Time-independent geometrical deformation for elastic contacts
Déformations géométriques indépendantes du temps pour les contacts élastiques
Résumé
As animated films and series become more and more present in the mainstream entertainment, the artists’ needs are growing in term of fast and intuitive animation tools. Artists not only heavily rely on their imagination and skills to bring digital models to life; they also take inspiration from the physical world to better immerse viewers in their virtual environment.Many objects of our everyday surroundings exhibit elastic deformations when put in contact with others, e.g., a stress ball crushed by a hand, a pillow smashing a head during a pillow fight or a soft ball bouncing on a goal post. They most notably tend to squash inside the contact and to bulge outside of it. Such squashing and bulging effects are essential to communicate plausible deformation while capturing the physical behavior of soft materials in a variety of contexts, such as animated films. This type of deformation is, however, notoriously difficult and tedious to manually reproduce by computer graphics (CG) artists, and existing tools remain limited for artistic use.In practice, such deformations are thus generated through physically based simulation methods. However, due to their time-dependency, physical simulations must be run after the rigging and animation steps, preventing non-linear editing of the 3D scene. Moreover, artists also often resort to cartoonish deformation effects to better convey emotions and thoughts. Such exaggerated effects are difficult to achieve through physical simulations.The main contribution of this thesis is a novel purely geometric deformation framework that assists the artist by resolving local contacts between elastic objects and producing bulge effects in an art-directable way. To achieve a seamless integration within animation workflows, we designed our deformation tool to provide instant feedback to the artist while enabling non-linear editing thanks to a fully time-independent strategy. To produce plausible bulge effects, our method can also preserve the volume exactly, while artistic controls are also possible to explore more exaggerated behaviors. More specifically, starting from multiple meshes in intersection, our deformer first computes the parts of the surfaces remaining in contact, and then applies a procedural displacement controlled by a profile curve. Although our tool processes each frame independently, it achieves temporally continuous deformations with artistic control of the bulge through a small number of pseudo-stiffness parameters. The plausibility of the deformation is further enhanced by anisotropically spreading the volume-preserving bulge. An extension is also proposed to handle self-collisions between adjacent parts of the same object that often occur in character skinning animation.The result of this work is a robust, real-time deformer that can handle complex geometric configurations like a ball squashed by a hand, colliding lips, bending fingers, etc.
Les films et séries d'animation étant de plus en plus présents dans le divertissement grand public, les besoins des artistes en terme d'outils d'animation rapides et intuitifs ne cessent de croître. Les artistes ne font pas seulement appel à leur imagination et à leurs compétences pour donner vie à aux modèles numériques, ils s'inspirent également du monde physique pour mieux immerger les spectateurs dans leur environnement virtuel.De nombreux objets de notre environnement quotidien présentent des déformations élastiques lorsqu'ils sont mis en contact avec d'autres, par exemple une balle anti-stress écrasée par une main, un oreiller écrasant une tête lors d'une bataille d'oreillers ou un ballon rebondissant sur un poteau de but. Ils ont notamment tendance à s'écraser à l'intérieur du contact et à gonfler à l'extérieur. Ces effets d'écrasement et de gonflement sont essentiels pour communiquer une déformation plausible tout en capturant le comportement physique des matériaux mous dans divers contextes, tels que les films d'animation. Ce type de déformation est toutefois connu pour être difficile et fastidieux à reproduire manuellement par les artistes, et les outils existants restent limités pour une utilisation artistique.En pratique, ces déformations sont donc générées par des méthodes de simulation physique. Cependant, en raison de leur dépendance temporelle, elles doivent être exécutées après les étapes de rigging et d'animation, ce qui empêche une édition non linéaire de la scène 3D. De plus, les artistes ont souvent recours à des effets de déformation caricaturaux pour mieux transmettre les émotions et les idées qui sont difficiles à obtenir par simulation physique.La principale contribution de cette thèse est un nouvel outil de déformation purement géométrique et indépendant du temps qui assiste l'artiste en résolvant les contacts locaux entre les objets élastiques, ainsi qu'en produisant des effets de gonflement qui peuvent être contrôlés par l'artiste. Pour parvenir à une intégration transparente dans le processus de création d'animation, nous avons conçu notre outil de déformation de manière à fournir un retour instantané à l'artiste tout en permettant une édition non linéaire grâce à une stratégie entièrement indépendante du temps. Pour produire des effets de gonflement plausibles, notre méthode peut aussi préserver intégralement le volume, bien que des contrôles artistiques soient également possibles pour explorer des comportements plus exagérés. Plus précisément, à partir de plusieurs maillages en intersection, notre déformeur calcule d'abord les parties des surfaces restant en contact, puis applique un déplacement procédural contrôlé par une courbe de profil. Même si notre outil traite chaque image indépendamment, il réalise des déformations temporellement continues avec un contrôle artistique du gonflement grâce à un petit nombre de paramètres de pseudo-rigidité. La plausibilité de la déformation est encore renforcée par la répartition anisotrope du gonflement préservant le volume. Une extension est également proposée pour gérer les auto-collisions entre des parties adjacentes d'un même objet, qui se produisent fréquemment dans le contexte d'animation de personnages.Le résultat de ce travail est un déformeur temps réel robuste qui permet de gérer des configurations géométriques complexes telles qu'une balle écrasée par une main, des lèvres qui se touchent, des doigts qui se plient, etc.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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