Low-Dimensional Control Representations for Muscle-Based Characters

 

Application to Overhead Throwing

Résumé :
L’utilisation de personnages virtuels dans le cadre de simulations basées sur les lois de la physique trouve maintenant des applications allant de la biomécanique à l’animation. L’un des éléments incontournables de cette performance est le contrôleur de mouvement, capable de transformer les actions souhaitées en mouvements synthétisés. La conceptualisation de ces contrôleurs a profondément évolué grâce à l'apport des connaissances en biomécanique qui a conduit à l'utilisation de modèles de personnages encore plus détaillés car s'inspirant de l’appareil squelettique et surtout musculaire de l’être humain (ou personnages à modèle musculaire). Contrôler les personnages virtuels implique un défi de taille : contrôler la redondance, ou le fait même qu’un nombre important de muscles ou d’actionneurs aient besoin d’être contrôlés simultanément pour exécuter la tâche de motricité demandée.

L’objectif de cette thèse est d’y répondre en s’inspirant du système de contrôle moteur humain permettant de gérer cette redondance. Une solution de contrôle, pour les personnages virtuels, est proposée d’après la théorie des synergies musculaires et appliquée à des mouvements de contrôle du lancer. Les synergies musculaires sont des représentations de contrôle à faible dimension et qui permettent aux muscles d’être contrôlés en groupe, réduisant ainsi de manière significative le nombre de variables.

Grâce à cette stratégie, cette thèse permet les contributions suivantes : en premier lieu, la validation de la théorie des synergies musculaires, utilisée ici pour étudier un nouveau mouvement et pour tenter de contrôler un personnage virtuel. Et elle contribue également à l'ensemble des domaines impliquant des simulations corporelles, ayant recours aux personnages à modèle musculaire (comme par exemple, la biomécanique ou l'animation) en leur proposant une solution de contrôle permettant de réduire la redondance.

Abstract:
The use of virtual characters in physics-based simulations has applications that range from biomechanics to animation. An essential component behind such applications is the character’s motion controller, which transforms desired tasks into synthesized motions. The way these controllers are designed is being profoundly transformed through the integration of knowledge from biomechanics, which motivates the idea of using more detailed character models, inspired by the human musculoskeletal system (or muscle-based characters). Controlling these characters implies solving an important challenge: control redundancy, or the fact that numerous muscles or actuators need to be coordinated simultaneously to achieve the desired motion task.
The goal of this thesis is to address this challenge by taking inspiration from how the human motor control system manages this redundancy. A control solution for virtual characters is proposed based on the theory of muscle synergies, and applied on the control of throwing motions. Muscle synergies are low-dimensional control representations that allow muscles to be controlled in groups, thus reducing significantly the number of control variables.
Through this solution this thesis has the following contributions: 1) A contribution to the validation of the muscle synergy theory by using it to study a new motion, and challenging it with the control of a virtual character, and 2) a contribution to the variety of domains involving physical simulation with muscle-based characters (e.g, biomechanics, animation) by proposing a control solution that reduces redundancy.