Analyse, modélisation et simulation des mouvements humains
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| < Au centre de recherche de Rennes, un groupe de volontaires participe à une expérience. Posés sur la peau, des marqueurs enregistrent la démarche et le comportement d'un groupe de piétons. |
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Maître de conférences au laboratoire LPBEM (1) de l'Université de
Rennes 2, Franck Multon est actuellement chercheur, en délégation INRIA, au sein du projet Bunraku (2) de l'Irisa. Il a présenté ses travaux sur l'analyse la modélisation et la simulation du mouvement humain, à l'occasion de sa défense de HDR (3), en décembre 2006 (Voir la video). Dans de multiples champs d'application, les techniques informatiques sont utilisées pour animer des personnages à morphologie humaine. On les appelle des avatars ou des humanoïdes. En l'état de l'art, ces techniques ne produisent généralement pas de trajectoires assez réalistes. Mais les choses sont en train de changer. "Jusqu'à présent, la simulation informatique reposait sur la mesure d'angle des os. Le procédé s'avère difficile car on se retrouve avec énormément de possibilités de mouvements", explique Franck Multon. Avec 206 os, 650 muscles, des dizaines de rotations, des enchevêtrements de jointures, de tendons et de ligaments, le corps humain constitue une machine complexe animée par quantité de lois dont la gravité, la masse, les forces ou l'inertie. Ajoutons-y le facteur psychologique et l'on se retrouve avec une infinie quantité de démarches, allant du déhanchement de bucheron au dandinement de ballerine. Ce qui complique aimablement l'affaire, rendant la modélisation et la simulation d'un tel mécanisme plutôt... "difficiles". |
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Deuxième originalité : “la méthode est interactive. Beaucoup de chercheurs ont besoin de connaître tout le scénario d'animation à l'avance. Ce qui engendre un problème : l'animation ne prend pas en compte les événements imprévus comme, par exemple, le changement de trajectoire d'un objet qui doit être appréhendé par l'humanoïde. Dans notre système, nous n'avons pas besoin de cette connaissance par avance." Illustration spectaculaire de cette adaptation dynamique : une animation video met en scène des avatars dansant sur un sol qui se dérobe sous leurs pieds. le mouvement semble naturel, sans saccade et sans défaut. Jusqu'à présent une telle qualité n'était pas disponible dans les environnements interactifs car la plupart des animateurs de 3D devait fournir au personnage virtuel une taille spécifique, un poids et ainsi de suite. Conséquence : l'animation pouvait difficilement s'adapter à des avatars ayant des morphologies différentes. Au contraire, l'approche de Bunraku s'appuie sur une représentation du squelette indépendante de sa morphologie. Ce qui permet l'animation, sur un ordinateur du commerce, de centaines de personnages différents, du bûcheron à la ballerine, alors qu'en ce moment, la plupart des centres de recherche peuvent difficilement animer plus d'un avatar à la fois. |
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Une fois complètement opérationnels, ces systèmes virtuels laissent présager des applications à grande portée dans la vraie vie. Un des secteurs les plus prometteurs : la formation. “L'apprentissage par simulation est d'autant plus intéressant pour la formation de personnel que les tâches à apprendre sont complexes, explique Franck Multon. Supposons que l'on veuille enseigner à un mécanicien d'hélicoptère la façon d'effectuer de la maintenance sur le rotor on ne va s'amuser à immobiliser continuellment des appareils pour des leçons de mécanique. A ce niveau-là, la réalité virtuelle est tout simplement beaucoup moins onéreuse, même si elle ne remplace pas complètement cette manipulation.” L'économie peut s'avérer très conséquente dans l'automobile ou l'aéronautique, des secteurs qui doivent former des milliers d'opérateurs chaque année. Autre aspect : le prototype virtuel. "Par exemple, le concepteur d'un avion peut placer un avatar dans le siège du pilote pour tester l'ergonomie du cockpit” et récolter ainsi de précieuses données sur le confort, la position, la portée de main, la visibilité... Autant d'éléments qui aideront à optimiser l'accessibilité et la fonctionnalité des composants du dit cockpit. Les recherches combinées du LPBEM et de Bunraku ont débouché sur la création de MKM (Manageable
Kinematic Motions). Ce moteur d'animation temps-réel synchronise, mélange et adapte les mouvements automatiquement. Les chercheurs de Rennes
font désormais partie du projet “usine numérique” au sein de System@tic, un pôle de compétitivité (4) en région parisienne. “Les applications industrielles risquent d'être fantastiques. Pour l'instant, c'est un peu cauchemardesque. Assez souvent, si vous décider d'accélérer le tapis roulant d'une chaîne de montage avec laquelle opère un humain virtuel par exemple, vous avez toute l'animation à reprogrammer.”
| L'un des objectifs du projet "Usine Numérique" est de résoudre ce problème et définir une plateforme permettant de simuler efficacement la production industrielle. Pilotée par Dassault Systems, l'opération fait intervenir sa filiale Virtools dont le logiciel de création 3D est en passe de devenir l'outil standard pour la réalité virtuelle en industrie. “MKM est une brique logicielle qui se branche dans Virtools. On prend les contraintes en entrée et on livre les mouvements en sortie", explique Franck Multon. |
Bunraku possède un prototype opérationnel comportant des scènes de base. Le logiciel peut animer de grandes librairies de personnages. “Ensuite, nous allons tester des scénarios industriels. Pour l'instant, on peut amener l'avatar à percer, visser ou cliper une pièce détachée par exemple. Dans un deuxième temps, nous allons mettre l'apprenant en interaction avec un avatar. Par exemple porter à deux une grande plaque de tôle.” Dans un tel environnement interactif, point de pré-connaissance du scénario. Car la scène évolue au fil des interventions impromptues de l'utilisateur. “C'est notre champ de recherche pour la deuxième phase du projet "usine numérique", un appel d'offre auquel nous répondons actuellement.”
| <Les scientifiques de Bunraku durant une expérience visant à modéliser le comportement de foule dans un espace étroit et semi-confiné, comme une entrée de métro. |
Pour atteindre un tel niveau de performance, les simulateurs doivent intégrer le dernier cri en matière de capacités perceptives, cognitives et réactives. “C'est un défi... et un casse-tête, prévient Franck Multon. Le piège, c'est quand le stagiaire parvient à mener son opération dans le monde virtuel mais... pas dans le vrai." C'est la raison pour laquelle Bunraku s'efforce de placer l'utilisateur dans la boucle. “Un des problèmes rencontrés consistait à tester le réalisme de nos animations. Un corps humain comporte quelque 50 rotations, sans même parler des mains. Avec une animation qui s'étale dans le temps, cela génère des milliers de points. Pourtant, s'il y a une grossière erreur, un mouvement irréaliste visuellement choquant, le défaut ne représente que quelques points. Peut-être juste 50. L'oeil nu peut détecter le problème tout de suite. Mais l'ordinateur y parvient moins facilement.”
Comment alors détecter automatiquement l'erreur avec une pertinence comparable à celle de l'oeil humain ? “Dans une première approche, un panel a été invité à regarder nos animations et nous livrer ses impressions. Très bien... mais il y a beaucoup de subjectivité là-dedans.” A la question l'avatar est-il réaliste, “les gens répondent de façon très différente, en fonction, par exemple, du fait qu'ils s'adonnent, ou pas, à la pratique des jeux vidéo.” Les chercheurs voulaient éviter cet écueil de la subjectivité et améliorer leur protocole de validation.
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“C'est comme cela que nous est venu l'idée de faire vraiment interagir quelqu'un avec notre humain synthétique.” Une des expériences s'est centrée sur le duel entre deux joueurs de handball : un vrai gardien confronté à un buteur virtuel. Objectif : comparer les mouvements humains dans la réalité et dans l'expérience en virtuel. Le gardien se voit équipé de multiples marqueurs qui vont permettre de mesurer et modéliser la totalité de ses gestes. Les résultats montrent que “le gardien réagit à toutes les actions du buteur. Si vous augmentez légèrement la hauteur de la main qui lance ou si vous retardez subtilement le lancé de balle, alors l'être humain s'adapte. Il réagit ! Et ce faisant, il valide la qualité du réalisme de l'animation.” Un phénomène d'autant plus intéressant quand on apprend que "durant les panels, avant l'expérience en situation, le gardien avait regardé l'animation et l'avait trouvée... faiblement convaincante. Il nous avait mis une mauvaise note. Un 2/10.” Ensuite, il a pourtant réagi correctement et naturellement à l'animation. | Franck Multon pendant sa défense de HRD. Voir la video. |
Notes
(1) LPBEM : Laboratoire de physiologie et de biomécanique de l'exercice musculaire.
(2) AIssu du projet SIAMES et actuellement dirigé par Stéphane Donikian, le projet Bunraku mène des recherches dans les domaines de la réalité virtuelle et de l'humain virtuel. Objectif : permettre aux humains réels et virtuels d'interagir dans un même environnement virtuel partagé.
(3) Une HDR est une Habilitation à Diriger des Recherches. Il s'agit d'un diplôme national de l'enseignement supérieur français.
(4) La France a amorcé une stratégie industrielle centrée sur des domaines clés de compétitivité industrielle, en particulier l'innovation liée à la recherche et développement.
Clé du succès : la pluridisciplinarité “La grosse originalité dans tout cela, c'est la pluridisciplinarité, fait remarquer Franck Multon. Et ça, c'est nouveau. Jusqu'à présent, les biomécaniciens faisaient un peu de robotique. Les chercheurs en neurosciences s'aventuraient un peu dans l'informatique, etc... Mais au final, chaque discipline continuait de fonctionner plutôt en vase clos. J'ai eu la chance de pouvoir travailler avec le LPBEM sous la direction de Paul Delamarche qui avait une vision forte de cette pluridisciplinarité.” Ces recherches combinées impliquent des scientifiques de différents domaines : des roboticiens, mécaniciens, kinés... qui “travaillent vraiment ensemble. On définit un problème. On se pose la question de savoir quels sont les protocoles, comment les intégrer dans un modèle de simulation et comment valider les résultats. Si ces résultats sont négatifs, on recommence. Au final, cela constitue une méthode.” |
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