Perturbações Externas

Perturbações externas, como o lançamento de objetos, foram testes utilizados nos trabalhos de Abe, da Silva e Popovi´c (2007) e Geijtenbeek, Pronost e Stappen (2012), enquanto o personagem segue um MoCap. Utilizou-se neste trabalho, para este teste, o lançamento de esferas com densidade de 100kg/m3, surgindo em posições aleatórias e com velocidades variando entre 7m/s e 14m/s. Na Figura 5.29, mostra-se uma sequência da animação cujo o personagem está seguindo um movimento de jogar capoeira ao mesmo tempo em que sofre as colisões com as esferas. Foram utilizados os valores da Tabela 5.6. As constantes dos controladores PD tiveram quer ser altas pelo fato desse movimento necessitar de uma convergência angular mais rápida, por tratar-se de um movimento de alta energia.

Descrição x y z unitário Todas as juntas - ks (kg · m/s2_{) 225,0 225,0 225,0} Todas as juntas - kd (kg · m/s) 4,5 4,5 4,5 kf se kml (s−1) 70,0 70,0 70,0 kf d (kg/s) 40,0 40,0 40,0 kts(kg · m/s2) 200,0 200,0 200,0 ktd (kg · m/s) 50,0 50,0 50,0 kma (s−1) 90,0 90,0 90,0 Pé simplificado - m 400,0N Pé simplificado - h 0,5m Pé simplificado - r 0,7m Pé simplificado - θ 45°

Tabela 5.6: Valores utilizados para as constantes discriminadas no controlador (Subseção 4.3) e no modelo simplificado do pé (Seção 4.4).

Figura 5.29: Lançamento de esferas sobre o personagem, enquanto o mesmo segue dados de MoCap de jogar capoiera (leitura dos keyframes da esquerda para direita de cima para baixo ).

5.5 Considerações Finais

Com base nos resultados dos testes, verifica-se que a técnica é robusta para vários tipos de situações. Todo o controle pode ser manipulado pelo usuário. Ele determina todos os parâmetros utilizados nos controladores, dando plena liberdade para movimentos desejados. O usuário pode determinar a oscilação entre estabilidade e corretude física com o uso da geometria paramétrica do pé, o alcance do equilíbrio e a convergência angular provida pelos controladores PD, manipulando os parâmetros associados nos controladores.

A implementação é simples, não se faz uso de nenhum otimizador on-line ou off-line para o bom desempenho do método e produz a animação em tempo real (em média 29 frames por segundo), considerando um só personagem. O controlador é robusto para indeterminados tipos de movimentos capturados. Foram testados alguns MoCap de alta e baixa energia, como: caminhar para frente e para trás, caminhar no lugar, agachar, tocar de maneira alternada o braço direito com o pé esquerdo e braço esquerdo com o pé direito, balançar um só pé, chutes, socos e jogar capoeira.

Os testes apresentados individualmente podem ser utilizados em conjunto, como por exemplo, seguir um MoCap enquanto parte do personagem é puxado para atingir um ponto virtual. Quanto ao estilo e naturalidade, fica a critério do usuário determinar os melhores valores dos parâmetros para este fim.

6 CONCLUSÃO E TRABALHOS FUTUROS

Foi apresentado nesta dissertação um controlador de equilíbrio simples para a animação de personagens bípedes em um ambiente virtual simulado fisicamente, onde o personagem é capaz de utilizar todos seus segmentos articulados para manutenção de seu equilíbrio ao seguir, ou não, dados de movimentos de referência. O modelo simplificado do pé proporciona uma estabilidade no equilíbrio, onde o usuário determina os parâmetros da geometria do pé para simular um pé mais complexo. Como visto nos resultados (Capítulo 5), a técnica é robusta para vários tipos de testes já realizados na literatura, para avaliar o desempenho dos controladores. Este trabalho avança o state-of-the-art por demonstrar uma diversidade de movimentos, comparado com outros métodos, incluindo caminhar, chutar, dar socos, jogar capoeira, etc.

Trabalhar com dados de movimentos capturados tem suas vantagens e desvantagens. Uma vantagem clara é que o movimento extraído é fisicamente correto, pelo fato de ter sido extraído de um ator. Uma outra vantagem é que os resultados da simulação podem ser melhor avaliados tendo posse desses dados. A desvantagem evidente é a ausência das forças de reação do personagem com o solo. Em alguns casos, o processamento dos movimentos capturados geram inconsistências quando mapeados em um personagem virtual. Por exemplo, o personagem renderizado com dados de MoCap sem o uso da física fica com os pés sobre o solo e em alguns casos chega a penetrar o solo desenhado na aplicação. No entanto, mesmo com essas desvantagens esses dados servem como uma boa referência.

A dinâmica dos controladores guiados por movimentos de referência possui uma robustez natural, englobando vários tipos de movimentos, sem depender de uma máquina de estados predeterminada. A desvantagem dos controladores que fazem uso da Jabobiana é que esta matriz supõe que o personagem esteja mantendo contato com o solo, tendo a raiz de sua hierarquia praticamente fixa. Nesse caso, o controlador para o equilíbrio proposto não é eficiente para movimentos de salto, por exemplo. O uso da geometria paramétrica do pé no estabelecimento da compensação dos torques na interação do pé com o solo proporcionou uma melhor estabilidade para diversos movimentos em variados testes, como se pôde observar no capítulo anterior.

A utilização de otimizadores foi descartada neste trabalho, observando assim que os ajustes simples de parâmetros viabilizam uma animação desejada ao se comparar com o MoCap (Figura 6.1). O método apresentado foi influenciado pelos trabalhos realizados por Abe, da Silva e Popovi´c (2007), por Macchietto, Zordan e Shelton (2009) e principalmente por Geijtenbeek, Pronost e Stappen (2012).

A técnica apresentada não é robusta para aplicações de forças externas no personagem durante sua locomoção, por não utilizar um controle de posicionamento do pé, como por exemplo, o de um pêndulo invertido como no trabalho de (YIN; LOKEN; PANNE, 2007). Foi realizada uma tentativa de inserir esse método no controlador de equilíbrio, no entanto o conflito entre manter o COM do personagem em um ponto de apoio e projetar este COM (proposta pelo SIMBICON) se mostrou, por hora, um fator determinante para se descartar a inserção do pêndulo no controle de movimento.

Figura 6.1: A esquerda (cinza) o personagem do MoCap e a direita o personagem simulado no movimento de balançar o pé (leitura dos keyframes de cima para baixo da esquerda para direita).

6.1 Trabalhos Futuros

O controlador de movimento proposto apresentou-se robusto quando utilizado com o modelo simplificado do pé, conferindo assim, a habilidade do personagem se adequar em um ambiente simulado fisicamente seguindo vários movimentos capturados. Um fator determinante no uso do Controle de Equilíbrio apresentado é que ele depende da informação do pé que está em contato com o solo. Foram utilizados dois tipos de sensores para determinar esse apoio, um provido por uma estrutura auxiliar advinda dos dados de MoCap e outro baseado nas forças de reação com o solo extraídos pela simulação. No entanto, o sensor determinado com o uso do movimento capturado não demonstra resultados tão realísticos, por causa de sua própria limitação em não possuir informações associadas às forças de contato com o solo. Esses resultados, descontínuos e/ou não realísticos, se apresentam quando, durante o movimento, o pé que está em swing recebe a informação sensorial, provida pelos dados de Mocap, indicando que ele é o pé de apoio para fins de Controle de Equilíbrio. Por conta disso, o pé move-se bruscamente em direção ao solo, causando uma instabilidade momentânea do personagem. Compara-se essa ação com o seguinte cenário. Seja o ator caminhando normalmente inesperadamente cai em um buraco que se localiza a sua frente. Ao cair, o ator leva um susto mesmo mantendo-se em pé, diz-se que este susto causa a instabilidade momentânea. Utilizou-se uma estrutura auxiliar para anexar a informação do pé que se presume estar em contato com o solo para trabalhar junto com os dados de MoCap, promovendo assim a troca do pé de apoio na hierarquia do Controle de Equilíbrio do personagem simulado.

O sensor utilizado neste trabalho para determinar qual o pé a ser considerado de apoio a partir do movimento capturado ainda não é o ideal. A investigação de um sensor mais robusto, sem depender dessa estrutura auxiliar realizada de forma manual, incrementaria os resultados da animação e poderia gerar resultados mais coerentes em que a troca do pé de apoio seria feita de forma suave e natural.

A técnica apresentada foi aplicada a um personagem bípede. No entanto, investigar como seria a aplicação da técnica de equilíbrio para personagens com morfologias estruturais diferentes como, por exemplo, quadrúpedes, seria importante para verificar a adaptatividade do controle.

O controle de equilíbrio é computacionalmente caro, exirge muitos cálculos com matrizes em seu processo. Estudar uma forma de torná-lo mais eficiente faria com que fosse possível inserir vários personagens executando a simulação em tempo real.

Foram realizados seis testes neste trabalho. Esses testes estão condicionados a limitação da técnica de equilíbrio, que é baseada em manter o COM do personagem em uma posição de apoio. Anexar à técnica proposta uma forma de inserir um controle de predição da colocação do pé do personagem, baseado no SIMBICON, afetaria positivamente a robustez para outros testes, fazendo com que o personagem pudesse ultrapassar obstáculos e reagir às forças externas enquanto executa um movimento de locomoção.

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APÊNDICE A -- ESTRUTURA DO PERSONAGEM

O personagem utilizado neste trabalho é apresentado segundo a Figura A.1, em uma forma bidimensional. Todas as juntas apresentadas na forma de um círculo possuem 3 DOFs, totalizando 39 DOFs (13 juntas). O modelo foi construído tendo como raiz a pélvis. O sentido da seta (ao redor da marcação da junta) descreve o relacionamento da junta com os links (segmentos articulados), no círculo de aumento observa-se que a seta indica que o link l4 é o filho e o link l5é o pai da junta 4. Essa hierarquia é utilizada para aplicação dos torques extraídos dos controladores PD.

O sistema utilizado neste trabalho é informado automaticamente a respeito do relaci- onamento entre os segmentos articulados do personagem por meio da junta, na leitura do arquivo de entrada, utilizando Linguagem de Marcação (eXtensible Markup Language (XML)). Dessa forma são adicionadas as características dos links e das juntas do personagem. As informações são: as dimensões, a posição inicial, a geometria, a orientação e a massa de cada link. Todas as unidades, de dimensão, de posição e de massa seguem o sistema internacional de medida. Além dessas informações, são adicionados valores booleanos indicando se o segmento articulado pode ser considerado pé ou segmento articulado na utilização do Controle de Equilíbrio para orientação do personagem. Para as juntas necessitam-se três informações, quem é o segmento pai, o segmento filho e a posição de encaixe. Com estes dados o personagem articulado está apto para se tornar um personagem ativo com o auxílio dos controladores.

Figura A.1: Modelo utilizado no trabalho. A hierarquia das juntas disposta define a pélvis como raiz.

APÊNDICE B -- HIERARQUIAS DO MODELO NO CONTROLE DE EQUILÍBRIO

Na Figura B.1, observam-se as hierarquias que o Controle de Equilíbrio pode consi- derar no uso da Jacobiana. O sentido das setas descreve a relação de link (segmento articulado) pai e de link filho da junta, esta estrutura hierárquica define a influência das juntas sobre os links.

Figura B.1: Tipos de hierarquia do personagem. Dependendo do pé que está em contato com o solo (em vermelho) tem-se uma mudança da hierarquia que influencia na construção da matriz Jacobiana.

Para ficar mais evidente a questão da influência das juntas nos links utilizou-se uma matriz com as linhas representando as juntas e as colunas os links do personagem. Para melhor visualização, as tabelas abaixo representam com 0 (zero) a não influência da junta no link e com 1 (um) a influência da junta do link relacionado a coluna. As tabelas estão relacionadas às hierarquias do personagem da Figura B.1, com os dois pés no solo (a), com o pé direito no solo (b) e com o pé esquerdo no solo (c). As referências dos identificadores das juntas e dos links estão descritos na Figura A.1.

junta/link l 0 l 1 l 2 l 3 l 4 l 5 l 6 l 7 l 8 l 9 l 10 l 11 l 12 l 13 0 0 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 2 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 3 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 4 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 5 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 6 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 7 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 8 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 9 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 10 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 11 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 12 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1

Tabela B.1: Matriz para hierarquia de relacionamento de juntas (linhas) com os links (colunas) do modelo descrito na Figura B.1 (a), com os dois pés do personagem em contato com o solo.

junta/link l 0 l 1 l 2 l 3 l 4 l 5 l 6 l 7 l 8 l 9 l 10 l 11 l 12 l 13 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 3 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 4 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 5 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 6 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 7 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 8 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 9 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 10 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 11 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 12 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1

Tabela B.2: Matriz para hierarquia de relacionamento de juntas (linhas) com os links (colunas) do modelo descrito na Figura B.1 (b), com o pé direito do personagem em contato com o solo.

junta/link l 0 l 1 l 2 l 3 l 4 l 5 l 6 l 7 l 8 l 9 l 10 l 11 l 12 l 13 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 3 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 4 1 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 5 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 6 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 7 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 8 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 9 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 10 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 11 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 12 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1

Tabela B.3: Matriz para hierarquia de relacionamento de juntas (linhas) com os links (colunas) do modelo descrito na Figura B.1 (c), com o pé esquerdo do personagem em contato com o solo.