Tipi di animazioni scripted

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1 Tipi di animazioni scripted di oggetti composti di parti rigide anche con giunti: robot, macchine animazioni cinematiche / forward kinematics animations (mutamenti delle trasformaz di modellazione) di oggetti deformabili articolati con scheletro interno es: esseri umani, virtual characters, animali (la maggior parte dei virtual characters! e.g. games) skinning / rigging di oggetti deformabili generici es: volti, un ombrello che si apre, cose con membrane per-vertex animations / blend shapes / morph targets Per gradi animazioni cinematiche spazio oggetto ruota 2 t1 spazio oggetto ruota 1 spazio oggetto automobile t0 spazio oggetto automobile spazio mondo (globale) Marco Tarini

2 Per gradi animazioni cinematiche posizonamento della automobile (rispetto al mondo) spazio mondo posiz. della ruota (rispetto all automobile) spazio macchina 1 T0 T1 T1,1 T1,2 T1,3 T1,4 Animazione: time trasformazioni spazio ruota 1.1 t0 T1 T1,1 T1,2 T1,3 T1,4 t1 T1 T1,1 T1,2 T1,3 T1,4 t2 T1 T1,1 T1,2 T1,3 T1,4 Un robot animato spazio mondo T root bone T0 Robot () T1 T2 bones ( ossa ) T3 busto1 Sx T7 T4 busto2 T6 spalla T5 spalla Sx Trasf. locale del bone ( da a ) Quella globale ( da a robot ): T2*T7*T8 T8 Marco Tarini

3 Scheletro (o rig) Struttura gerarchica di ossa Osso: Spazio vettoriale in cui sono espressi alcuni pezzi del personaggio (l oggetto aniamato) Es, in un unanoide: braccio, avambraccio,, (non centra il significato biologico di osso ) Spazio vettoriale del root bone = = spazio oggetto (del personaggio) Scheletro di un personaggio umanoide medio: ossa (tipicamente) Da assemblaggio di pezzi Fin qui: una mesh per ogni osso (es, carlinga, ruota) Ok per oggetti meccanici con strutture semplici (macchina, braccio meccanico con 2 giunti ) Ma, per un robot di ~20-40 ossa? Mesh separate per braccia, avambraccia, falangi, falangine, falangette Assemblaggio con le matrici (dopo modellazione 3D) molto scomodo. Marco Tarini

4 a skinning di mesh Idea: mesh skinned 1 sola mesh per tutto il personaggio attributo per ogni vertice: indice di osso un modello 3D animabile! Ortogonalità modelli / animazioni! cioe : ogni modello skinned: va su tutte le animazioni ogni animazione: applicabile a tutti i modelli (basta che si riferiscano ad una stesso scheletro) 500 modelli e 500 animazioni = 1000 oggetti in RAM invece di 500x500 combinazioni Skinning della mesh (qui, ad 1 osso solo). I task dell artista digitale: rigging : definizione delo scheletro (riggers) definizione dello skinning su un modello (skinners) animation : definizione delle animazioni (animators) Posa (frame di un animazione scheletale) Definizione di una trasformazione per ogni bone Trasformazione locale: (del bone i ) da: spazio osso padre nella posa data a: spazio osso figlio nella posa data usate per costruire la posa Trasformazione globale: (del bone i ) da: spazio osso i nella rest pose a: spazio osso i nella posa data usate per memorizzare/applicare la posa a volte, solo la componente rotazione (allora, ossa rigide : estensione osso costante per tutte le pose) Marco Tarini

5 Da rest pose a una posa data R1 R3 R2 P2 rest pose R3 R7 posa X P7 R4 R5 R6 R8 P4 P5 P6 P8 spalla spalla trasf. globale olpaccio, da rest pose a posa X = P2 P7 (R2 R7) -1 = P2 P7 (R7) -1 (R2) -1 Posa (per uno scheletro dato) struttura dati posa = semplice array di trasformazioni globali costo in ram: n_ossa x bytes_per_trasf per 1 scheletro dato! Osso i Trasform[ i ] #0 (, root) T[0] #1 (spine) T[1] #2 (chest) T[2] #3 (shoulder ) T[3] #10 () T[10] es: calcolato in preprocessing come: T2 T7 (P7) -1 (P2) -1 trasformazioni globali trasformazioni locali (della rest pose o della posa data) Marco Tarini

6 Animazione skeletale Array 1D di keyframes (pose) Costo RAM: (num key-frames) x (num ossa) x ( bytes x trasf) Spesso tenuto in RAM scheda video applicato da GPU direttamente a modelli skinned Da robot di pezzi, a oggetti deformabili Idea: più ossa per 1 vertice Trasformazione del vertice: interpolazione delle trasformazioni associate alle ossa scelte pesi interpolaz fissi (per quel vertice) Strutture dati: attributi X vertice Per ogni vertice: [ indice osso, peso ] x Nmax (Tipicamente, Nmax = 4 o 2, vedi dopo) Skinning della mesh (a Nmax ossa) Marco Tarini

7 Quanti link ad osso per vertice Dipende dal game engine! Nmax tipicamente: 1 (sottopezzi rigidi) 2 (cheap, e.g. su dispositivi mobili) 4 (top quality standard) Decrementare Nmax in preprocessing (task per un game tool!) (perchè limite superiore a num link x verice?) Costo in performance N max trasformazioni da interpolare in GPU (x vert) GPU = poco controllo: interpolaz fra N max trasf (costante) bones non utilizzati: peso 0 Costo in RAM (della scheda video) strutture dati semplici per GPU-RAM array a lungezza fissa: N max coppie (indice, peso) anche dove, localmente, ne basterebbero meno (pesi 0) Marco Tarini

8 Rigging e skinning Rigging definizione dello scheletro (e spesso anche dei controlli usati per manipolarlo) Skinning definizione delle link (pesati) fra vertici e ossa Skinning - how it works (in GPU) model in rest pose dest. pose x vertex skinning Bone: bone a bone b bone c bone d Weight: Transform: blend a vertex (in rest pose) 1 65 Marco Tarini

9 Skinning - how it works (in GPU) model in rest pose dest. pose deformed model a vertex (in rest pose) p p n n vertex (in dest pose) + = rigged model skeletal animation animated model Skinning (due varianti: Linear Blend Skinning o Dual Quaternion Skinning ) Marco Tarini

10 Skeletal animations: tre strutture dati (riassunto) Scheletro (o rig) Tree di bones (ossa) Ogni bone => sistema di riferimento (in rest pose) (sistama dell osso root = sistema oggetto) Modelli 3D skinned Mesh con associazione vertici => bones Per vertice: [ indice osso, peso ] x Nmax Animazioni scheletali Sequenza di pose Posa = trasformazione globaleɐbone possibile formati file (per tutti e tre i dati):.smd (Valve),.FBX (Autodesk),.BVH (Biovision) Ortogonalità animazioni / modelli RIG (skeleton) Animation Walk Animation Jump Animation Die Model A Model B Model C Marco Tarini

11 Intro: skinning Intro: skinning Marco Tarini

12 Interpolazione pose Due pose si possono interpolare! posa A 0.5 posa A posa B posa B basta interpolare le trasformazioni che le compongono Interpolazione pose (a runtime): keyframes Per comprimere animazioni t = 0 t = 1 t = 2 t = 3 t = 4 t = 5 t = 6 animazione corsa keyframe A 0.75 A B 0.50 A B 0.25 A B keyframe B 0.50 B C keyframe C posa memorizzata posa interpolata (on the fly) Marco Tarini

13 Compressione animazioni Obiettivo: rimuovere keyframes quelli inutili in preprocessing (game tools!) Versione 0.0 di un algoritmo: per ogni keyframe rimuovi keyframe Px computa versione interpolata Pi dai keyframe rimanenti (il precedente e il successivo) se distanza( Pi, Px ) > ErrMax allora reinserisci keyframe Px Interpolazione pose (a runtime): transizioni fra animazioni Es: da stance a corsa animazione X stance t = 0 t = 1 t = 2 t = 3 keyframe A 0.75 A B 0.50 A B 0.25 A B 0.80 X Y animazione Y corsa keyframe D ritardo k = 3 t = 0+k t = 4 keyframe B 0.60 X Y 0.50 D E t = 1+k t = B C 0.40 X Y keyframe E t = 2+k t = B C 0.20 X Y 0.75 E F t = 3+k t = 7 keyframe C 0.50 E F t = 4+k 0.25 E F t = 5+k keyframe F t = 6+k t = 7+k Marco Tarini

14 Animazioni scheletali (scripted): come si ottengono Editing manuale Animatori digitali help da: IK, simulazioni fisiche Motion capture: Inverse Kinematic (IK): un tool utile Cinematica diretta: date le trasf locali, P2 PN, (es, come angoli) dove finisce il? (univoco, banale) Cinematica inversa: P2 P7 se voglio mettere il nella pos p, quali, P2 PN,? (+ vincoli, es. DoF giunti) (non univoco, non banale) P4 spalla P5 P6 P8 Marco Tarini

15 Inverse Kinematic (IK): un tool utile Due tipi di utilizzo: in preprocessing (durante il task dell animator) in real time (task da game engine) Esempi di utilizzo in real time: Posizionamento esatto piedi su terreno irregolare Mano che raggiunge esattamente un oggetto da afferrare Mani che si congiungono esattamente in un arma a due mani (es. nonostante piccole discrepanze nella forma dello scheletro) (es. nelle trasizioni) Third person view spazio mondo spazio vista V = ( T1 x T2 ) -1 = ( T2 ) -1 x ( T1 ) -1 T1 T2 camera Marco Tarini

16 Composizione di pose ( di animazioni) upper joints lower joints + = P2 P4 P7 P4 P2 P4 P2 P7 P7 P8 spalla 0 P9 2 1 P8 spalla 0 P9 2 1 P8 spalla 0 P9 2 1 testa testa testa Composizione di pose ( di animazioni) upper joints + = lower joints anche interpolando: = P2 P4 P7 P4 P2 P4 P2 P8 spalla 0 P9 2 1 P8 spalla 0 P9 2 P7 1 P8 spalla 0 P9 2 P7 1 testa testa testa Marco Tarini

17 Per-vertex animation VS Rigging Per Vertex animations possibilità interpolazione pesante in RAM replicazione esplicita posizioni + normali gratis in GPU Rigged animations possibilità interpolazione leggero in RAM ortogonalità modelli / animazioni pesante in GPU interpolaz trasf. x vertice Marco Tarini