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Travaux d'Etudes et de Re her he : Croquis
animés pour l'enseignement de l'anatomie
Doussot Quentin
12 mai 2011
Table des matières
1 Introdu tion 2
1.1 Contexte de travail . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2 Travaux déjà e�e tués autour de e sujet . . . . . . . . . . . . . . 2
2 A propos des représentations du mouvement 3
2.1 Quelques ritères pour juger la représentation d'un mouvement . 3
2.2 Comment représenter le mouvement de manière intuitive ? . . . . 5
2.2.1 Te hniques générales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2.2 Te hniques utilisées dans le monde de la bande dessinée. . 6
2.2.3 Te hniques utilisées dans les s ien es . . . . . . . . . . . . 7
2.3 Les limites et problèmes ren ontrés . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.3.1 La ontrainte de non re ouvrement . . . . . . . . . . . . . 7
2.3.2 Le plan de vue . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.3.3 Les ompositions de mouvements . . . . . . . . . . . . . . 10
2.3.4 Les objets arti ulés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.3.5 Les ontraintes temporelles . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.3.6 Les mouvements internes ou déformations . . . . . . . . . 12
2.4 Un prototype . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3 Con lusion 13
3.1 Résumé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3.2 Bilan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3.3 Perspe tives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3.4 Remer iements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1
1 Introdu tion
1.1 Contexte de travail
Mon TER a eu lieu au sein de l'équipe EVASION, équipe ommune au
Laboratoire Jean Kuntzmann et à l'INRIA. Je suis allé travailler dans les lo aux
de l'INRIA-MontBonnot. Les enseignants her heurs qui m'ont en adrés dans
e travail sont
� Marie-Paule Cani
Professeur à Grenoble INP. A reçu le prix "Outstanding Te hni al Contri-
butions Award" dé erné par Eurographi s ette année.
� Olivier Palombi
Assistant hospitalo-universitaire en Neuro hirurgie et enseignant d'Anato-
mie à l'UJF lors de sa thèse. Thèse pluridis iplinaire santé / informatique
graphique
� Rémi Ronfard
Ingénieur des mines. Chargé de Re her he en mars 2009, pour y développer
un nouveau programme de re her he dédié aux appli ations de la vision
par ordinateur et de l'apprentissage statistique (ma hine learning) aux
domaines du inéma et du théâtre.
J'ai parti ipé à quelques réunions d'équipes et j'ai don pu dé ouvrir la vie
en équipe au sein d'un laboratoire. Comme j'ai assisté à un hangement
d'équipe, j'ai parti ipé à une réunion pendant laquelle haque personne
présentait son travail et je onnait plus ou moins le travail ourant des
personnes de l'équipes.
1.2 Travaux déjà e�e tués autour de e sujet
James Cutting a présenté dans l'arti le [1℄ une analyse des di�érents moyens
utilisés pour représenter le mouvement dans di�érents domaine. Il ite : l'équi-
libre dynamique, les images strobos opiques, le �ou photographique et les lignes
de mouvements. Je pré iserai plus tard es di�érentes te hniques.
Dans l'arti le [5℄ Motion Doodles, il est question de dessiner un humanoïde, puis
de lui faire exé uter ertains mouvement du plus simple omme la mar he au
plus omplexe omme le "moonwalk" ou ertains sauts de danse a robatique.
Les points intéressants de et arti le sont les te hniques utilisées pour s hémati-
ser l'objet, pour shématiser le mouvement, puis pour le segmenter et l'analyser
a�n de le re onnaitre et de le générer.
Deux autres arti les sont en rapport ave mon travail au point près qu'ils s'in-
téressent un peu près à l'opposé : générer une image à partir d'un mouvement
ou d'une vidéo :
� L'arti le [2℄ présente l'idée de onstruire un storyboard qui orrespondrai
à e qui se passe dans une vidéo. Cela permet de résumer rapidement une
s ène en onservant tout de même ertains détails. On y explique don
ertaines te hniques de storyboarding pour représenter les mouvements
2
d'objets et de améra.
� De manière similaire, dans l'arti le [4℄, on veut représenter le mouvement
non pas d'une s ène mais dans une animation 3d. Les auteurs montrent
omment il faut modi�er l'image pour pouvoir faire omprendre un mou-
vement déjà onnu. Cette arti le donne don des pistes quant à e qui est
né essaire pour dé rire su�samment pré isement un mouvement.
D'autres re her hes ont déjà été faites sur la génération de modèles 3D à partir
de roquis en 2D, si la génération du mouvement doit être faite en 3D à par-
tir d'un roquis en 2D, on peut y trouver des informations intéressantes. Dans
l'arti le [3℄ on montre omment générer un modèle 3D de système vas ulaire à
partir d'un roquis en 2D et de onnaissan e à priori sur les systèmes vas ulaires.
Ce TER s'intéresse aux roquis de l'enseignement de l'anatomie, il était
don important de onnaitre quelques mouvements lassique vu en anatomie et
de savoir omment les anatomistes les représentaient et les expliquaient. Dans
un "Pré is d'anatomie linique", j'ai don pu remarquer que les anatomistes
s'intéressaient davantages aux mouvement potentiels des objets, don de la a-
pa ité des objets à se mouvoir en tenant ompte de ertaines ontraintes omme
sur la �gure 1 . J'ai aussi pu onstater qu'ils indiquaient les rapports entre les
di�érents a teurs du mouvement, par exemple sur la �gure 2 le mus le est le
moteur qui va faire bouger un membre.
2 A propos des représentations du mouvement
2.1 Quelques ritères pour juger la représentation d'un
mouvement
Comme vous l'aurez ompris, les besoin de représenter le mouvement, sou-
vent par un simple dessin, existent dans beau oup de domaines di�érents omme
l'art et les s ien es par exemple. Beau oup de travail a don déjà été fait (sans
pour autant que e fut for ément l'obje tif). On peut s'inspirer de nombreuses
sour es : les bandes dessinées, le storyboard, les s hémas de montage, les s hé-
mas de pliage d'origami ou en ore les s hémas d'anatomie. Comme plusieurs
te hniques existent, il est intéressant de les omparer et de les juger.
Dans [1℄, l'auteur évoque plusieurs ritère pour juger un mouvement :
� L'intuitivité de la représentation :
Est-il intuitif de omprendre le mouvement ?
� La lareté de l'objet :
Est- e que l'objet est dégradé (par un �ou par exemple) ?
Est e que l'on peut bien omprendre à quel objet le mouvement s'ap-
plique ?
� La dire tion du mouvement, de la traje toire
Est e que l'on omprend bien quel traje toire l'objet emprunte ?
3
Figure 1 � Les anatomistes dé rivent les apa ités des objets à se mouvoir plus
que le mouvement lui même.
Figure 2 � On utilise des �è hes pleines pour le mus le et des �è hes vide pour
le reste
4
Figure 3 � On omprend parfaitement que Dingo(personnage réé par Walt
Disney) est en train de ourir
� L'intensité du mouvement
Peut on estimer si le mouvement est rapide, trés rapide ou lent ?
2.2 Comment représenter le mouvement de manière in-
tuitive ?
Parmis les solutions que j'ai pu voir à travers mes di�érentes le tures et
mes di�érentes re her hes, notamment les bandes-dessinées, j'ai retenu quelques
solutions intéressantes.
2.2.1 Te hniques générales
� L'équilibre dynamique
C'est le fait que l'objet représenté ne peut se retrouver dans ette posture
uniquement(ou presque) si il fait un ertain mouvement, par exemple un
homme qui ourt (�gure 3) a une posture parti ulière et il y a très peu de
han e qu'il adopte ette posture si il ne ourt pas.
� Les images strobos opiques
C'est omme si l'on dis rétisait le temps et qu'on prenait l'empla ement
de l'objet juste à ertains moments (voir �gure 4). Une te hnique bien
onnue pour générer un mouvement est de le dé rire par des images lés
(keyframes) et de le générer par interpolation.
� Image a ompagnée des "lignes de mouvement"
Cette idée mime l'e�et de la persistan e rétinienne pour donner l'impres-
sion de mouvement (�gure 5). D'ailleurs à l'inverse de mon travail, ertains
5
Figure 4 � Images strobos opiques d'une balle qui rebondit
Figure 5 � Utilisation de lignes de vitesse pour dé rire le mouvement
(voir arti le [4℄) l'utilisent parfaitement pour faire un résumé de mouve-
ment en une image.
� Flou
Lorsque l'on photographie un objet en mouvement, on obtient un �ou sur
ette objet si le temps d'exposition est su�sament long par rapport à la
vitesse du mouvement. I i 'est la même idée.
2.2.2 Te hniques utilisées dans le monde de la bande dessinée.
� La virgule
C'est une te hnique largement utilisée dans le monde de la bande dessiné
(dans Astérix et Obélix par exemple voir �gure 6) qui onsiste à dessiner
une partie de l'an ien ontour d'un objet.
6
Figure 6 � Le dessinateur a pla é des virgules derrière les pieds, les fesses, le
oude et le asque d'Obélix pour dé rire le mouvement
� L'empreinte
De manière très similaire aux images strobos opiques, les dessinateurs
redessine plusieurs instan e d'un même objet (�gure 7). Contrairement
aux images strobos opiques, les dessinateurs ne redessinent pas les détails
de ette image et évite le re ouvrement des deux images. Ce i surement
pour des raisons d'e� a ité en terme de temps et d'esthétisme.
� La trainée
Cela ressemble beau oup aux lignes de mouvements (�gure 8).
2.2.3 Te hniques utilisées dans les s ien es
� Les ve teurs
Dé rit le mouvement de manière pré ise à un moment pré is.
� Les autres formes de �è hes
Si elles sont des parties de er le, elles dé rivent souvent une rotation
autour d'un point. Sinon elles peuvent permettre de dé rire le sens du
mouvement et on peut donner du sens à leurs largeurs ou leurs opa itées.
2.3 Les limites et problèmes ren ontrés
2.3.1 La ontrainte de non re ouvrement
Un des points importants si l'on veut pouvoir permettre un dessin orre te
d'une représentation, et une interprétation possible de ette représentation est de
respe ter la ontrainte de non-re ouvrement. Alors, parfois, lorsque les mouve-
ments de plusieurs objets, par exemples les sous arti ulations d'un même objets,
7
Figure 7 � Les empreintes donne le même e�et que l'utilisation d'images stro-
bos opiques
Figure 8 � A la vue de la taille de la trainée laissé par le romain, on peut juger
de la violen e du oup reçu
8
Figure 9 � Même si il ne s'agit pas d'un mouvement, on ne peut pas voir
toutes les pié es importantes en même temps i i et don di�érentes vues nous
sont données.
peuvent être omplexes et sembler s'emmêler, on peut se demander omment
faire. C'est un point que les dessinateurs de bande dessinées, de storyboard et
de s héma de montage ont résolut il y a longtemps : on dé oupe la représenta-
tion du mouvement. Cette dé oupe peut être dans l'espa e, par exemple ave
une de devant et une vue de derrière pour expliquer le mouvement syn hroni-
ser entre deux piè es qui se a herait, 'est souvent le as dans les s hémas de
montage. Cette dé oupe peut aussi être dans le temps, si des objets se passent
devant plusieurs fois, ela est plus esthétique d'éviter trop de re ouvrements de
leurs traje toires, et on peut don dé rire e mouvement sur plusieurs vignette,
omme le font les dessinateur de bande dessinées et de storyboard.
2.3.2 Le plan de vue
En général on hoisit naturellement un plan de vue qui va nous permettre
de visualiser au mieux le mouvement, 'est à dire un plan de vue dans lequel le
mouvement évolue prin ipalement. Cependant il peut arriver qu'il reste toujours
un objet qui évoluera perpendi ulèrement au plan de vue. Ce problème peut être
résolu omme le pré édent, 'est à dire en dessinant la s ène sous plusieurs points
de vue di�érents omme sur le s héma �gure 9.
9
Figure 10 � Utilisation de lignes de mouvement simpli�ée pour dé rire un
mouvement de rotation et de translation
2.3.3 Les ompositions de mouvements
L'un des mouvements les plus fa ile à représenter est la simple translation,
bien que la rotation soit un peu plus di� ile à représenter, il reste possible de
la représenter par une �ê hes qui tourne autour. Par ontre pour représenter un
mouvement d'objet en translation et en rotation, ela est plus déli at. On peut
évidement "additioner" les deux notations mais on a du mal à savoir quand
ommen e l'un par rapport à l'autre et omment leurs intensitées sont ordon-
nées : est e que l'objet tourne beau oup plus vite qu'il avan e ou est e que
'est l'inverse ?
Une solution peu onsister à dessiner une ligne de mouvement grossière (voir
�gure 10) et d'en déduire la vitesse de rotation par rapport à la vitesse de dé-
pla ement de l'objet en omptant le nombre de bou le par unité de distan e
urviligne.
2.3.4 Les objets arti ulés
Dans ertains as, on sera ontraint de dé rire ha une des rotations d'un ob-
jet arti ulé. Dans le as d'autres objets arti ulés, si la résultant du mouvement
prin ipale est simple, prenont l'exemple du monte harge (ou d'une table éléva-
tri e �gure 11 , il est domage de demander à l'utilisateur de dé rire ha une des
rotations des bras arti ulés. Premièrement par e qu'il y a peu de han es qu'il
dé rive les rotations qui feront exé uter le bon mouvement, et deuxièmement
par e que ela peut vite devenir désagréable.
Aussi, si l'on a un bras arti ulé, et que l'on veut dépla er l'extrémité à un
endroit, il peut être pratique pour l'utilisateur de juste dé rire le mouvement de
l'extrémité. On peut ensuite générer le mouvement par inématique inverse mais
rien ne nous dit que le mouvement générer soit intuitif. Il faudra don ajouter
des onnaissan es à priori (par exemple d'anatomie) pour rendre le mouvement
naturel.
10
Figure 11 � Cette ma hine possède beau oup d'arti ulations mais le mouve-
ment de la table est très simple
Une autre solution onsiste à augmenter le vo abulaire des annotations pour
qu'il orresponde à un mouvement omplexe mais lassique. C'est e qui a été
montré dans l'arti le Motion Doodles [5℄, l'utilisateur peut ainsi faire faire le
fameux 'moow walk' à son personnage.
2.3.5 Les ontraintes temporelles
Les mouvements de plusieurs objets peuvent être en hevêtrées de manière
omplexe dans le temps. Prenons ette s ène : un objet A ommen e à bouger
avant un objet B, l'objet B ommen e à bouger ave que l'objet A ne s'arrête et
l'objet C ommen e à bouger quand l'objet A s'arrête. Représenter ette s ène
en une seule image est vraiment di� ile et la solution la plus simple est de dé-
ouper notre s ène en plusieurs mor eaux, haque mor eaux est représenté sur
un vignette et on peut alors générer le mouvement �nal par " ontinuité entre
les vignettes".
D'autres ontraintes temporelles peuvent exister : on veut par exemple que deux
objets viennent se per uter. Il peut être vraiment désagréable de devoir ajuster
les vitesses et longueurs des mouvements de ha un pour arriver au résultat
voulu. On peut alors utiliser un autre 'mot de vo abulaire', une autre notation,
empreinté par exemple aux dessinateurs de bande dessinées pour indiquer la
ollision omme sur la �gure 12.
Le logi iel doit alors ensuite s'arranger pour faire débuter les mouvements aux
bons moments, a élerer légèrement l'un des deux ou dans tous les as, modi-
�er raisonnablement les paramètres pour faire oïn ider dans l'espa e-temps de
manière à e qu'ils se tou hent. Il faut faire attention, ar on peut dessiner des
s ènes impossibles, le tout est de savoir si la s ène est possible en modi�ant
légèrement les paramètres.
11
Figure 12 � Le dessin de e splash indique lairement la ollision entre les deux
objets
Figure 13 � On peut tenter de dé rire un gon�ement ave des �è hes
2.3.6 Les mouvements internes ou déformations
On trouve peu de te hniques pour exprimer le fait qu'un objet grossise. Une
te hnique employé est de hanger la taille des empreinte ar elles orrespondent
à une image de l'objet. On peut don faire grossir ou rétré ir l'objet en utilisant
une su ession d'empreintes de di�érentes tailles. Lorsque l'objet n'est pas en
mouvement, on a un des problèmes de re ouvrement qui peuvent apparaître et
on ne sait pas for ément dans quel sens va la déformation. On peut dessiner ave
di�érentes opa itées pour haque empreintes a�n d'exprimer leur antérioritées
(une empreinte transparente semble plus an ienne qu'une empreinte opaque).
On peut aussi illustrer un gon�ement ou un dégon�ement par des �è hes omme
sur la �gure 13. En tout as l'illustration de tels déformation reste di� ile.
12
Figure 14 � Un prototype pourrait interpréter e shéma de mouvement et
générer une animation
2.4 Un prototype
On hoisis d'abord notre vo abulaire. On va se limiter aux te hniques utili-
sées dans la bande dessinée en plus du dessin de simples �è hes : ar e sont les
plus simples à dessiner à travers une interfa e.
Traje toire Vitesse Rotation Vitesse de rotation Taille
Trainée Oui Oui Non Non Non
Virgule Non Oui Oui Oui Oui
Empreinte Moyen Non Oui Non Non
Flè he Non Non Oui Oui Non
L'utilisateur pourrai don dessiner des lignes, des virgules et des �è hes. Il
pourrai aussi harger des images qui orrespondront à des objets. Il ollera ses
images d'objets dans la s ène en tant qu'empreinte : il pourra hoisir l'angle et
la taille. On se limitera aussi à l'étude d'une seule vignette. Sur la �gure 14 on
peut voir le genre de dessin que l'interfa e serai apable d'interpréter.
3 Con lusion
3.1 Résumé
Même si la modélisation par roquis a déjà été élaboré pour le modélisation
de forme 3D, il y a peu de travaux qui ont été e�e tués pour la modélisation de
mouvement par roquis. Il y a don beau oup de travail, beau oup de hoix à
faire et beau oup de problèmes à résoudre. La ompréhension d'un mouvement
représenté par une image peut déjà être di� ile pour un humain, on risque de se
onfronter à de nombreuses di� ultés pour des implémentations plus poussées.
13
3.2 Bilan
On a pu voir à quel point e sujet est pluridis iplinaire puisqu'il va de la psy-
hologie pour l'étude de la représentation du mouvement, à la robotique pour
l'étude des bras arti ulés en passant évidement par l'anatomie. Cela en fait don
un sujet très intéressant et 'est en plus un sujet qui a bien sa pla e dans un
monde ou la réation d'univers virtuelles deviens de plus en plus important.
C'est un sujet qui m'a beau oup intéressé et j'ai passé du temps à imaginer la
on eption d'un prototype ave d'autres membres de l'équipe. J'ai peut être un
peu dévié du sujet en ne me restreignant pas su�sament à quelques mouve-
ments lassiques d'anatomies mais e fut vraiment intéressant de partager des
problèmes et des solutions ave d'autres membres de l'équipe.
J'ai e�e tué e TER ar je suis intéressé par la re her he et je voulais savoir
quel était l'environnement de travail dans lequel je pourrais évoluer. J'ai don
été satisfait par la adre agréable du laboratoire et ela m'a motivé à ontinuer
dans ette voie.
3.3 Perspe tives
C'est ave plaisir que je ontinuerais e sujet pendant mon PFE et j'imagine
que ertaines industries peuvent être intéressées par e genre de logi iel. De plus
l'INRIA possède déjà des logi iels de modélisation (Matisse) et de simulation
(SOFA) puissants dans lesquels on pourrait intégrer une ou he qui permettrait
de dé rire le mouvement et de le générer e qui pourrait être vraiment on luant.
3.4 Remer iements
Je remer ie d'abord Floren e Maranin hi pour s'être hargé de l'organisation
des TER. Je remer ie également mes en adrants et l'équipe Evasion qui m'ont
a ueilli gentillement et aidé tout au long de e travail.
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Référen es
[1℄ J.E. Cutting. Representing motion in a stati image : onstraints and
parallels in art, s ien e, and popular ulture. PERCEPTION-LONDON-,
31(10) :1165�1194, 2002.
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(TOG), 25(3) :862�871, 2006.
[3℄ A. Pihuit, M.P. Cani, and O. Palombi. Sket h-based modeling of vas ular
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Session of the Seventh Sket h-Based Interfa es and Modeling Workshop and
Eighth Symposium on Non-Photorealisti Animation and Rendering, pages
151�158. Eurographi s Asso iation, 2010.
[4℄ J. S hmid, R.W. Sumner, H. Bowles, and M. Gross. Programmable motion
e�e ts. SIGGRAPH'10 : ACM SIGGRAPH 2010 papers, pages 1�9, 2010.
[5℄ M. Thorne, D. Burke, and M. van de Panne. Motion doodles : an interfa e
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24�es. ACM, 2007.
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