A method of artifact compensation for dual quaternion skinning and its application in digital twin models

A METHOD OF ARTIFACT COMPENSATION FOR DUAL QUATERNION SKINNING AND ITS APPLICATION IN DIGITAL TWIN MODELS

МЕТОД КОМПЕНСАЦІЇ АРТЕФАКТІВ DUAL QUATERNION SKINNING ТА ЙОГО ЗАСТОСУВАННЯ ДО МОДЕЛЕЙ ЦИФРОВИХ ДВІЙНИКІВ

Сторінки: 12-19. Номер: №1, 2020 (281)
Автори:
YEVGENIYA SULEMA, CONSTANTINE RUDENKO
National Technical University of Ukraine “Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute”
Є. С. СУЛЕМА, К. П. РУДЕНКО
Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського”
DOI: https://www.doi.org/10.31891/2307-5732-2020-281-1-12-19
Рецензія/Peer review : 14. 01.2020 р.
Надрукована/Printed : 14.02.2020 р.

Анотація мовою оригіналу

This paper is devoted to the task of realistic 3D model visualization. It presents a method which allows to avoid undesired deformations of 3D model. The proposed method allows to significantly reduce the bulging joint artifact which appears as a result of dual quaternion skinning. Dual quaternion skinning is a real-time skeletal animation technique, developed as an alternative to linear skinning. Unlike linear skinning, dual quaternion skinning does not suffer from loss of volume during deformations, but introduces a new type of artifact, namely, joints bulging outward during bending. The paper proposes a method of approximating the undesired deformation. The proposed method only takes into account the bulging, introduced by blending the poses of the first two bones (in order of decreasing weights) affecting the given vertex, and is designed to prevent discontinuities, which can arise from such approach, by smoothly decreasing the amount of bulging compensation around problematic zones, while improving the animation in areas, where bulging artifact is most noticeable. The developed method can be used for 3D model creation and visualization in digital twin technology. The paper presents an architecture of digital twin technology for medical information systems.
Keywords: skeletal animation, skinning, dual quaternions, digital twins

Розширена анотація українською мовою

В статті вирішується проблема реалістичної візуалізації 3D моделей. Запропоновано метод, який дозволяє уникати небажаних деформацій 3D моделей, що виникають при застосуванні процедури Dual Quaternion Skinning. Процедура Dual Quaternion Skinning дозволяє перетворення у реальному часі скелету тривимірної моделі на реалістичну модель, зовнішній вигляд якої забезпечується полігональною сіткою, проте вона вносить небажані артефакти, такі як “роздування” суглоба моделі при згинанні. В даній статті пропонується метод апроксимації цього дефекту, що дозволяє значно зменшити небажану деформацію. Запропонований метод враховує дефект, спричинений інтерполяцією поз перших двох кісток (в порядку спадання коефіцієнтів ваги), що впливають на суглоб моделі, та запобігає створенню розривів шляхом плавного зменшення інтенсивності компенсації дефекту навколо проблемних зон, при цьому покращуючи якість анімації в зонах, де дефект найбільш помітний. Розроблений метод може бути застосований при створені та візуалізації моделей у технології цифрових двійників. В статті пропонується архітектура технології цифрових двійників для медичних інформаційних систем.
Ключові слова: скелетна анімація, скінінг, дуальні кватерніони, цифрові двійники.

References

1. Kim Y, Han J. Bulging‐free dual quaternion skinning, in Computer Animation and Virtual Worlds, 2014, Vol. 25 (No 3-4), pp. 323–331.
2. Binh Huy Le, Jessica K. Hodgins. Real-time skeletal skinning with optimized centers of rotation, in ACM Transactions on Graphics, 2016, Vol. 35(4), pp. 1–10.
3. Kavan L., Collins S., Žára J., O’Sullivan C. Geometric skinning with approximate dual quaternion blending, in ACM Transactions on Graphics, 2008, Vol. 27(4), pp. 1–23.
4. Kavan L., Collins S., Žára J., O’Sullivan C. Skinning with dual quaternions, in proceedings of the symposium on Interactive 3D graphics and games, 2007, pp. 39–46.
5. Kavan L., Collins S., O’Sullivan C., Zara J. Dual quaternions for rigid transformation blending, in Tech. Rep. TCD-CS-2006–46Trinity, College Dublin, 2006.
6. Wang X. C., Phillips C. Multi-weight enveloping: least-squares approximation techniques for skin animation, in proceedings of the ACM SIGGRAPH / Eurographics symposium on Computer animation, 2002, pp. 129–138.
7. Merry B., Marais P., Gain J. Animation space: A truly linear framework for character animation, in ACM Transactions on Graphics, 2006, Vol. 25(4), pp. 1400–1423.
8. Lee G. S., Lin A., Schiller M., Peters S., Mc Laughlin M., Hanner F., Studios WD. Enhanced dual quaternion skinning for production use, in SIGGRAPH Talks, 2013, pp. 1–9.
9. Kenwright B. A beginners guide to dual-quaternions, in Winter School of Computer Graphics 2012,
   2.
10. Aidan Fuller, Zhong Fan, Charles Day, Digital Twin: Enabling Technology, Challenges and Open Research, in Computers and Society, 2016, arXiv: 1911.01276.
11. Michael Grieves, John Vickers. Digital Twin: Mitigating Unpredictable, Undesirable Emergent Behavior in Complex Systems, in book Transdisciplinary Perspectives on Complex Systems, Springer, 2017, pp. 85–113.
12. Elisa Negria, Luca Fumagalli, Marco Macchi. A review of the roles of Digital Twin in CPS-based production systems, in Procedia Manufacturing, Vol. 11, 2017, pp. 939–948.
13. Digital twin for personalized therapies, Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology, 2019.
14. Ivan Dychka, Yevgeniya Sulema, Iurii Bukhtiiarov. Digital Twin Information Technology for Biomedical Data Complex Representation and Processing. Visnyk of Kherson National Technical University, Vol. 3(70), 2019, pp. 112–119.