem me conhece desde o secundrio capaz de dar.Finalmente, reservo ainda um obrigado ao meu Winamp que nunca se calou de me acompanhar naslongas tardes e noites que passei a trabalhar.A todas estas pessoas, seres, no-seres, e a todos os que de alguma forma me deram um encosto, umempurro, ou um abano, o meu maior obrigado.

    Lisboa, Maio 2011Tiago Guiomar Ribeiro

  • Aos meus pais.

  • ResumoO corpo humano uma das obras mais misteriosas e fascinantes que a Natureza j criou. Esse

    fascnio despertou ao longo dos anos, interesse em diversas reas, como a arte, a biomecnica, e maisrecentemente, a computao grfica. Um dos maiores desafios desta ltima rea a simulao de umcorpo humano.

    Um dos aspectos determinantes para a correcta simulao do corpo humano a animao do seuesqueleto virtual. possvel utilizar diversos mtodos para criar essas animaes, desde mtodos interac-tivos, procedimentais, ou captura a partir de movimento real protagonizado por humanos. Torna-se assimtil poder garantir que as animaes obedeam s restries biomecnicas do corpo humano, recorrendoo mnimo possvel a auxlio humano.

    Estudamos diversas tcnicas existentes neste contexto, como a adaptao de animaes a esqueletoscom morfologia diferente daquela para a qual tinha sido desenhada, a limitao de rotaes em juntascom diversos graus de liberdade, ou o acoplamento do movimento de juntas que no esqueleto humano semovem tambm em conjunto.

    Fazendo uso de algumas dessas tcnicas, implementmos um modelo de esqueleto que permite seranimado com sequncias de animao provenientes de diferentes origens e com diferentes morfologias.O esqueleto possui restries biomecnicas integradas para impedir movimentos incorrectos que possamter sido gravados na sequncia de animao. Possui ainda mecanismos para movimentar em conjuntoas vrias juntas do complexo do ombro apenas a partir da rotao do ombro, e tambm para movimen-tar correctamente todas as vrtebras, mesmo que apenas algumas sejam directamente animadas pelasequncia de animao.

    Analismos o resultado final concluindo que as tcnicas escolhidas so adequadas ao nosso problema.Apontamos ainda assim algumas falhas que impedem actualmente a correcta utilizao do esqueleto,explicando as suas razes, e propondo respectivas solues.

  • AbstractThe human body is one of the most mysterious and fascinating works that nature has ever created.

    Over the years, this fascination aroused interest in various fields such as art, biomechanics, and morerecently, computer graphics. One of the biggest challenges of the latter area is the simulation of a humanbody.

    One of the most important aspects for the correct simulation of the human body is the animationof its virtual skeleton. There are several methods currently available to create these animations, frominteractive methods, procedural, and also motion captured from real humans. It thus becomes usefulto be able to ensure that the animations meet the biomechanical constraints of the human body, withminimal recourse to human assistance.

    We studied several existing techniques in this context, such as the adaptation of the animatedskeletons with different morphology from that for which it had been designed, limiting rotations in jointswith various degrees of freedom, or the coupling the motion of joints that in the human skeleton alsomove together.

    Using some of these techniques, we have implemented a model for a skeleton that is capable ofbeing animated with sequences from different sources and with different morphologies. Biomechanicalconstraints are integrated in the skeleton in order to prevent incorrect movements that may have beenrecorded in the animation sequence. It also has mechanisms for moving along the various joints of theshoulder complex from the simple rotation of the shoulder, and also for all the vertebrae to move properly,even if only some are directly driven by the animation sequence.

    We analyzed the results, concluding that the selected techniques are appropriate to our problem. Wealso point out some flaws that currently prevent the proper use of the skeleton, explaining their reasons,and proposing solutions.

  • Palavras ChaveKeywords

    Palavras Chave

    Animao por Computador

    Biomecnica

    Humanos Virtuais

    Restries Cinemticas

    Adaptao de Movimento de Esqueleto

    Keywords

    Computer Animation

    Biomechanics

    Virtual Humans

    Cinematic Constraints

    Skeleton Motion Retargetting

  • ndice

    1 Introduo 1

    1.1 Motivao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

    1.2 Definio do Problema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

    1.3 Objectivos Propostos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

    1.4 Publicaes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

    1.5 Contribuies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

    1.6 Estrutura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

    2 Conceitos de Biomecnica 5

    2.1 Movimento Anatmico do Corpo Humano . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

    2.1.1 Joelho . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

    2.1.2 Tornozelo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

    2.1.3 Ritmo Umero-Escapular . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

    2.1.4 Coluna Vertebral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

    3 Trabalho Relacionado 11

    3.1 Implementaes Existentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

    3.1.1 Modelos de Esqueleto Anatomicamente Correctos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

    3.1.1.1 Reconstruo a Partir de Dados Clnicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

    3.1.1.2 Modelos Comerciais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

    3.1.2 Simulao Biomecnica de Esqueletos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

    3.1.2.1 Aplicaes Para Simulao e Anlise de Dados Clnicos . . . . . . . . . . 13

    3.1.2.2 Aplicaes Para Visualizao de Esqueletos e Dados Clnicos . . . . . . . 14

    3.1.2.3 Simulao Para Fins de Entretenimento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

    3.2 Animao e Controlo de Esqueletos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

    3.2.1 Estruturas Articuladas em rvore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

    3.2.2 Animao de Figuras Humanas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

    3.2.2.1 Sntese Cinemtica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

    3.2.2.2 Sntese Dinmic