Travaux d'Etudes et de Re her he : Croquis

animés pour l'enseignement de l'anatomie

Doussot Quentin

12 mai 2011

Table des matières

1 Introdu tion 2

1.1 Contexte de travail . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.2 Travaux déjà e�e tués autour de e sujet . . . . . . . . . . . . . . 2

2 A propos des représentations du mouvement 3

2.1 Quelques ritères pour juger la représentation d'un mouvement . 3

2.2 Comment représenter le mouvement de manière intuitive ? . . . . 5

2.2.1 Te hniques générales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

2.2.2 Te hniques utilisées dans le monde de la bande dessinée. . 6

2.2.3 Te hniques utilisées dans les s ien es . . . . . . . . . . . . 7

2.3 Les limites et problèmes ren ontrés . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2.3.1 La ontrainte de non re ouvrement . . . . . . . . . . . . . 7

2.3.2 Le plan de vue . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.3.3 Les ompositions de mouvements . . . . . . . . . . . . . . 10

2.3.4 Les objets arti ulés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

2.3.5 Les ontraintes temporelles . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.3.6 Les mouvements internes ou déformations . . . . . . . . . 12

2.4 Un prototype . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

3 Con lusion 13

3.1 Résumé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

3.2 Bilan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

3.3 Perspe tives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

3.4 Remer iements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

1

1 Introdu tion

1.1 Contexte de travail

Mon TER a eu lieu au sein de l'équipe EVASION, équipe ommune au

Laboratoire Jean Kuntzmann et à l'INRIA. Je suis allé travailler dans les lo aux

de l'INRIA-MontBonnot. Les enseignants her heurs qui m'ont en adrés dans

e travail sont

� Marie-Paule Cani

Professeur à Grenoble INP. A reçu le prix "Outstanding Te hni al Contri-

butions Award" dé erné par Eurographi s ette année.

� Olivier Palombi

Assistant hospitalo-universitaire en Neuro hirurgie et enseignant d'Anato-

mie à l'UJF lors de sa thèse. Thèse pluridis iplinaire santé / informatique

graphique

� Rémi Ronfard

Ingénieur des mines. Chargé de Re her he en mars 2009, pour y développer

un nouveau programme de re her he dédié aux appli ations de la vision

par ordinateur et de l'apprentissage statistique (ma hine learning) aux

domaines du inéma et du théâtre.

J'ai parti ipé à quelques réunions d'équipes et j'ai don pu dé ouvrir la vie

en équipe au sein d'un laboratoire. Comme j'ai assisté à un hangement

d'équipe, j'ai parti ipé à une réunion pendant laquelle haque personne

présentait son travail et je onnait plus ou moins le travail ourant des

personnes de l'équipes.

1.2 Travaux déjà e�e tués autour de e sujet

James Cutting a présenté dans l'arti le [1℄ une analyse des di�érents moyens

utilisés pour représenter le mouvement dans di�érents domaine. Il ite : l'équi-

libre dynamique, les images strobos opiques, le �ou photographique et les lignes

de mouvements. Je pré iserai plus tard es di�érentes te hniques.

Dans l'arti le [5℄ Motion Doodles, il est question de dessiner un humanoïde, puis

de lui faire exé uter ertains mouvement du plus simple omme la mar he au

plus omplexe omme le "moonwalk" ou ertains sauts de danse a robatique.

Les points intéressants de et arti le sont les te hniques utilisées pour s hémati-

ser l'objet, pour shématiser le mouvement, puis pour le segmenter et l'analyser

a�n de le re onnaitre et de le générer.

Deux autres arti les sont en rapport ave mon travail au point près qu'ils s'in-

téressent un peu près à l'opposé : générer une image à partir d'un mouvement

ou d'une vidéo :

� L'arti le [2℄ présente l'idée de onstruire un storyboard qui orrespondrai

à e qui se passe dans une vidéo. Cela permet de résumer rapidement une

s ène en onservant tout de même ertains détails. On y explique don

ertaines te hniques de storyboarding pour représenter les mouvements

2

d'objets et de améra.

� De manière similaire, dans l'arti le [4℄, on veut représenter le mouvement

non pas d'une s ène mais dans une animation 3d. Les auteurs montrent

omment il faut modi�er l'image pour pouvoir faire omprendre un mou-

vement déjà onnu. Cette arti le donne don des pistes quant à e qui est

né essaire pour dé rire su�samment pré isement un mouvement.

D'autres re her hes ont déjà été faites sur la génération de modèles 3D à partir

de roquis en 2D, si la génération du mouvement doit être faite en 3D à par-

tir d'un roquis en 2D, on peut y trouver des informations intéressantes. Dans

l'arti le [3℄ on montre omment générer un modèle 3D de système vas ulaire à

partir d'un roquis en 2D et de onnaissan e à priori sur les systèmes vas ulaires.

Ce TER s'intéresse aux roquis de l'enseignement de l'anatomie, il était

don important de onnaitre quelques mouvements lassique vu en anatomie et

de savoir omment les anatomistes les représentaient et les expliquaient. Dans

un "Pré is d'anatomie linique", j'ai don pu remarquer que les anatomistes

s'intéressaient davantages aux mouvement potentiels des objets, don de la a-

pa ité des objets à se mouvoir en tenant ompte de ertaines ontraintes omme

sur la �gure 1 . J'ai aussi pu onstater qu'ils indiquaient les rapports entre les

di�érents a teurs du mouvement, par exemple sur la �gure 2 le mus le est le

moteur qui va faire bouger un membre.

2 A propos des représentations du mouvement

2.1 Quelques ritères pour juger la représentation d'un

mouvement

Comme vous l'aurez ompris, les besoin de représenter le mouvement, sou-

vent par un simple dessin, existent dans beau oup de domaines di�érents omme

l'art et les s ien es par exemple. Beau oup de travail a don déjà été fait (sans

pour autant que e fut for ément l'obje tif). On peut s'inspirer de nombreuses

sour es : les bandes dessinées, le storyboard, les s hémas de montage, les s hé-

mas de pliage d'origami ou en ore les s hémas d'anatomie. Comme plusieurs

te hniques existent, il est intéressant de les omparer et de les juger.

Dans [1℄, l'auteur évoque plusieurs ritère pour juger un mouvement :

� L'intuitivité de la représentation :

Est-il intuitif de omprendre le mouvement ?

� La lareté de l'objet :

Est- e que l'objet est dégradé (par un �ou par exemple) ?

Est e que l'on peut bien omprendre à quel objet le mouvement s'ap-

plique ?

� La dire tion du mouvement, de la traje toire

Est e que l'on omprend bien quel traje toire l'objet emprunte ?

3

Figure 1 � Les anatomistes dé rivent les apa ités des objets à se mouvoir plus

que le mouvement lui même.

Figure 2 � On utilise des �è hes pleines pour le mus le et des �è hes vide pour

le reste

4

Figure 3 � On omprend parfaitement que Dingo(personnage réé par Walt

Disney) est en train de ourir

� L'intensité du mouvement

Peut on estimer si le mouvement est rapide, trés rapide ou lent ?

2.2 Comment représenter le mouvement de manière in-

tuitive ?

Parmis les solutions que j'ai pu voir à travers mes di�érentes le tures et

mes di�érentes re her hes, notamment les bandes-dessinées, j'ai retenu quelques

solutions intéressantes.

2.2.1 Te hniques générales

� L'équilibre dynamique

C'est le fait que l'objet représenté ne peut se retrouver dans ette posture

uniquement(ou presque) si il fait un ertain mouvement, par exemple un

homme qui ourt (�gure 3) a une posture parti ulière et il y a très peu de

han e qu'il adopte ette posture si il ne ourt pas.

� Les images strobos opiques

C'est omme si l'on dis rétisait le temps et qu'on prenait l'empla ement

de l'objet juste à ertains moments (voir �gure 4). Une te hnique bien

onnue pour générer un mouvement est de le dé rire par des images lés

(keyframes) et de le générer par interpolation.

� Image a ompagnée des "lignes de mouvement"

Cette idée mime l'e�et de la persistan e rétinienne pour donner l'impres-

sion de mouvement (�gure 5). D'ailleurs à l'inverse de mon travail, ertains

5

Figure 4 � Images strobos opiques d'une balle qui rebondit

Figure 5 � Utilisation de lignes de vitesse pour dé rire le mouvement

(voir arti le [4℄) l'utilisent parfaitement pour faire un résumé de mouve-

ment en une image.

� Flou

Lorsque l'on photographie un objet en mouvement, on obtient un �ou sur

ette objet si le temps d'exposition est su�sament long par rapport à la

vitesse du mouvement. I i 'est la même idée.

2.2.2 Te hniques utilisées dans le monde de la bande dessinée.

� La virgule

C'est une te hnique largement utilisée dans le monde de la bande dessiné

(dans Astérix et Obélix par exemple voir �gure 6) qui onsiste à dessiner

une partie de l'an ien ontour d'un objet.

6

Figure 6 � Le dessinateur a pla é des virgules derrière les pieds, les fesses, le

oude et le asque d'Obélix pour dé rire le mouvement

� L'empreinte

De manière très similaire aux images strobos opiques, les dessinateurs

redessine plusieurs instan e d'un même objet (�gure 7). Contrairement

aux images strobos opiques, les dessinateurs ne redessinent pas les détails

de ette image et évite le re ouvrement des deux images. Ce i surement

pour des raisons d'e� a ité en terme de temps et d'esthétisme.

� La trainée

Cela ressemble beau oup aux lignes de mouvements (�gure 8).

2.2.3 Te hniques utilisées dans les s ien es

� Les ve teurs

Dé rit le mouvement de manière pré ise à un moment pré is.

� Les autres formes de �è hes

Si elles sont des parties de er le, elles dé rivent souvent une rotation

autour d'un point. Sinon elles peuvent permettre de dé rire le sens du

mouvement et on peut donner du sens à leurs largeurs ou leurs opa itées.

2.3 Les limites et problèmes ren ontrés

2.3.1 La ontrainte de non re ouvrement

Un des points importants si l'on veut pouvoir permettre un dessin orre te

d'une représentation, et une interprétation possible de ette représentation est de

respe ter la ontrainte de non-re ouvrement. Alors, parfois, lorsque les mouve-

ments de plusieurs objets, par exemples les sous arti ulations d'un même objets,

7

Figure 7 � Les empreintes donne le même e�et que l'utilisation d'images stro-

bos opiques

Figure 8 � A la vue de la taille de la trainée laissé par le romain, on peut juger

de la violen e du oup reçu

8

Figure 9 � Même si il ne s'agit pas d'un mouvement, on ne peut pas voir

toutes les pié es importantes en même temps i i et don di�érentes vues nous

sont données.

peuvent être omplexes et sembler s'emmêler, on peut se demander omment

faire. C'est un point que les dessinateurs de bande dessinées, de storyboard et

de s héma de montage ont résolut il y a longtemps : on dé oupe la représenta-

tion du mouvement. Cette dé oupe peut être dans l'espa e, par exemple ave

une de devant et une vue de derrière pour expliquer le mouvement syn hroni-

ser entre deux piè es qui se a herait, 'est souvent le as dans les s hémas de

montage. Cette dé oupe peut aussi être dans le temps, si des objets se passent

devant plusieurs fois, ela est plus esthétique d'éviter trop de re ouvrements de

leurs traje toires, et on peut don dé rire e mouvement sur plusieurs vignette,

omme le font les dessinateur de bande dessinées et de storyboard.

2.3.2 Le plan de vue

En général on hoisit naturellement un plan de vue qui va nous permettre

de visualiser au mieux le mouvement, 'est à dire un plan de vue dans lequel le

mouvement évolue prin ipalement. Cependant il peut arriver qu'il reste toujours

un objet qui évoluera perpendi ulèrement au plan de vue. Ce problème peut être

résolu omme le pré édent, 'est à dire en dessinant la s ène sous plusieurs points

de vue di�érents omme sur le s héma �gure 9.

9

Figure 10 � Utilisation de lignes de mouvement simpli�ée pour dé rire un

mouvement de rotation et de translation

2.3.3 Les ompositions de mouvements

L'un des mouvements les plus fa ile à représenter est la simple translation,

bien que la rotation soit un peu plus di� ile à représenter, il reste possible de

la représenter par une �ê hes qui tourne autour. Par ontre pour représenter un

mouvement d'objet en translation et en rotation, ela est plus déli at. On peut

évidement "additioner" les deux notations mais on a du mal à savoir quand

ommen e l'un par rapport à l'autre et omment leurs intensitées sont ordon-

nées : est e que l'objet tourne beau oup plus vite qu'il avan e ou est e que

'est l'inverse ?

Une solution peu onsister à dessiner une ligne de mouvement grossière (voir

�gure 10) et d'en déduire la vitesse de rotation par rapport à la vitesse de dé-

pla ement de l'objet en omptant le nombre de bou le par unité de distan e

urviligne.

2.3.4 Les objets arti ulés

Dans ertains as, on sera ontraint de dé rire ha une des rotations d'un ob-

jet arti ulé. Dans le as d'autres objets arti ulés, si la résultant du mouvement

prin ipale est simple, prenont l'exemple du monte harge (ou d'une table éléva-

tri e �gure 11 , il est domage de demander à l'utilisateur de dé rire ha une des

rotations des bras arti ulés. Premièrement par e qu'il y a peu de han es qu'il

dé rive les rotations qui feront exé uter le bon mouvement, et deuxièmement

par e que ela peut vite devenir désagréable.

Aussi, si l'on a un bras arti ulé, et que l'on veut dépla er l'extrémité à un

endroit, il peut être pratique pour l'utilisateur de juste dé rire le mouvement de

l'extrémité. On peut ensuite générer le mouvement par inématique inverse mais

rien ne nous dit que le mouvement générer soit intuitif. Il faudra don ajouter

des onnaissan es à priori (par exemple d'anatomie) pour rendre le mouvement

naturel.

10

Figure 11 � Cette ma hine possède beau oup d'arti ulations mais le mouve-

ment de la table est très simple

Une autre solution onsiste à augmenter le vo abulaire des annotations pour

qu'il orresponde à un mouvement omplexe mais lassique. C'est e qui a été

montré dans l'arti le Motion Doodles [5℄, l'utilisateur peut ainsi faire faire le

fameux 'moow walk' à son personnage.

2.3.5 Les ontraintes temporelles

Les mouvements de plusieurs objets peuvent être en hevêtrées de manière

omplexe dans le temps. Prenons ette s ène : un objet A ommen e à bouger

avant un objet B, l'objet B ommen e à bouger ave que l'objet A ne s'arrête et

l'objet C ommen e à bouger quand l'objet A s'arrête. Représenter ette s ène

en une seule image est vraiment di� ile et la solution la plus simple est de dé-

ouper notre s ène en plusieurs mor eaux, haque mor eaux est représenté sur

un vignette et on peut alors générer le mouvement �nal par " ontinuité entre

les vignettes".

D'autres ontraintes temporelles peuvent exister : on veut par exemple que deux

objets viennent se per uter. Il peut être vraiment désagréable de devoir ajuster

les vitesses et longueurs des mouvements de ha un pour arriver au résultat

voulu. On peut alors utiliser un autre 'mot de vo abulaire', une autre notation,

empreinté par exemple aux dessinateurs de bande dessinées pour indiquer la

ollision omme sur la �gure 12.

Le logi iel doit alors ensuite s'arranger pour faire débuter les mouvements aux

bons moments, a élerer légèrement l'un des deux ou dans tous les as, modi-

�er raisonnablement les paramètres pour faire oïn ider dans l'espa e-temps de

manière à e qu'ils se tou hent. Il faut faire attention, ar on peut dessiner des

s ènes impossibles, le tout est de savoir si la s ène est possible en modi�ant

légèrement les paramètres.

11

Figure 12 � Le dessin de e splash indique lairement la ollision entre les deux

objets

Figure 13 � On peut tenter de dé rire un gon�ement ave des �è hes

2.3.6 Les mouvements internes ou déformations

On trouve peu de te hniques pour exprimer le fait qu'un objet grossise. Une

te hnique employé est de hanger la taille des empreinte ar elles orrespondent

à une image de l'objet. On peut don faire grossir ou rétré ir l'objet en utilisant

une su ession d'empreintes de di�érentes tailles. Lorsque l'objet n'est pas en

mouvement, on a un des problèmes de re ouvrement qui peuvent apparaître et

on ne sait pas for ément dans quel sens va la déformation. On peut dessiner ave

di�érentes opa itées pour haque empreintes a�n d'exprimer leur antérioritées

(une empreinte transparente semble plus an ienne qu'une empreinte opaque).

On peut aussi illustrer un gon�ement ou un dégon�ement par des �è hes omme

sur la �gure 13. En tout as l'illustration de tels déformation reste di� ile.

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Figure 14 � Un prototype pourrait interpréter e shéma de mouvement et

générer une animation

2.4 Un prototype

On hoisis d'abord notre vo abulaire. On va se limiter aux te hniques utili-

sées dans la bande dessinée en plus du dessin de simples �è hes : ar e sont les

plus simples à dessiner à travers une interfa e.

Traje toire Vitesse Rotation Vitesse de rotation Taille

Trainée Oui Oui Non Non Non

Virgule Non Oui Oui Oui Oui

Empreinte Moyen Non Oui Non Non

Flè he Non Non Oui Oui Non

L'utilisateur pourrai don dessiner des lignes, des virgules et des �è hes. Il

pourrai aussi harger des images qui orrespondront à des objets. Il ollera ses

images d'objets dans la s ène en tant qu'empreinte : il pourra hoisir l'angle et

la taille. On se limitera aussi à l'étude d'une seule vignette. Sur la �gure 14 on

peut voir le genre de dessin que l'interfa e serai apable d'interpréter.

3 Con lusion

3.1 Résumé

Même si la modélisation par roquis a déjà été élaboré pour le modélisation

de forme 3D, il y a peu de travaux qui ont été e�e tués pour la modélisation de

mouvement par roquis. Il y a don beau oup de travail, beau oup de hoix à

faire et beau oup de problèmes à résoudre. La ompréhension d'un mouvement

représenté par une image peut déjà être di� ile pour un humain, on risque de se

onfronter à de nombreuses di� ultés pour des implémentations plus poussées.

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3.2 Bilan

On a pu voir à quel point e sujet est pluridis iplinaire puisqu'il va de la psy-

hologie pour l'étude de la représentation du mouvement, à la robotique pour

l'étude des bras arti ulés en passant évidement par l'anatomie. Cela en fait don

un sujet très intéressant et 'est en plus un sujet qui a bien sa pla e dans un

monde ou la réation d'univers virtuelles deviens de plus en plus important.

C'est un sujet qui m'a beau oup intéressé et j'ai passé du temps à imaginer la

on eption d'un prototype ave d'autres membres de l'équipe. J'ai peut être un

peu dévié du sujet en ne me restreignant pas su�sament à quelques mouve-

ments lassiques d'anatomies mais e fut vraiment intéressant de partager des

problèmes et des solutions ave d'autres membres de l'équipe.

J'ai e�e tué e TER ar je suis intéressé par la re her he et je voulais savoir

quel était l'environnement de travail dans lequel je pourrais évoluer. J'ai don

été satisfait par la adre agréable du laboratoire et ela m'a motivé à ontinuer

dans ette voie.

3.3 Perspe tives

C'est ave plaisir que je ontinuerais e sujet pendant mon PFE et j'imagine

que ertaines industries peuvent être intéressées par e genre de logi iel. De plus

l'INRIA possède déjà des logi iels de modélisation (Matisse) et de simulation

(SOFA) puissants dans lesquels on pourrait intégrer une ou he qui permettrait

de dé rire le mouvement et de le générer e qui pourrait être vraiment on luant.

3.4 Remer iements

Je remer ie d'abord Floren e Maranin hi pour s'être hargé de l'organisation

des TER. Je remer ie également mes en adrants et l'équipe Evasion qui m'ont

a ueilli gentillement et aidé tout au long de e travail.

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Référen es

[1℄ J.E. Cutting. Representing motion in a stati image : onstraints and

parallels in art, s ien e, and popular ulture. PERCEPTION-LONDON-,

31(10) :1165�1194, 2002.

[2℄ D.B. Goldman, B. Curless, D. Salesin, and S.M. Seitz. S hemati storyboar-

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(TOG), 25(3) :862�871, 2006.

[3℄ A. Pihuit, M.P. Cani, and O. Palombi. Sket h-based modeling of vas ular

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[4℄ J. S hmid, R.W. Sumner, H. Bowles, and M. Gross. Programmable motion

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[5℄ M. Thorne, D. Burke, and M. van de Panne. Motion doodles : an interfa e

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