The Design of a 3D Character Animation System for Digital Twins in the Metaverse

📄 arXiv: 2407.18934v1 📥 PDF

作者: Senem Tanberk, Dilek Bilgin Tukel, Kadir Acar

分类: cs.HC, cs.AI, cs.SE

发布日期: 2024-07-10

💡 一句话要点

为元宇宙数字孪生设计低成本3D角色动画系统，采用运动原语驱动

🎯 匹配领域: 支柱八：物理动画 (Physics-based Animation)

关键词: 元宇宙 数字孪生 3D角色动画 运动原语 模块化框架

📋 核心要点

  1. 现有元宇宙数字孪生中的3D角色动画依赖昂贵的动作捕捉技术，成本高昂且缺乏灵活性。
  2. 论文提出一种基于运动原语的数据驱动3D动画系统，旨在提供一种更经济、模块化的解决方案。
  3. 通过英国单人跳棋游戏用例验证，展示了该框架在不同业务场景下的适应性和可定制性。

📝 摘要（中文）

在工业4.0背景下，数字孪生技术作为可视化和分析工业资产的强大工具迅速发展。该技术已引起制造、安全、运输和游戏等多个领域研究人员的广泛关注。元宇宙已成为这些领域的重要推动者，促进了各种技术的集成，以创建物理资产的虚拟副本。3D角色动画（通常称为化身）对于元宇宙的实现至关重要。传统上，昂贵的动作捕捉技术被用于创建逼真的化身系统。为了满足这种不断发展的需求，我们开发了一个为资产数字孪生量身定制的模块化框架，作为一种更经济的替代方案。该框架为各个系统组件的独立定制提供了灵活性。为了验证我们的方法，我们采用英国单人跳棋游戏作为用例，使用广度优先搜索算法生成解决方案树。结果包括利用运动原语的数据驱动3D动画系统的定性和定量结果。所提出的方法和基础设施是适应性和模块化的，使其适用于各种业务环境中的资产数字孪生。该案例研究为试点应用奠定了基础，并可针对教育、健康或工业4.0材料开发进行定制。

🔬 方法详解

问题定义：论文旨在解决元宇宙数字孪生中3D角色动画成本高昂且缺乏灵活性的问题。现有方法主要依赖于动作捕捉技术，这不仅需要专门的设备和场地，而且难以进行定制和修改，限制了其在各种业务场景中的应用。

核心思路：论文的核心思路是利用运动原语（motion primitives）来驱动3D角色动画。运动原语是预定义的、可重复使用的基本动作单元，通过组合这些单元，可以生成复杂的动画序列。这种方法降低了对昂贵动作捕捉设备的依赖，并提供了更大的灵活性和可定制性。

技术框架：该系统采用模块化框架，包含以下主要模块：1) 运动原语库：存储预定义的运动原语，例如行走、跳跃、抓取等。2) 状态空间表示：将数字孪生环境的状态表示为状态空间，例如棋盘游戏的棋子位置。3) 行为规划器：根据当前状态和目标，选择合适的运动原语序列。论文中使用广度优先搜索算法生成解决方案树。4) 3D动画引擎：将运动原语序列转换为3D角色动画，并在元宇宙环境中呈现。

关键创新：该论文的关键创新在于将运动原语的概念应用于元宇宙数字孪生的3D角色动画。与传统的动作捕捉方法相比，该方法更加经济、灵活和可定制。此外，该论文还提出了一个模块化的框架，允许独立定制各个系统组件，从而提高了系统的适应性。

关键设计：在英国单人跳棋游戏中，每个棋子的移动被定义为一个运动原语。行为规划器使用广度优先搜索算法，在状态空间中搜索可行的移动序列，直到找到解决方案。系统没有详细说明损失函数或网络结构，因为该方法主要依赖于预定义的运动原语和搜索算法。

📊 实验亮点

该论文通过英国单人跳棋游戏用例验证了所提出的3D角色动画系统。实验结果表明，该系统能够生成合理的动画序列，并成功解决游戏。虽然论文没有提供具体的性能数据或与其他基线的定量比较，但定性结果表明该系统具有良好的适应性和可定制性，为低成本元宇宙数字孪生应用提供了可行方案。

🎯 应用场景

该研究成果可广泛应用于元宇宙数字孪生领域，例如工业培训、远程协作、游戏开发和教育娱乐等。通过低成本、灵活的3D角色动画系统，可以更有效地模拟和可视化物理资产，提高培训效率，增强用户体验，并促进跨领域的创新应用。未来，该技术有望在智能制造、智慧城市和虚拟现实等领域发挥重要作用。

📄 摘要（原文）

In the context of Industry 4.0, digital twin technology has emerged with rapid advancements as a powerful tool for visualizing and analyzing industrial assets. This technology has attracted considerable interest from researchers across diverse domains such as manufacturing, security, transportation, and gaming. The metaverse has emerged as a significant enabler in these domains, facilitating the integration of various technologies to create virtual replicas of physical assets. The utilization of 3D character animation, often referred to as avatars, is crucial for implementing the metaverse. Traditionally, costly motion capture technologies are employed for creating a realistic avatar system. To meet the needs of this evolving landscape, we have developed a modular framework tailored for asset digital twins as a more affordable alternative. This framework offers flexibility for the independent customization of individual system components. To validate our approach, we employ the English peg solitaire game as a use case, generating a solution tree using the breadth-first search algorithm. The results encompass both qualitative and quantitative findings of a data-driven 3D animation system utilizing motion primitives. The presented methodologies and infrastructure are adaptable and modular, making them applicable to asset digital twins across diverse business contexts. This case study lays the groundwork for pilot applications and can be tailored for education, health, or Industry 4.0 material development.