Physics-based Animation of Fullbody Human Locomotion in Altered Gravity

Abstract

Many researchers have simulated various gravitational environments in order to understand the relationship between human locomotion and gravity. In particular, the computer-based approach measures exactly the movements at low cost and generates various movement styles. However, most of the previous work using computer-based approach is concerned with only Earth's gravity on the lower body. In this dissertation, we propose a physics-based approach to simulate the full-body animation of human locomotion in altered gravity environments. In order to develop the simulation system with a different gravity, there are several difficulties that we have to take into account: controlling high dimensional degree-of-freedoms (DoFs) of a character model, lack of motion data in various gravitational environments, and generating natural and robust human locomotion. We address these challenges and design an improved simulation system for generating human locomotion with given gravity. As input, our method takes three captured human motions under Earth's gravitational condition such as walking, running, and turning, and sets the gravitational environments to those of the Moon, Mars, Neptune, and Jupiter. We select these environments to verify the applicability of our approach and show the differences of the synthesized motions as gravitational conditions change gradually. For a given gravity condition, we first estimate the desired velocity as well as the stride frequency of our character model using the Froude number, apply the altered gravity to the underlying control model. Our system generates the center of mass (COM) trajectory of a human character by using an inverted pendulum on a cart (IPC) control model and plans footsteps that can match the given environmental condition. In order to show that our results are visually plausible, we verify the results in three ways: we compared the simulated locomotion with an analytical gait model from the biomechanical literature and real human motion in an Apollo mission clip; we also qualitatively compared our results with others in the field of character animation. Through these comparisons, we confirm that our experimental results show plausible human gaits in different gravity with different gait characteristics. This dissertation has the following main contributions to the state of the art. First, we propose a physics-based approach to generate natural and robust locomotion in altered gravity for a full-body human character. We deal with high DoFs of a full-body human character and our method produces realistic and robust trajectories of the body by planning the position of its four limbs and optimize the simulated motion using desired motions based on captured motions. Second, we predict good gait properties under the altered gravity using the Froude number. We design a pre-estimation model estimating gait properties mathematically in given gravity based on an assumption of the Froude number that a gait pattern remains unchanged regardless of gravity changes. Last, we control gait properties in a direct way. It offers effective manipulation of human locomotion to keep its balance while the system synthesizes motions. To the best of our knowledge, our work is the first work that can produce the full-body simulation of a human character in altered gravity in high dimension with a diverse set of gait styles.;인체 동작과 중력 사이의 관계를 이해하기 위해 중력 환경 시뮬레이션이 과거에 다양하게 연구되었다. 그 중에서 물리기반 시뮬레이션은 저비용으로 인체 동작을 정밀하게 측정할 수 있으며, 공간적 제약이 없어 다양한 동작을 생성하는데 용이하다. 그러나 기존의 저중력하의 물리기반 인체 동작 시뮬레이션은 하체 동작에 집중되어 있으며, 그 또한 대부분 지구 중력 환경에 대해서만 연구가 이루어졌다. 본 논문에서는 물리 기반 접근법을 통해 다양한 중력 환경에서의 사람의 전신 동작 시뮬레이션을 제안한다. 다양한 중력 환경에서의 전신 동작 시뮬레이션 시스템을 개발하기 위해서는 캐릭터의 높은 자유도 제어와 다양한 중력 환경에서 인체 동작 데이터의 부족 문제 그리고 자연스럽고 견고한 동작 생성 문제가 고려되어야 한다. 본 논문에서는 중력이 동작에 미치는 영향을 고려하여 물리기반 접근법을 통해 주어진 중력에 따라 사람 동작을 직관적이며 효과적으로 제어하는 방법을 제시한다. 제안한 시스템은 참조 동작으로 지구 중력에서의 걷기, 달리기, 회전 동작을 사용한다. 테스트 중력 환경으로 달, 화성, 해왕성, 목성 환경을 구성했으며, 이를 통해 점진적으로 변하는 중력 크기에 따라 사람 동작의 변화 추이를 살필 수 있도록 했다. 제안된 시스템에서는 프루드 수(the Froude number) 기반의 예측 모델을 통해 주어진 중력에 대해 캐릭터 이동 속도와 동작 주기를 예측하여 시스템에 적용한다. 이를 기반으로 시스템은 카트형 역진자 (IPC) 모델을 사용해 무게중심 궤적을 생성하며, 발걸음 동작 계획법을 바탕으로 전신 동작 궤적을 합성한다. 그 결과로 변화된 중력 환경에 적응한 전신 동작 애니메이션이 생성된다. 시뮬레이션 결과에 따르면 중력이 감소할 경우에 걷기 동작에서 전진 속도와 보폭 주기 그리고 보폭 길이 모두 감소하는 경향을 보이며, 달리기 동작에서는 전진 속도가 유사하고 보폭 주기는 감소하며 보폭 길이가 증가하는 결과를 보였다. 그리고 회전 동작에서는 전진 속도와 보폭 주기가 감소하고 보폭 길이가 유사함을 확인 할 수 있었다. 최종적으로 기존 시뮬레이션 시스템과의 비교를 통해 본 논문에서 제안된 방법이 인체 동작을 보다 효과적으로 생성함을 보였다. 또한, 아폴로 달 착륙 영상에서의 우주인 동작과 시뮬레이션 동작을 비교하여 애니메이션 품질이 우수함을 보였다.