Informatique graphique

Françoise Breton, Marie-Paule Cani - 16/10/2012

Des personnages virtuels de plus en plus réalistes

Imagine Modélisation de plis - © Equipe Inria Imagine / Laboratoire Jean Kunzmann

Le film d’animation traduit bien les avancées des recherches en informatique graphique. L’industrie du cinéma suit en effet de très près la conception des nouveaux outils dans ce domaine et participe aux mêmes conférences. Les innovations sont donc traduites immédiatement dans un film qui fait figure de démonstrateur. Très visibles dans l’animation, ces nouvelles technologies ont aussi une place de choix dans les simulateurs médicaux et le prototypage industriel.

Témoignage de Marie-Paule Cani, responsable de l’équipe Imagine.

Le film d’animation Avatar illustre ce que l’on sait faire aujourd’hui de mieux en création de personnages de synthèse : ils sont tellement réalistes qu’ils interagissent avec des personnages réels sans qu’on puisse les en distinguer ! Il y a vingt ans, il était tout simplement impossible de faire un film avec des personnages virtuels. Le premier personnage animé au cinéma a été produit par Pixar en 1986. Il s’agissait d’une lampe de bureau, et ce n’est pas un hasard ! Pour animer un personnage 3D, il faut calculer une nouvelle géométrie tous les trentièmes de seconde pour donner l’illusion du mouvement, mais il est impossible d’agir directement sur les éléments qui composent la surface du personnage. Il faut passer par un modèle à couches (squelette, peau, éléments spécifiques comme le visage ou la chevelure, les vêtements) qui doivent chacune être crédibles ou expressives pour pouvoir être utilisées en animation, et qui soulèvent chacune des défis particuliers. Ces verrous ont suscité beaucoup de travaux depuis le début des années 1990 et n’ont pas tous été résolus simultanément.

Un réalisme qui progresse par petites touches.

Real Virtual Dress Adaptation automatique d'un vêtement à une nouvelle morphologie. Confection-test sur une poupée par une ingénieure de l'équipe ! - © Inria/Imagine et Laboratoire Jean Kuntzmann

La reconstruction du mouvement du squelette a fait un grand bond en avant lorsque la technique de capture du mouvement sur de vrais acteurs a supplanté, à partir des années 2000, les techniques manuelles d’interpolation et les approches par simulation. Notre équipe a contribué pour sa part aux autres couches du personnage 3D. A partir de 2003, nous avons développé des logiciels permettant d’ajouter du réalisme à la peau en faisant en sorte qu’elle puisse bouger, se déformer et faire des plis. C’était un perfectionnement du procédé de smooth skinning, inventé au début des années 1990, qui permettait d’habiller le squelette d’une peau lisse, plutôt que par des volumes rigides liés aux os qui avaient cours jusqu’alors. Nous avons également réalisé les premiers modèles dynamiques permettant de restituer l’épaisseur d’une chevelure animée (2002, 2006) et contribué à la prise en compte des vêtements, dont les plis et les collisions sont très complexes à simuler. En particulier, nous avons permis la synthèse de vêtements 3D à partir de croquis 2D (2007), l’ajout de plis dynamiques en temps-réel (2010) et le transfert de vêtements d’un personnage à un autre, en s’adaptant automatiquement au nouveau gabarit (2012). Un autre aspect important en animation de personnages est la simulation de leur comportement, pour permettre l’animation de foules de plusieurs milliers de personnes, comme dans l’Attaque des clones. L’équipe Bunraku, à Inria Rennes, s’est particulièrement illustrée sur cette question.

Toutes ces avancées ont également bénéficié d’apports d’autres disciplines. Par exemple, des techniques sophistiquées d’animation ont été développées à partir de modèles anatomiques, mus selon des modèles bio-mécaniques. Cette approche, partagée avec les médecins, a été utilisée pour réaliser certains personnages d’Avatars.

Le graphisme et l’animation 3D ne servent pas qu’au cinéma !

Modélisation de chevelure Modélisation de chevelures. Les étudiantes de l'équipe ont aussi servi de modèle. - © Inria/Imagine et Laboratoire Jean Kunzmann

Durant les 10 dernières années, les besoins de l’industrie du cinéma en simulation de personnages 3D ont souvent rejoint ceux d’autres domaines et leurs travaux se sont mutuellement enrichis. C’est ainsi que les recherches sur la chevelure se sont développées à l’interface de l’animation et des besoins en prototypage de l’industrie de la cosmétique : le premier modèle de chevelure réaliste, dit en hélice, réalisé par Florence Bertails et Marie-Paule Cani, a bénéficié de nombreuses données sur la dynamique des cheveux grâce à un contrat avec L’Oréal pour mettre au point un modèle destiné au test virtuel de nouveaux produits.

Les simulations poussées du corps humain trouvent pour leur part de nombreuses applications en médecine. La construction de modèles virtuels, dits patient-spécifiques, ouvre des perspectives, en particulier, dans la planification des opérations, dans l'assistance du geste opératoire et dans la formation à la chirurgie (dissection virtuelle). Inria développe la plateforme Sofa dans ce but. A Grenoble, le laboratoire d'Anatomie et l’Inria viennent de mettre en place une plateforme de capture des mouvements anatomiques destinée à la recherche clinique et à l’enseignement.
De même les travaux sur les vêtements intéressent des entreprises de la mode, et les simulations de foule, proposées aujourd’hui par la Start-up Inria Golaem, peuvent intéresser des acteurs de domaines très variés, que ce soit pour simuler l’évacuation d’espaces publics (SNCF, architectes), ou pour s’entraîner en vue d’interventions dangereuses (pompiers, police, armée).

ET DANS 20 ANS ?

Marie-Paule Cani, ancien Director at Large au sein du comité exécutif d'ACM SIGGRAPH, la manifestation de référence du domaine.

M-P Cani

« Mon rêve pour le loisir numérique serait que chacun soit capable de créer, d’habiller et d’animer sa propre créature virtuelle, pour la faire évoluer dans une histoire. Ce serait une façon très créative de jouer. Pour cela il faut développer notamment des outils capables de générer des personnages 3D habillés à partir de simples croquis et de déformations intuitives, sans avoir à apprendre le maniement complexe des interfaces actuelles. Nos travaux visent aujourd’hui la conception de ces outils intuitifs permettant de créer de la géométrie, du mouvement et du contenu narratif. Je pense que c’est un domaine qui est amené à se développer. »

Mots-clés : ACM SIGGRAPH INRIA Grenoble Rhône-Alpes Marie-Paule Cani Imagine Synthèse d'images 3D

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