dc.contributor.advisor | Arıtan, Serdar | |
dc.contributor.author | Kavafoğlu, Ersan | |
dc.date.accessioned | 2023-12-06T12:12:15Z | |
dc.date.issued | 2018 | |
dc.date.submitted | 2018 | |
dc.identifier.uri | https://hdl.handle.net/11655/34209 | |
dc.description.abstract | Realistic character animations can be obtained using motion capture techniques. However,
these captured motions can be recorded only for predetermined scenarios. A virtual character
can have infinite variety of physical interactions with the virtual world, and it is not possible
to anticipate all these interactions and record appropriate motions. But in real life when
people interact with the surrounding environment, their motions are generated as a result of
physics laws. In physics based animation studies, it is aimed that the reaction movements
of the characters in the virtual environment occur in a natural way according to the laws of
physics.
In order to generate movements naturally, a simplified physical model needs to be controlled
only by applying joint torques. These joint torques are calculated by benefiting from studies
in fields such as robotics, biomechanics and physics. In order to be used in real-time ap plications, these calculations should be performed with very low processing costs, even for
multi-body systems with very high degrees of freedom.
In the literature, studies on physics-based animation can be grouped under two main titles:
local controllers and equations of motion based controllers. The most commonly used local
controller is the Proportional Derivative controller because of its simplicity of integration
and problem modeling. One of the main drawbacks of local controllers is the need to tune
gain parameters for each movement and character manually. Moreover they are not quite
stable at the speeds required for real-time applications.
In equations of motion based methods, modeling the problem and integration are more com plex. However, these methods generate better results which are more stable than the results
of local methods. Inverse dynamics constitutes the core component of equations of motion
based methods. In physics based animation, Newton-Euler and Euler-Lagrange methods are
used for inverse dynamics calculations. While Newton-Euler method is used to calculate the
torques iteratively, Euler-Lagrange method is often used to obtain the analytical equations of
motion needed for optimization problems.
In this thesis, we obtained generalized equations of motion for multi-body systems in 3D
space, whose orientations are represented by quaternions and consisting of rotational joints
with 3 degrees of freedom, by using Kane’s method. During this study, we have observed that
for complex multibody systems, it is not feasible to calculate the inverse dynamics solution
analytically neither by hand nor by using symbolic programming from these equations of
motions. In order to be usable in real-time applications, we derived a recursive inverse
dynamics algorithm from these equations. This algorithm is equivalent to recursive Newton Euler algorithms, which are often used in physics based animation applications. Unlike other
studies, since we obtain this algorithm from an analytical equation, we have introduced an
integrated approach that can be used for both motion planning and motion generation as
well as for inverse dynamics. We tested the results of our method in different scenarios and
observed that for all scenarios our method produces stable results even at large timesteps.
We also compared our method with some of the widely used methods in the literature. | tr_TR |
dc.language.iso | tur | tr_TR |
dc.publisher | Bilişim Enstitüsü | tr_TR |
dc.rights | info:eu-repo/semantics/openAccess | tr_TR |
dc.subject | Hareket kontrolü | tr_TR |
dc.subject | Fizik tabanlı animasyon | tr_TR |
dc.subject | Veri güdümlü animasyon | tr_TR |
dc.subject | Hareket denklemleri | tr_TR |
dc.subject | Ters dinamikler | tr_TR |
dc.title | Verimli Bir Ters Dinamik Yöntemi ile Gerçek Zamanlı Fiziksel Hareket Kontrolü | tr_TR |
dc.type | info:eu-repo/semantics/masterThesis | tr_TR |
dc.description.ozet | Günümüzde hareket yakalama teknikleri kullanılarak oldukça gerçekçi karakter animasy onları elde edilebilmektedir. Fakat yakalanan bu hareketler yalnızca önceden belirlenmi¸s
senaryolar için kaydedilebilmektedir. Sanal bir karakter, içinde bulundugu sanal dünya ˘
ile sonsuz çe¸sitlilikte fiziksel etkile¸sime girebilir ve tüm bu etkile¸simlerin önceden tah min edilip, uygun hareketlerin kaydedilmesi mümkün degildir. Gerçek hayatta ise insan- ˘
lar içinde bulundukları ortamla etkile¸sime girdiklerinde, hareketleri fizik kanunlarının bir
sonucu olarak olu¸smaktadır. Fizik tabanlı animasyon çalı¸smalarında, sanal ortamlardaki
karakterlerin tepki hareketlerinin de tıpkı gerçek hayattaki gibi fizik kanunlarına göre dogal ˘
bir biçimde olu¸sması hedeflenmektedir.
Animasyon uygulamalarında dogal hareketlerin elde edilebilmesi için, basitle¸stirilmi¸s bir ˘
fiziksel modelin, yalnızca eklem torkları uygulanarak hareket ettirilmesi gerekmektedir. Bu
eklem torklarının hesaplanabilmesi için robotik, biyomekanik ve fizik gibi alanlarda yapılan
çalı¸smalardan faydalanılmaktadır. Gerçek zamanlı uygulamalarda kullanılabilmesi için bu
hesaplamaların çok yüksek serbestlik derecesine sahip çoklu vücut sistemleri için bile çok
dü¸sük i¸slem maliyeti ile gerçekle¸stirilebilmesi gerekmektedir.
Literatürde, fizik tabanlı animasyon alanında yapılan çalı¸smalardaki kontrolcüler, lokal ve
hareket denklemi tabanlı olmak üzere iki ana ba¸slık altında toplanabilir. Lokal kontrolcüler den en yaygın kullanılanı, entegrasyon ve problemi modelleme basitligi sebebiyle tercih ˘
edilen Oransal Türev (Proportional Derivative) kontolcüdür. Lokal kontrolcüler genellikle
her harekete ve karaktere göre el ile ayarlanması gereken parametreler içerirler ve gerçek
zamanlı uygulamalarda kullanılabilecek hızlarda tutarlı degildirler. ˘
Hareket denklemi tabanlı yöntemlerde ise problemi modellemek ve entegrasyon çok daha
karma¸sıktır. Ancak hareket denklemi tabanlı yöntemler lokal yöntemlerden çok daha kaliteli
ve tutarlı sonuçlar verir. Hareket tabanlı yöntemlerin temel bile¸seni ters dinamik yöntem leridir. Fizik tabanlı animasyon alanında bugüne kadar ters dinamik için Newton-Euler ve
Euler-Lagrange yöntemleri kullanılmı¸stır. Newton-Euler yöntemi daha çok iteratif olarak
torkların hesaplanması için kullanılırken, Euler-Lagrange yöntemi ise genellikle optimiza syon problemlerinde ihtiyaç duyulan analitik hareket denklemlerinin elde edilmesi için kul lanılmı¸stır.
Biz bu tez çalı¸smasında Kane yöntemini kullanarak 3 boyutlu uzayda, oryantasyonu quater nionlar ile belirtilen, 3 serbestlik derecesine sahip dönel eklemlerden olu¸san çoklu vücut
sistemleri için genelle¸smi¸s hareket denklemleri elde ettik. Bu hareket denklemlerini kul lanarak, karma¸sık çoklu vücut sistemleri için ters dinamik çözümünün, elle veya sembolik
programlama yardımıyla analitik olarak hesaplanabilmesinin uygulanabilir olmadıgını gö- ˘
zlemledik. Gerçek zamanlı uygulamalarda kullanılabilir olması için bu denklemlerden yola
çıkarak, fiziksel animasyon uygulamalarında sıkça kullanılan özyineli Newton-Euler algo ritmasına e¸sdeger özyineli bir ters dinamik algoritmasına ula¸stık. Di ˘ ger çalı¸smalardan farklı ˘
olarak, bu algortimaya analitik denklemlerden ula¸stıgımız için, hem hareket planlama ve ˘
hareket olu¸sturma hem de ters dinamik için kullanılabilecek bütünle¸sik bir yakla¸sım ortaya
koymu¸s olduk. Yöntemimizn sonuçlarını degi¸sik senaryolarda test ettik ve tüm senaryolar ˘
için yöntemimizin yüksek zaman adımlarında bile tutarlı sonuçlar ürettigini gözlemledik. ˘
Aynı zamanda yöntemimizi literatürde sıkça kullanılan diger yöntemlerle de kar¸sıla¸stırdık | tr_TR |
dc.contributor.department | Bilgisayar Grafiği | tr_TR |
dc.embargo.terms | Acik erisim | tr_TR |
dc.embargo.lift | 2023-12-06T12:12:15Z | |
dc.funding | Yok | tr_TR |