Αλγόριθμοι για την κατασκευή και κίνηση αρθρωτών χαρακτήρων

Abstract

Τα τελευταία χρόνια έχει παρατηρηθεί ραγδαία εξέλιξη στην βιομηχανία των βιντεοπαιχνιδιών και του κινηματογράφου λόγω της απόδοσης κίνησης σε αρθρωτούς χαρακτήρες. Οι νέες αυτές τεχνικές της κίνησης που έχουν αναπτυχθεί προσφέρουν πιο αληθοφανείς σχεδιοκινήσεις. Πλέον, οι αληθοφανείς αυτές σχεδιοκινήσεις υλοποιούνται ορίζοντας την κίνηση σε ένα σκελετού που κατ’ επέκταση επηρεάζει την κίνηση του 3Δ μοντέλου επιφάνειας. Διαφορετικές πόζες του σκελετικού μοντέλου δημιουργούνται σε διαδοχικές χρονικές στιγμές (καρέ). Ο υπολογισμός του βάρους των σημείων του πολυγωνικού μοντέλου σε σχέση με τα επιμέρους κόκαλα και αρθρώσεις του σκελετού είναι επίπονη και σημαντική διαδικασία. Στην συγκεκριμένη εργασία προτείνονται τεχνικές και αλγόριθμοι για την υλοποίηση αυτής της κίνησης μέσω της γλώσσας προγραμματισμού C++ της βιβλιοθήκης OpenGL και της βιβλιοθήκης Assimp. Αρχικά, αναφέρονται αναλυτικά οι τεχνικές που χρησιμοποιεί ένας Modeler για την δημιουργία του 3Δ μοντέλου και του αντίστοιχου σκελετού χρησιμοποιώντας ένα πρόγραμμα τρισδιάστατης μοντελοποίησης. Επίσης, γίνεται αναφορά στις τεχνικές που χρησιμοποιεί ένας Animator για την δημιουργία κίνησης του μοντέλου και του σκελετού εισάγοντας πόζες σε διαδοχικές χρονικές στιγμές με τον γεωμετρικό μετασχηματισμό του αρχικού μοντέλου. Στη συνέχεια, παρουσιάζονται οι πιο γνωστοί και αποδοτικοί αλγόριθμοι στον κλάδο της κινηματικής οι οποίοι αξιοποιούν αποδοτικά ρεαλιστικές σχεδιοκινήσεις χρησιμοποιώντας όσο το δυνατόν λιγότερους υπολογιστικούς πόρους. Κατόπιν, αναλύεται η βιβλιοθήκη OpenGL που αποτελεί το βασικό πλαίσιο οπτικοποίησης δισδιάστατων και τρισδιάστατων αντικειμένων στην οθόνη, προγραμματίζοντας την λειτουργία της κάρτας γραφικών. Ακόμη, αναφορά γίνεται και στη βιβλιοθήκη Assimp, που στοχεύει στην μετατροπή πολυγωνικών μοντέλων σε εύχρηστη μορφή για την OpenGL, όπου περιέχονται πληροφορίες σχετικά με τα σημεία και χρώματα των μοντέλων και του σκελετού καθώς και τις κινήσεις των παραπάνω. Τέλος, παρουσιάζεται η υλοποίηση του προγράμματος και τα αποτελέσματα των δοκιμών χρησιμοποιώντας δύο αλγορίθμων σχεδιοκίνησης.

Nowadays, the video-gaming and animation industry is progressing rapidly and the field of realistic animation in 3D space of articulated characters is of utmost importance. Techniques of skeleton-based rigging have been developed offering an even more realistic way of animated movements. These realistic animation movements are implemented by defining a skeleton according to the character model. Transformations applied to the skeleton are propagated to the mesh as well. Such techniques usually require a cautious weight-selection process that depends on the relative distance of the mesh vertices from the skeleton and the various skeleton poses created by the animator at specific time frames. In this diploma thesis, such techniques and algorithms are implemented in order to create realistic skeleton-based animation using C++ and OpenGL programming languages. Firstly, we present techniques on how to create and modify a 3D articulated model by using a 3D Modeling Software. The modeler is responsible for the creation of the model and the animator is responsible for the animated movements of the skeleton by creating successive transformation poses of the model at appropriate time frames in the timeline session. Subsequently, we implement movement interpolation algorithms that are being used lately in the animation field and they offer very realistic animation movements and use less computer resources. The OpenGL library is also presented as the main programming framework that drives the GPU to perform an animation. The Assimp library is also used to convert the given model to a usable format that may be processed by OpenGL and C++. Finally, an implementation of skeleton-based rigging is presented accompanied by experimental results.