Rigging a human body model is an active research area in Computer Animation. When a body moves the shape of the body undergoes non-rigid articulated motion. The skin is the surface of a human body and defines a shape of the body. In Computer Graphics, it is a common practice to model only the surface of a body and to apply the deformation of the shape directly onto the surface. However, underneath the skin, there are muscles, fatty layers and bones where their positions and shape affect the final appearance or the shape of skin. There have been anatomy-based modeling approaches to mimic a real human body structure, but the muscle models are either too simple to exhibit a realistic properties of the muscles or unnecessarily too complex for computer animation. Moreover, the skinning is rather arbitrary and the shape control is not intuitive.
In this thesis, we propose a new representation of a human body for an intuitive rigging based on $\It{layered}$ free-form deformation. We start with NURBS-based free-form deformation (NFFD) in order to allow natural shape of skin and muscles. For modeling muscles, we extend the NFFD to incorporate some physical properties such as volume preservation. For a skin model, the initial shape is represented by NURBS-based FFD, but its deformation is based on a layered free-form deformation reflecting the anatomical structures of a limb, where the muscles are attached to a bone and the muscle layer is underneath the skin affecting the final shape of the skin, based on the articulated motion of the bone. We define various types of muscle using our extended $\It{constraint}$-NFFD, and represent the human body using $\It{layered}$ FFD. We demonstrate that a motion of a joint creates a realistic deformation of the skin in real-time.
컴퓨터 애니메이션분야에서 사람의 모양을 원하는 데로 만들기는 어렵다. 다른 물체와는 달리 사람의 형상은 기본골격인 뼈에 의해서만 만들어 지는 것이 아니고, 뼈에 연결된 근육의 모양에 의해 피부의 모양이 변하기 때문이다. 근육의 모양은 근육이 수축 또는 늘어날 때 부피를 보존하도록 변형된다. 이러한 근육의 부피보존 특성을 가지고 사용자들의 요구에 맞게 사람의 모양이 변형되는 시스템을 제안하려고 한다.
해부학 기반의 모델링을 위한 모델링 방법은 크게 두 가지로 나누어 진다. 하나는 물리 기반의 시뮬레이션이고 또 하나는 기하학 바탕의 모델링이다. 먼저 물리기반의 시뮬레이션의 경우 정확하고 실제와 가장 유사한 모습을 보여주지만, 시간이 오래 걸린다는 단점과 사용자에 의해 직접 모양을 변형시킬 수 없다는 단점을 가지고 있다. 기하학 기반의 모델 방법은 실시간에 보여줄 수 있다는 장점을 가진 반면에 모양이 제한되어 있다는 단점과 근육을 나타내는 정점들과 피부의 정점들을 일일이 연결해야 한다는 문제점을 가지고 있다.
본 논문에서는 기존의 문제점들을 해결하고자 새로운 방법을 제시하였다. 먼저 실시간에 실행시키기 위해서 물리기반 보다는 기하학 기반의 모델링 방법을 사용하였다. 그리고 기하학 기반의 모델링 방법의 단점인 제한된 모델만을 사용할 수 있다는 것을 해결하기 위해서 NURBS 기반의 자유형상 변형(free form deformation)을 사용하였다. 그러나 이 기법은 근육의 특징 중에 하나인 부피 보존을 할 수 없기 때문에 부피 보존을 하기 위해 다소 정확성이 떨어지지만 근육모델에 적합한 부피 보존 방법을 제안하였다. 그리고 근육에 따라 피부를 변형시키기 위해서 여러 층(multi-layer)을 가지는 자유형상변형을 제안하였다. 피부를 상위 층에 위치 시키고 하위 층에 각 근육을 위치시켰다. 그리고 근육을 대표하는 각 격자점들을 피부의 격자점들과 연결시켰다. 이를 통해 피부에 연결될 각각의 근육들이 변형될 때 그에 맞게 각 피부의 격자점들을 이동함으로써 뼈의 움직임에 따라 근육을 변형시키고 이에 따라 피부를 변형시키는 구조적인 변형을 하였다.
이러한 변형을 통해 모션 캡쳐와 같은 장비를 통해 얻은 정보를 가지고 뼈를 움직임으로써 각 움직임마다 자연스러운 사람의 형상을 손쉽게 생성시킬 수 있을 것으로 기대한다.