Membres supérieurs

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L’une des tâches d’animation les plus courantes de l’animation ducorps humain concerne le mouvement des membres supérieurs.

Il est plus simple du point de vue du calcul de considérer le bras commeun appendice qui se déplace indépendamment du reste du corps.

Cela peut donner lieu à un mouvement d’une allure peu naturelledans certains cas.

À moins d’avis contraire, le bras sera considéré de manière isolée.

Si nécessaire, on doit prévoir une étape de pré-traitement servant àpositionner le personnage et le préparer à un mouvement de bras.

Mouvement des membres supérieurs

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Modélisation du brasLe modèle de base du bras humain, si l’on fait abstraction des articula-tions de la main, peut être représenté sous la forme d’un manipulateurà 7 DDL.

Une configuration ou pose d’un bras renferme 7 angles d’articulation.

La rotation de l’avant-bras est associée au poignet alors que, dans laréalité, elle n’est pas associée à une articulation localisée mais répartiesur l’avant-bras lui-même.

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Modélisation du bras

Parfois, cette rotation est associée aucoude, alors que d’autres réalisationscréent une articulation virtuelle àmi-chemin de l’avant-bras.

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Limitation des mouvementsIl est évident que les articulations du bras humain présentent des limites.Si l’on dépasse ces limites, cela entraîne un aspect non naturel.

Ex. : Mouvement de l’épaule

Abduction - adduction de l’épaule Flexion - extension de l’épaule

Les quelques limitations présentées ci-dessous sont tirées de« Krusen’s Handbook of Physical Medecine and Rehabilitation ».

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Mouvement du coude :

Flexion - extension du coude

Limitation des mouvements

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Mouvement du poignet :

Flexion - extension du poignet

Limitation des mouvements

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Mouvement des articulations métacarpophalangiennes etinterphalangiennes:

Flexion - extension

Limitation des mouvements

Flexion - extension

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Mouvement des articulations des doigts:

Flexion - extension

Limitation des mouvements

Flexion - extension

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Mouvement du pouce :

Abduction - adduction

Limitation des mouvements

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Mouvement du pouce :

Articulationmétacarpophalangienne

Limitation des mouvements

Articulationinterphalangienne

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Limitation des mouvementsLes limites d’articulation peuvent aussi varier selon la position d’autresarticulations; de nouvelles limites sont imposées aux articulationspour éviter l’intersection d’appendices avec d’autres parties du corps.

Exemple : La rotation de l’avant-bras autour de l’axe vertical estlimitée par le tronc.

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Calcul des mouvementsEn appliquant ces limites d’articulation, certains mouvements générauxpeuvent être obtenus via un modèle de cinématique direct tout en créantun mouvement relativement convaincant.

En revanche, si le bras / main doit être actionné p/r à un objet fixe, unmodèle de cinématique inverse est nécessaire.

Exemple : Un bouton de porte.

Malheureusement, cela ne garantit pas l’obtention d’unmouvement humain.

Dans le modèle de base précédent, si uniquement la position souhaitéede l’effecteur final est donnée, alors plusieurs solutions existent.

Cela risque de produire des configurations qui n’ont pas l’air naturelles.

Il est préférable de spécifier la position finale du poignet et non desdoigts pour mieux contrôler les configurations produites.

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Calcul des mouvementsMême si le poignet et l’épaule sont fixes, plusieurs positions pouvantêtre adoptées qui satisfont à la fois aux contraintes et aux limitesd’articulations.

Orienter les angles d’articulations vers des orientations préférées pourcertaines tâches (approche de moindre effort) permet de réduire quelquepeu le problème à solutions multiples.

Afin de contrôler le mouvement avec plus de précision, l’animateurpeut spécifier des positions et des orientations intermédiaires pourl’effecteur 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 pourpasser d’une pose à une autre de façon que le bras reste orienté sur letrajet donnant à l’animateur un meilleur contrôle du mouvement final.

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Calcul des mouvementsAu lieu d’utiliser l’approche de cinématique inverse à l’aide duJacobien inverse, on opte pour la construction du bras dans un planspécifié par l’utilisateur entre l’épaule, le coude et le poignet.

Une fois le plan fixé, les angles de l’épaule et du coude peuvent êtreaisément calculés et ajustés en fonction de ce plan.

un angle à 1 DDL

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Articulation de l’épauleCela est généralement modélisée sous la forme d’une articulation àrotule avec 3 DDL.

C’est en réalité plus complexe.

F. Scheepers(96) propose dans sathèse "Anatomy-Based SurfaceGeneration for Articulated Modelsof Human Figures" un modèledavantage réaliste de la claviculeet de l’omoplate ainsi que del’articulation de l’épaule.

L’auteur donne aussi une réponseau problème de la rotation del’avant-bras au moyen d’unearticulation au milieu de l’avant-bras.

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Composition de la mainElle 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

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Importance de la main

«Ce n’est pas, en effet, la main, absolument parlant qui est une partiede l’homme, mais seulement la main capable d’accomplir son travail,donc la main animée; inanimée, elle n’est pas une partie de l’homme.»Aristote.

Nous n’avons qu’à considérer les 3 principales tendances des gestesde la main :

- le geste comme manière d’être,« 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 qu’elle travaille à ce qui n’est pas et qu’elle ajoute aux règnes de la nature un règne nouveau »

H. Focillon

Tiré de Isabelle Létourneau, La main humaine Lieu de manifestation et condition d’actualisation.Éditions du Scribe, 2001.

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Importance de la mainLa main humaine, organe d’une extraordinaire complexité, est uninstrument primordial pour l’action quotidienne.

Défi : la simulation dynamique et complète de la main etde l’avant-bras humains.

Applications : étude d’ergonomie, rééducation,compréhension des maladies professionnelles,télé manipulation,jeux vidéo, cinéma.

Cette main robotique conçue au Département degénie mécanique de l’UL pourrait servir de "main"au bras canadien.Concevoir et fabriquer un préhenseur calqué sur lamain humaine coûte très cher et inutilement complexepour la plupart des actions demandées à un robot.

Clément Gosselin, directeur du Laboratoire de robotique.

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Modèle de la main humaineModèle conçu par Catmull(72) à l’aide de polygones

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Modèle de la main humaineModèle simple d’une main et de ses doigts :

Ce modèle a été utilisé dans les travaux de Rijpkema et Girard, SIGGRAPH’91.

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Modèle de la main humaine des modèles avec des articulations plus précises dans la zone de la paume pourobtenir un mouvement d’allure humaine.

Ce modèle est proposé par Nadia M. Thalmann & Daniel Thalmann.Synthetic Actors in Computer-Generated 3D Films. Springer-Verlag, 1990.

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Modèle de la main humaineModèle plus simple combinant les 4 doigts en une même surface :

Cela réduit à la fois la complexité de l’affichage et du contrôle dumouvement.

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Modèle de la main humaineModèle intermédiaire :

On peut conserver la même qualité de l’image si l’on utilise un modèletrès détaillé en se contentant toutefois de coordonner le mouvement del’ensemble des articulations des 4 doigts avec un seul paramètre.

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Modèle de la main humaineModèle multicouches :

la surface de la peau (un maillage 3D de 3000 triangles),

obtenue à l’aide d’un plâtre

le squelette de la main constitué de 29 maillages triangulaires,

Tiré du domaine public :http://www.3dcafe.com/asp/anatomy.asp

Une mise à l’échelle est effectuée pourtenir compte de la surface de la peau.

un ensemble de pseudo muscles permettantde décrire le mouvement des os de la main àl’aide de données anatomiques et de lois mécaniques.

un ensemble de muscles "géométriques"  simulant la déformation de la peau de la main.

I. Albrecht, Construction and Animation of Anatomically Based Human Hand Models. Eurographics /SIGGRAPH Symposium on Computer Animation (2003).

1.

2.

3.

4.

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Modèle multicouches (suite) :

Une structure hiérarchique représentant le squelette de la main avecun repère associé à chaque articulation.

5.

Note : Ces 2 types de muscles sont animés à partir d’un paramètre decontraction (paramètre entre 0 et 1).

À chaque image, la déformation de la peau et la position des ossont déterminées à partir de ces paramètres de contraction.

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Limitation des angles d’articulation

Les mouvements des doigts de la main sont régis par des contraintesbiomécaniques qui font que certaines postures ne sont pas réalisables.

Contraintes statiques :

Cela traduit les limites des angles d’abduction / adduction ou deflexion / extension possibles des différentes articulations.

Exemple : L’angle de flexion / extension des premières phalangesdes 4 doigts est compris entre –110° et 15°.

Contraintes dynamiques :

2. C’est presque impossible de modifier l’angled’articulation au bout d’un doigt sans altérerl’angle voisin du même doigt.

= (2/3) une relation presque linéaire :

Tiré de J. Lee & T. L. Kunii, Model-Based Analysis of Hand Posture. IEEE CG & A, September 95, pp. 77-86.

1. Les articulations d’un doigt varient dans un plan(sauf l’articulation métacarpophalangienne).

Cela réduit dès lors le # de DDLs.

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Limitation des angles d’articulation3. Lors d’un mouvement d’abduction / adduction, le majeur ne bouge

pas de façon appréciable à moins de l’y forcer.

4. interdépendance entre la flexion /extension et l’abduction /adductionde chaque phalange

Plus l’angle de flexion / extension est grand, plus l’abduction /l’adduction des doigts est limitée.

Considérons l’articulation métacarpophalangienne

a : angle d’abduction / adduction,

f : angle d’extension / flexion,

amin, a

max, fmin, f

max : contraintes statiquessur a et f,

alors 1 - 1 f x amax

fmax

est le maximum qui peut être atteint pour a.

et

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Limitation des angles d’articulation5. L’angle d’extension/flexion de l’articulation métacarpophalangienne

varie dans un intervalle ayant comme largeur 90°, légèrement moinspour l’index, et allant en croissant en s’éloignant de l’index.

Note : la flexion d’un doigt isolé peut entraîner la flexion d’un voisin,la flexion d’un doigt isolé est limitée par l’état d’extensiondes doigts adjacents, l’extension d’un doigt est entravée par la flexion des autres,

Posons 2, 3, 4 et 5 l’angle d’extension / flexion de l’index,du majeur, de l’annulaire et de l’auriculaire resp.

contraintesstatiques

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Préhension humaine

Pourquoi la simuler ?

Chirurgie médicale et conception de prothèses artificielles pour corrigerles déficiences humaines dues à des accidents ou des malformations,

acteurs virtuels interagissant avec l’environnement.

Approches de la simulation

empirique : La connaissance est acquise en observant comment leshumains saisissent les objets.

Difficulté : Déduire à partir d’observations du comportementhumain des principes devant être appliqués à desmodèles d’approximation.

analytique : On se base sur les lois de la physique pour simuler ceprocessus.

Difficulté : On doit simplifier les modèles; c’est donc validepour un ensemble très réduit d’expériences.

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Préhension humaine

But final en animation :

L’apparence réaliste des images et pasnécessairement un modèleabsolument exact du monde physique.

Exemple de préhension humaine

Aspects à considérer :

Déterminer les angles d’articulations afin de saisir avec précision unobjet.Une fois l’objet saisi, l’objet et la main ne font plus qu’un.

Exemple : En saisissant un livre, les mouvements du bras etdu livre sont combinés.

Choisir le type de prises et le mode d’utilisation de ces prises.

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Préhension humaineRendez-vous à Montréal.

Marilyn saisit un verre et le porte à sa bouche.

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Préhension humaine

Caractéristiques à considérer dans un système de préhension :

Utilisation de pincement quand l’objet est trop petit.

Utilisation de 2 mains quand l’objet est trop grand ou trop gros.

Imposer des contraintes sur plusieurs articulations pour assurer unefermeture réaliste de la main.

Définir une méthode heuristique pour choisir une des stratégies depréhension selon la géométrie des objets, celle des mains etl’observation de la préhension réelle.

La cinématique inverse peut déterminer les postures finales des brasde façon à amener les mains autour des objets.

La forme des objets décide des points de contact des doigts sur lesobjets, leur position et leur orientation.

Notes de cours, Daniel Thalmann

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Préhension humaineStades à l’intérieur d’une prise

Une prise, quel que soit son type, se compose de quatre stades :

Ouverture de la main.

Fermeture des doigts pour saisir l’objet et s’adapter à sa forme.

Réglage de la force exercée pour tenir l’objet.

Cette force exercée par un individu dépend du poids, des caractéris-tiques de la surface, de la fragilité et de l’utilisation de l’objet.

Relâchement de la prise, au cours duquel la main s’ouvre pour laisserl’objet.

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Préhension humaine

capacité de montrer du doigt,saisir des objets de différentes formes,exercer des forces telles que celles nécessaires pour dévisser le

couvercle d’un bocal par exemple,etc.

Le pouce confère aux humains une grande dextérité manuelle.

Rôle du pouce lors de la préhension

Le pouce, bien qu’il ne soit pas toujours utilisé dans les prises, donneà la main à la fois de la stabilité et une aide pour contrôler la directiondans laquelle l’objet se déplacera.

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Préhension humaine

Les études sur la préhension considèrent au moins 16 catégoriesdifférentes 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 réalisationde la prise.

Types de prises et modes d’utilisation de ces prises

On peut considérer différents critères pour choisir un mode depréhension :

- si l’objet est trop petit pour être saisi avec plus de 2 doigts(pincement),

- si l’objet 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 l’objet,- pour une forme d’objet irrégulière, la décision est prise en fonction de volumes enveloppants.

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Préhension humainePrises de force Les doigts maintiennent l’objet contre la paume;

la main est alignée sur l’avant-bras;cette prise nécessite un contrôle ferme.

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Préhension humainePrises de précision

limitées surtout aux articulations métacarpophalangiennes;un contact pulpe contre pulpe entre le pouce et les doigts;le pouce s’oppose aux autres doigts.

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Préhension humaineD’autres types de prises :

Prises à 2 mains Prises à plusieurs

Environnements Virtuels Multimédias, Daniel Thalmann.

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Coordination du mouvement

L’interaction entre parties du corps est un problème qui dépasse ladétermination des articulations à utiliser dans un mouvement donné.

Si le fait de considérer le bras et la main comme des systèmesindépendants et distincts simplifie la stratégie de contrôle, leurrelation avec le reste du corps doit être pris en compte pour untraitement plus robuste de la préhension.

- repositionner, tordre ou plier le torse,- effectuer des mouvements de réaction avec l’autre bras,- contrebalancer avec les jambes.

Au lieu de conserver le reste de son corps en une position fixe etde tendre les articulations jusqu’à leur limite et produire un stress,il est préférable que d’autres parties du corps coopèrent poursoulager la tension musculaire et conserver l’équilibre.

Exemple : La marche implique non seulement les jambesmais le torse, les bras et même la tête.

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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 jusqu’à ce qu’elle revienne de nouveau face à vous.

Réalisez l’expérience en n’impliquant que la main/poignet/avant-bras.

Répétez l’expérience en ajoutant le bras et l’épaule.

Répétez l’expérience en ajoutant un mouvement du torse, de la claviculeet du dos.

Modélisez ce mouvement de façon réaliste est très difficile.

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Préhension avec contournement d’obstacles

La spécification et le contrôle du mouvement de préhension sontcompliqués en plaçant dans l’environnement des obstacles qu’ilfaut éviter.

Il ne suffit pas de planifier un trajet sans collision pour l’effecteurterminal.

Le membre entier balaie pendant l’opération de préhension un volumed’espace qui doit être totalement libre de tout objet afin d’éviter toutecollision.

DE PLUS,

Les stratégies pour déterminer le trajet sont souvent complexes etles résultats ont dans bien des cas une allure non humaine.

Le coût d’une collision peut avoir une incidence sur le trajet résultant :le coût d’une collision avec une clôture en fil de fer barbelé est plusélevé qu’avec une serviette de toilette.

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Relation entre les gestes de la main et la parole

Interprétation des gestes de la main

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Références

David J. Magee, L’évaluation clinique en orthopédie. Edisem Inc.,1988, chap. 6, pp. 109-144.

Gilles Cours, Apprendre à dessiner les mains. Éditions FLEURUS,sept. 2002, 32p.

Rick Parent, ANIMATIQUE Algorithmes et techniques. Vuibert,2003, chap. 6, section 6.1, pp. 323-332.

Hans Rijpkema and Michael Girard, Computer Animation ofKnowledge-Based Human Grasping. Computer Graphics,Vol. 25, No. 4, July 1991.

Ying Wu and Thomas S. Huang, Hand Modeling, Analysis, andRecognition. IEEE Signal Processing Magazine, Mai 2001,pp. 51-60.