Modélisation, suivi et simulation d'objets articulés et déformables. Application au modelage réel d

275 Pages·2017·21.07 MB·French

by  Guillaume Dewaele

Modélisation, suivi et simulation d’objets articulés et
déformables. Application au modelage réel d’une argile
virtuelle
Guillaume Dewaele
To cite this version:
Guillaume Dewaele. Modélisation, suivi et simulation d’objets articulés et déformables. Application
au modelage réel d’une argile virtuelle. Interface homme-machine [cs.HC]. Institut National Polytech-
nique de Grenoble - INPG, 2005. Français. ￿NNT: ￿. ￿tel-00584946￿
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Institut National Polytechnique de Grenoble
pour obtenir le grade de
DOCTEUR DE L’I.N.P.G.
Sp´ecialit´e “Imagerie, Vision et Robotique”
Mod´elisation, suivi et simulation
d’objets articul´es et d´eformables.
Application au modelage r´eel d’une argile virtuelle.
pr´esent´ee et soutenue publiquement par
Guillaume Dewaele
le 7 d´ecembre 2005
pr´epar´ee au laboratoire GRAVIR-IMAG, `a l’INRIA Rhˆone-Alpes,
au sein des ´equipes Perception et E´vasion,
sous la direction de Radu Horaud et Marie-Paule Cani
Jury :
Val´erie Perrier Pr´esidente propos´ee
Christophe Chaillou Rapporteur
Pascal Fua Rapporteur
Radu Horaud Directeur de th`ese
Marie-Paule Cani Co-directrice de th`ese
Andr´e Crosnier Examinateur
Fr´ed´eric Devernay Examinateur

Sommaire
Introduction 1
I Sculpture 5
1 Mod´elisation g´eom´etrique : ´etat de l’art 7
2 Mod`eles de mat´eriau pour la sculpture 39
3 Un mod`ele d’argile virtuelle 57
4 Enrichissement du mod`ele 105
II Capture de gestes par vid´eo 125
5 La capture de gestes 127
6 Mod`ele articul´e et d´eformable de la main 143
7 Suivi robuste d’objets rigides 169
8 Suivi d’objets articul´es et d´eformables 213
Conclusion 231
Annexes 235
A E´l´ements d’analyse vectorielle 235
B Pseudo-distance 241
I
II SOMMAIRE
Bibliographie 243
Table des figures 257
Table des mati`eres 263
Introduction
Contexte
Encourag´ee, entre autres choses, par les progr`es r´ealis´es dans les domaines des images de
synth`ese et de la vision, la r´ealit´e virtuelle a pris une importance croissante ces derni`eres
ann´ees. L’interaction entre les mondes r´eel et virtuel est un domaine d’´etude prometteur, les
moyens le permettant, notamment, restant encore, pour une large part, `a inventer. C’est dans
ce cadre qu’ont ´et´e men´es ces travaux de th`ese.
Notre propos ´etait d’´etudier et de d´evelopper quelques outils qui permettraient, par
exemple,`aunsculpteurdetravailleruneargilevirtuelle.Noussouhaiterionsqu’ilfuˆtpossible,
`a l’aide de mouvements parfaitement naturels de la main, ex´ecut´es face `a des cam´eras vid´eo,
d’agir sur un mat´eriau virtuel de la mˆeme fa¸con que l’on pourrait le faire avec son pendant
r´eel.
Motivation et difficult´es
Pour parvenir `a ce r´esultat, il nous faut r´esoudre plusieurs probl`emes. Le premier tient
`a l’interaction proprement dite. Une interface bas´ee sur la vision pr´esente des avantages
ind´eniables. D’une part, elle est particuli`erement riche. Le mouvement de la main fait inter-
venir une trentaine de degr´es de libert´e, bien plus que n’en mesurent la plupart des interfaces
de r´ealit´e virtuelle. Elle ne gˆene aucunement l’utilisateur, au contraire, par exemple, de gants
haptiques. D’autre part, elle est parfaitement naturelle, puisque l’on peut directement utiliser
ces mouvements pour agir sur le monde virtuel.
Pour qu’une telle interface soit utilisable, elle doit cependant ˆetre robuste. La position
de la main doit ˆetre estim´ee avec autant de pr´ecision que possible, on doit pouvoir corriger
d’´eventuelles erreurs. Le suivi d’un grand nombre de degr´es de libert´e n’est pas une tˆache
facile, en particulier lorsqu’il faut tenir compte d’in´evitables occlusions. Le suivi de la main
a g´en´eralement ´et´e envisag´e au moyen d’une unique cam´era, ce qui a rendu les choses encore
plus difficiles. Peu de travaux ont tent´e de profiter d’informations tridimensionnelles obtenues
par l’utilisation de plusieurs cam´eras.
Le second probl`eme r´eside quant `a lui dans le monde virtuel. Une argile virtuelle que l’on
puisse manipuler comme on le ferait dans la r´ealit´e repr´esenterait un outil de mod´elisation
1
2 Introduction
3D simple et intuitif, qui demanderait peu d’apprentissage `a l’artiste. Les possibilit´es offertes
parune argile enmesure de se d´eformer `a petite et `a grande´echelle, de changer naturellement
de topologie, en feraient, dans le monde virtuel, un moyen simple d’´ebaucher des objets de
forme quelconque.
Il n’existe cependant pas `a cette heure de mod`ele permettant de simuler le comportement
d’un tel mat´eriau, et d’interagir avec celui-ci en temps r´eel. L’argile est, on le verra, un
mat´eriauditviscoplastique,situ´eentrelesfluidesvisqueuxetlessolidesplastiques.Ondispose
de nombreux mod`eles, correspondant `a une large gamme de mat´eriaux, mais aucun n’est en
mesure pour le moment, comme nous le verrons, de reproduire l’ensemble du comportement
d’une argile.
Contributions
Dans cette th`ese, nous pr´esentons un mod`ele d’argile virtuelle, offrant l’essentiel des ca-
ract´eristiquesquel’onattend:empreintes,d´eformations,changementsdetopologie,etc.L’uti-
lisateur peut interagir avec ce mat´eriau virtuel au moyen d’un nombre quelconque d’outils,
de la forme qu’il souhaite. Pour ce faire, nous avons associ´e plusieurs couches de simulation,
qui collaborent pour reproduire les diff´erents comportements attendus.
Nous proposons ´egalement une m´ethode de suivi des mouvements d’un objet d´eformable,
quenousappliquonsaucasparticulierdelamain.Cettem´ethodeutiliseplusieurscam´erasfil-
mant les mains de l’utilisateur, et combine diff´erentes approches pour fournir un suivi robuste
du mouvement. Une observation du d´eplacement des points d’int´erˆet, localis´es `a la surface de
la main, permet d’obtenir une premi`ere estimation, qui est ensuite corrig´ee lors d’une ´etape
d’ajustement du mod`ele sur les donn´ees extraites des s´equences vid´eo.
Organisation de ce document
Dans une premi`ere partie, ce m´emoire traite des travaux que nous avons men´es dans
le dessein de cr´eer un mat´eriau virtuel, semblable `a une argile, qui puisse ˆetre manipul´e en
temps r´eel par un utilisateur.
– Le chapitre 1 pr´esente untourd’horizondes diff´erentes approches qui ont´et´e sugg´er´ees,
par le pass´e, dans le cadre de la mod´elisation g´eom´etrique de formes tridimensionnelles.
– Dans le chapitre 2, nous nous penchons sur les avantages d’un travail sur une argile
r´eelle par rapport aux outils de mod´elisation pr´ec´edents, et nous essayons de cerner
les diff´erents aspects du comportement d’une argile qu’il nous semble important de
conserver, dans le cadre d’une argile virtuelle destin´ee `a la sculpture. Nous examinons
´egalement les mod`eles existants permettant la simulation de mat´eriaux susceptibles de
nous sugg´erer des pistes pour notre mod`ele d’argile virtuelle.
– Le chapitre 3 d´etaille le mod`ele d’argile virtuelle que nous avons d´evelopp´e, un mod`ele
compos´e de trois couches de simulation distinctes afin de permettre d’obtenir l’essentiel
des comportements de l’argile que nous cherchions `a mettre en ´evidence.
Introduction 3
– Le chapitre 4 enrichit ce mod`ele de diverses fa¸cons, en introduisant, entre autres choses,
des mat´eriaux non homog`enes, en couleur, et en proposant une int´eraction plus riche
entrel’argileetlesoutils.Ils’attarde´egalementsurquelquesquestionsd’impl´ementation
et de rendu.
Dans une seconde partie, nous discutons de la possibilit´e de suivre le mouvement de la
maind’unsculpteurface`aunjeudecam´erasvid´eo,afindepermettreuneinteractionplusriche
entre l’artiste et la machine que ne le permettent la plupart des interfaces conventionnelles.
– Le chapitre 5 r´esume les travaux ayant d´ej`a ´et´e men´es dans le domaine du suivi de
mouvements par vid´eo, en s’attardant tout sp´ecialement sur les m´ethodes de suivi des
mouvements de la main sans marqueur ni dispositif particulier.
– Le chapitre 6 est l’occasion pour nous de pr´esenter un mod`ele de main, utilis´e ensuite
pour le suivi. Ce mod`ele comprend une description cin´ematique, sur laquelle nous avons
greff´e une repr´esentation volumique d´eformable ainsi qu’une description des mouve-
ments de la peau `a la surface de la main. Nous introduisons au cours de ce chapitre
plusieurs outils qui nous sont utiles par la suite.
– Aucoursduchapitre7,nousd´etaillonsnotreapprochedusuividemouvement,mettant
en œuvre tout `a la fois une mise en correspondance de points 3D entre deux instants
successifs (afin d’estimer le d´eplacement entre ces deux instants) et un ajustement du
mod`ele sur les donn´ees acquises par les cam´eras. Nous appliquons cette strat´egie au cas
particulier d’un solide ind´eformable, et nous comparons nos r´esultats avec les m´ethodes
courammentutilis´ees,afindevoirdansquellemesurenotreapprochemixtenouspermet
de gagner en pr´ecision et en robustesse.
– Le chapitre 8, qui clˆot cette seconde partie, voit l’application de notre sch´ema de suivi `a
un objet ind´eformable, et plus particuli`erement `a la main humaine au moyen du mod`ele
d´evelopp´e plus tˆot. Quelques exemples de gestes, synth´etiques et r´eels, nous permettent
enfin de discuter des forces et faiblesses de notre approche.
Ce m´emoire s’ach`evera par un bref inventaire des difficult´es qui restent `a surmonter afin
de proposer un outil de mod´elisation 3D contrˆol´e par gestes, et des pistes qui nous ont sembl´e
prometteuses.
4 Introduction
Premi`ere partie
Sculpture
5