Membres sup

1
Membres supérieurs
2
(No Transcript)
3
(No Transcript)
4
Mouvement des membres supérieurs
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.
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
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
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.
Les quelques limitations présentées ci-dessous
sont tirées de  Krusens Handbook of Physical
Medecine and Rehabilitation .
Ex.
Mouvement de lépaule
Flexion - extension de lépaule
Abduction - adduction de lépaule
8
Limitation des mouvements
Mouvement du coude
Flexion - extension du coude
9
Limitation des mouvements
Mouvement du poignet
Flexion - extension du poignet
10
Limitation des mouvements
Mouvement des articulations métacarpophalangiennes
et interphalangiennes
Flexion - extension
Flexion - extension
11
Limitation des mouvements
Mouvement des articulations des doigts
Flexion - extension
Flexion - extension
12
Limitation des mouvements
Mouvement du pouce
Abduction - adduction
13
Limitation des mouvements
Mouvement du pouce
Articulation métacarpophalangienne
Articulation interphalangienne
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.
La rotation de lavant-bras autour de laxe
vertical est limitée par le tronc.
Exemple
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
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
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
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
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
Importance de la main
Tiré de Isabelle Létourneau, La main humaine Lieu
de manifestation et condition dactualisation. Éd
itions du Scribe, 2001.
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

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, t
élé 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
Modèle de la main humaine
Modèle conçu par Catmull(72) à laide de polygones
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
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
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
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
Modèle de la main humaine
Modèle multicouches
I. Albrecht, Construction and Animation of
Anatomically Based Human Hand Models.
Eurographics / SIGGRAPH Symposium on Computer
Animation (2003).
la surface de la peau (un maillage 3D de 3000
triangles),
1.
obtenue à laide dun plâtre
le squelette de la main constitué de 29 maillages
triangulaires,
2.
Tiré du domaine public
http//www.3dcafe.com/asp/anatomy.asp
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.
3.
un ensemble de muscles "géométriques"   simulant
la déformation de la peau de la main.
4.
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
Limitation des angles darticulation
Tiré de J. Lee T. L. Kunii, Model-Based
Analysis of Hand Posture. IEEE CG A, September
95, pp. 77-86.
Les mouvements des doigts de la main sont régis
par des contraintes biomécaniques qui font que
certaines postures ne sont pas réalisables.
Cela réduit dès lors le de DDLs.
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
?
Les articulations dun doigt varient dans un
plan (sauf larticulation métacarpophalangienne).
1.
Cest presque impossible de modifier
langle darticulation au bout dun doigt sans
altérer langle voisin du même doigt.
2.
? une relation presque linéaire
? (2/3) ?
30
Limitation des angles darticulation
Lors dun mouvement dabduction / adduction, le
majeur ne bouge pas de façon appréciable à moins
de ly forcer.
3.
interdépendance entre la flexion /extension et
labduction /adduction de chaque phalange
4.
Plus langle de flexion / extension est grand,
plus labduction / ladduction des doigts est
limitée.
Considérons larticulation métacarpophalangienne
?a angle dabduction / adduction,
et
?f angle dextension / flexion,
?amin, ?amax, ?fmin, ?fmax contraintes
statiques sur ?a et ?f,
alors 1 - 1 ?f x ?amax ?fmax
est le maximum qui peut être atteint pour ?a.
31
Limitation des angles darticulation
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.
5.
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
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
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
Choisir le type de prises et le mode
dutilisation de ces prises.
Déterminer les angles darticulations afin de
saisir avec précision un objet.
Une fois lobjet saisi, lobjet et la main ne
font plus quun.
En saisissant un livre, les mouvements du bras
et du livre sont combinés.
Exemple
34
Préhension humaine
Rendez-vous à Montréal.
Marilyn saisit un verre et le porte à sa bouche.
35
Préhension humaine
Caractéristiques à considérer dans un système de
préhension
Notes de cours, Daniel Thalmann
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.
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
Préhension humaine
Rôle du pouce lors de la préhension
Le pouce confère aux humains une grande dextérité
manuelle.
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, 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
Préhension humaine
Types de prises et modes dutilisation de ces
prises
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.
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
Préhension humaine
Les doigts maintiennent lobjet contre la
paume la main est alignée sur lavant-bras cette
prise nécessite un contrôle ferme.
Prises de force
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
Préhension humaine
Dautres types de prises
Prises à 2 mains
Prises à plusieurs
Environnements Virtuels Multimédias, Daniel
Thalmann.
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
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
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.
DE PLUS,
Le membre entier balaie pendant lopération de
préhension un volume despace qui doit être
totalement libre de tout objet afin déviter
toute collision.
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
Relation entre les gestes de la main et la parole
Interprétation des gestes de la main
46
Références
Gilles Cours, Apprendre à dessiner les mains.
Éditions FLEURUS, sept. 2002, 32p.
David J. Magee, Lévaluation clinique en
orthopédie. Edisem Inc., 1988, chap. 6, pp.
109-144.
Rick Parent, ANIMATIQUE Algorithmes et
techniques. Vuibert, 2003, chap. 6, section 6.1,
pp. 323-332.
Hans Rijpkema and Michael Girard, Computer
Animation of Knowledge-Based Human Grasping.
Computer Graphics, Vol. 25, No. 4, July 1991.
Ying Wu and Thomas S. Huang, Hand Modeling,
Analysis, and Recognition. IEEE Signal
Processing Magazine, Mai 2001, pp. 51-60.