An Accelerated IK Solver for Deformation of 3D Models with Triangular Meshes

삼각형 메쉬로 이루어진 3D 모델의 변형을 위한 IK 계산 가속화

The purpose of our research is to efficiently deform a 3D models which is composed of a triangular mesh and a skeleton. We designed a novel inverse kinematics (IK) solver that calculates the updated positions of mesh vertices with fewer computing operations. Through our user interface, one or more markers are selected on the surface of the model and their target positions are set, then the system updates the positions of surface vertices to construct a deformed model. The IK solving process for updating vertex positions includes many computations for obtaining transformations of the markers, their affecting joints, and their parent joints. Many of these computations are often redundant. We precompute those redundant terms in advance so that the 3-nested loop computation structure was improved to a 2-nested loop structure, and thus the computation time for a deformation is greatly reduced. This novel IK solver can be adopted for efficient performance in various research fields, such as handling 3D models implemented by LBS method, or object tracking without any markers.

본 연구는 골격이 있고 삼각형 메쉬로 이루어진 3D 모델의 변형을 빠른 연산 속도로 구현하는 것을 목표로 한다. 이를 위해 삼각형 메쉬 정점의 위치를 빠른 속도로 계산할 수 있는 IK 풀이 방법을 연구하고 해당 인터페이스를 개발하였다. 모델 표면상에 한 개 이상의 마커를 지정하고 마커의 목표 위치를 설정하면, 이 시스템은 마커의 목표 위치를 기준으로 가속화된 IK 풀이를 통해 모델 표면을 구성하는 삼각형 메쉬 정점의 위치를 계산한다. 메쉬의 위치를 결정하는 데에는 각 마커와 해당 마커에 영향을 미치는 관절, 그리고 해당 관절의 상위(부모) 관절에 대하여 계산을 수행하는데, 이 과정에서 빈번하게 사용되는 중복된 항(terms)이 발생한다. 이러한 중복항을 사전에 계산해 둠으로써 기존의 삼중 중첩 반복 구조의 계산 절차를 이중 중첩 반복 구조로 개선하여 모델 변형 결과를 신속하게 구현할 수 있다. 제안된 가속화된 IK 풀이 방법은 LBS 기법으로 구현된 3D 모델을 다루거나 마커 없이 단순 촬영만으로 대상 물체를 추적하는 무마커 추적 관련 연구 등 다양한 분야에서 유용하게 활용할 수 있다.