Using Neuroevolution for physics-based character animation in two dimensions

Abstract

Die prozedurale Generierung von Inhalten zur Verwendung in digitalen Produktionen erfreut sich seit einigen Jahren großer Beliebtheit. Im Hinblick auf die Erstellung von Computerspielen profitieren sowohl große Firmen als auch kleine Studios davon, Arbeitsschritte und -abläufe an Maschinen zu delegieren. Im Gegensatz zur Verwendung relativ einfacher und statischer Inhalte wie Texturen oder Terrain, ist die Nutzung prozedural generierter Animationen im kommerziellen Bereich eher ungewöhnlich. Diese Arbeit untersucht einen Teil der Frage, inwieweit die aus dem Gebiet der künstlichen Intelligenz stammende Methode der Neuroevolution bei der automatisierten Erstellung unterschiedlicher Animationen einsetzbar ist. Konkret wird betrachtet, inwieweit sich Neuroevolution zur Realisierung physikbasierter Animationen von zweidimensionalen Charakteren eignet. Die Analyse des momentanen Standes der Forschung und Entwicklung im Bereich der Neuroevolution, aber auch der physikbasierten Charakteranimation, bildet die Grundlage für das Design eines Konzeptes, das in weiterer Folge zur Umsetzung gelangt. Im Zentrum dieses Konzepts steht die Realisierung einer prototypischen Implementierung, die es erlaubt, ansprechende Animationen für unterschiedlichste Charaktermodelle und Kreaturen zu erzeugen. Neben der Fähigkeit, die gestellte Aufgabe gut zu bewältigen, sind große Flexibilität, möglichst einfache Verwendbarkeit und hohe Leistung Anforderungen, die mit Blick auf einen praktikablen Einsatz in der Spiele-Branche an das Programm gestellt werden. Als technischer Unterbau fungieren die Spiele-Engine Unity, die ihrerseits Anforderungen wie hohe Flexibilität und einfache Verwendbarkeit erfüllt, und die bereits darin enthaltene Physik-Engine Box2D. Die Umsetzungsphase wird durch umfangreiche Tests und Experimente unterstützt, die aufgrund der bis dato nur spärlich verfügbaren Erfahrungswerte zu diesem Thema von großer Wichtigkeit sind. Am Ende dieser Arbeit steht ein vielseitiger Softwareprototyp, der bereits in den wesentlichen Punkten überzeugen kann und die ansprechende Umsetzung verschiedener Bewegungsarten für virtuelle 2D-Charaktere erlaubt. Untermauert wird diese Erkenntnis durch die Ergebnisse einer ausgedehnten Testphase, in der sowohl technische Messergebnisse als auch ästhetische Aspekte, deren Bewertung mittels einer Umfrage vorgenommen wird, von Relevanz sind. Das Fazit fällt großteils positiv aus und die Arbeit stellt einen soliden Startpunkt für weitere Unternehmungen im Bereich der Nutzung von Neuroevolution für die physikbasierte Charakteranimation dar. Die Untersuchung möglicher Anpassungen des Prototypen an die erhöhten Anforderungen von Echtzeitanwendungen wird als ein denkbarer nächster Schritt präsentiert.

The procedural generation of content for usage in digital productions has become rather popular in recent years. With regard to the production of computer games, both large companies and small studios can benefit from delegating certain tasks and processes to machines. In contrast to the utilization of relatively simple and static content, such as textures or terrain, the usage of procedurally generated animations is only rarely seen in the commercial game development sector. This work examines part of the question as to how far the method of neuroevolution, a technique originating from the field of artificial intelligence, can be used for the automated generation of various animations. Specifically, the extent to which neuroevolution is suitable for the realization of physics-based animations for two-dimensional characters is considered. The analysis of the current state of the art in research and development in the areas of neuroevolution and physics-based character animation forms the basis for the design of a concept that is implemented subsequently. At the heart of this concept stands the realization of a prototypical implementation, that allows the creation of appealing animations for different character models and creatures. In addition to being able to handle the given task well and in view of a practical application in the game industry, the program is desired to provide great flexibility, ease of use, and high performance. The game engine Unity, which in turn meets requirements such as high flexibility and ease of use, and the already integrated physics engine Box2D are the technological foundation for the prototype. The implementation phase is supported by extensive tests and experiments, which are of great importance due to the limited availability of intelligence on this topic up to the present time. The result of this work is a versatile software prototype, that can already fulfill the most important tasks and handle the appealing animation of different types of movements for virtual 2D-characters. This property is underlined by the results of an extended testing phase in which both results of technical measurements and aesthetic aspects (which are assessed by means of a survey) are taken into account. Therefore the overall conclusion concerning the outcome of this work remains largely positive and its results provide a solid starting point for further research on using neuroevolution for physics-based character animation. The investigation of possible adaptations of the prototype to the special requirements of real-time applications is presented as a possible next step.