三维人物动画中的武术动作再映射技术

浙江大学 硕士学位论文三维人物动画中的武术动作再映射技术姓名：李雪兰申请学位级别：硕士专业：计算机应用指导教师：耿卫东20040301浙江人学硕士学位论文一三维人物动画中的武术动作柯映射技术摘 要计算机人物动画生成技术是指借助于计算机技术来创作人物动画作品，具 有广泛的应用前景。当前，关于运动捕捉和数据重用、运动编辑的研究取得了 很大进展，也产生了很多实用的技术。武术是中华民族独特的人体文化，被视为 国粹. 因此，在二十世纪三十年代曾直呼为“国术”。至今在港、台和海外部分华人 中，仍名之曰“国术”。数千年来，随着社会经济文化的发展，武术也在不断地发展变 化，成为我们民族最独特的人体文化的瑰宝。它的研究和继承是一项重要的工作。 本文探讨了计算机人物动画的各种典型技术，运动捕捉数据重用的相关理论和 运动再映射技术在功夫运动编辑中的主要算法。通过对它们进行归纳、比较和 实验分析，我们提出一种三维人物动画中的运动捕捉数据再映射方法：用运动 捕捉获得的数据生成人物运动姿势自由度的曲线后，采用基于时空约束的优化 求解方法进行再映射的运动编辑。为了验证我们的设计思路，我们开发了一个 实际的系统：面向人物动画的运动捕捉数据编辑系统MESC (Motion Edit， Synthesis and Choreography ) 0本文第一章概括了计算机人物动画的历史，发展现状和应用领域；简要介 绍了运动捕捉技术；最后提出了运动捕捉数据重用的概念，概括了重用的重要 性，以及实际进行重用的编辑方法和分类，并由此引出文本的研究目的；最后 简要介绍了本文的篇章结构。在第二章中论述了在运动捕捉数据重用和编辑中所涉及的各项主要技术：动 作捕捉数据的编辑准则/要求、编辑和重用操作概述、编辑和重用动作数据的体 系结构、动作数据库建构方法等。介绍了这些技术的研究现状和基本思想。在第三章中给出了再映射的基本方法。先描述技术基础，然后着重分析了 系统中涉及的数据结构和核心算法。最后，介绍了面向运动捕捉数据的再映射 操作的解决方法。在第四章中详细介绍了基于相同骨架结构的再映射实现。包括实现的思想 和步骤。同时，给出了一些结果实例和讨论。在第五章中详细介绍了基于不同骨架结构的再映射实现。包括实现的思想 和步骤。同时，给出了一些结果实例和讨论。为了验证我们技术的可行性，在第六章中详细描述了我们的面向人物动画 的运动捕捉数据再映射系统MESC。并用给出几个试验实例。浙江人学硕士学位论文一三维人物动幽中的武术动作再映射技术最后，在第七章中对全文进行归纳和总结，并且提出了进一少研究的方向。关 键 词 计 算 机 动 画 再 映 射 运 动 捕 捉 运 动 编 辑 运 动 捕 捉 数 据 的 重 用 时空约束非线性优化声明：文中从文献、Internet中引用的文字、图片、模型、数据等，版权属于 原作者。浙江人学硕士学位论文三维人物动画中的武术动作再映射技术AbstractThe technique of computer character animation is one that aims at creating character animation by the knowledge of computer graphics and computer vision, and one that can be applied into many areas. Recently, with the development of motion capture and motion editing，many algorithms have been advanced* In this paper, we discuss the techniques of computer character animation, motion capture, reuse of motion capture data and motion retargeting. Based on these theories，we present a method of retargeting motion sequence from one character to another character* We import the motion data gained by motion capture and generate the cubic B-Spline curves by fitting to represent one of the DOFs of one joint. At last, we solve the spatial-time constraint based non-linear optimization to get the result motion sequence. To verify our thoughts, we develop a prototype system: Motion Edit, Synthesis and Choreography (MESC).In chapter one, we reviewed the history, current situation, and application areas of computer character animation; we introduce the techniques of reuse of motion capture data and motion editing, based on which，the object of our current research is introduced.Chapter two gives a survey of the related techniques of reuse based on motion capture data and motion editing: editing principles，overview of motion reuse, architecture of motion reuse and editing and motion database construction We focus on the principles and theories.In chapter three, the basic idea of motion retargeting is presented. Firstly, we describe some concepts of character animation and motion editing. Secondly, we analyze the data structure and critical algorithms of our retargeting system* Thirdly, we give the retargeting approach of motion capture data.Chapter four gives the approach of retargeting operations of two character model, which have the identical structure* We introduce the idea and process ofimplementation. At last, we give some samples and discussion.Chapter five gives the approach of retargeting operations of two character model, which have the different structure. We introduce the idea and process ofimplementation* At last，we give some samples and discussion.To validate the feasibility of the proposed techniques，in chapter six, a prototype浙江人学硕上学位论文一三维人物动尚中的武术动作再映射技术system of motion retargeting is implemented. We introduce the architecture，data flow, data structure of the system. Some examples show that the system works quite well， Finally，chapter seven summarizes the main contributes of our work and furthur work under improvement.Keywords: Computer Animation, motion retargeting, motion capture, motion editing, reuse of motion capture data, spatial-time constraints，non-linear optimization.IV浙江大学硕上学位论文二维人物动画中的武术动作再映射技术第 一 章 绪 论1.1.计算机人物动画简介计算机图形学的发展使得无需任何材料就可以精确方便的构造和表现物体。 计算机动画将时间变量引入到虚拟的静态场景中，使得我们不仅能够操作对象， 而且可以建立起逼真的对象运动。计算机动画技术综合利用了计算机科学、艺术、数学、物理学和其他学科的 知识来生成绚丽多彩的连续的逼真画面。该技术所关心的并不仅仅是物体的运 动，还包括虚拟摄像机的运动变化、光源的运动变化、画面色彩的变化等。可以 说运动变化是动画的本质，因而动画可以定义为变化的序列画面。本质上，动画 就是对场景中的景物赋予“生命”。当图象序列画面以一定的频率显示时，我们 所观察到的序列画面不再闪烁，表现为连续的运动效果。在三维计算机动画中，把人体作为其中的角色一直是研究者感兴趣的目标， 因而关节动画越来越成为人们致力解决的研究课题。在这一方面引人注目的早期 工作从动画电影Tony de Peltrie 和Rendezvous a Montreal可见一斑，而近 期在这一方面的工作更是令人惊叹不已，如电影终结者II、侏罗纪公园。 虽然计算机动画在许多领域占据越来越重要的角色，人体和动物动画的许多问题 仍未很好解决。人体具有200个以上的自由度和非常复杂的运动，人的形状不规 则，人的肌肉随着人体的运动而变形，人的个性、表情等千变万化。另外，由于 人类对自身的运动非常熟悉，不协调的运动很容易被观察者所察觉。可以说，人 体动画是计算机动画中最富挑战性的课题之一。正向或逆向运动学方法是一种设置关节动画的有效方法。通过对关节旋转角 设置关键帧，得到相关联的各个肢体的位置，这种方法一般称为正向运动学方法。 Denavit和Hartenberg最早提出了一种通过相对坐标系来描述各个关节位置的矩 阵描述方法，并被从事关节动画的研究者所广泛采用。但对于一个缺乏经验的动 画师来说，通过设置各个关节的关键帧来产生逼真的运动是非常困难的。一种实 用的解决方法是通过实时输入设备记录真人各关节的空间运动数据，即运动捕获 法。Alias 公司的产品部经理 Gary Mundell 曾称：“Motion capture is the future 为了克服该方法缺乏灵活性的缺点，Witkin通过混合动画曲线来编辑捕获的数 据，从而使建立可重用的运动数据库成为可能。Autodesk的Gleicher5提出了一 种运动重定目标的新概念。该方法能把一个角色的动画赋给另一个具有相同关节 结构但具有不同关节长度的角色，并能保持原有动画的质量，因而非常适合运动浙江大学硕士学位论文三维人物动础中的武术动作冉映射技术捕获动画的处理。逆运动学方法在一定程度上减轻了正运动学方法的繁琐工作， 用户通过指定末端关节的位置，计算机自动计算出各中间关节的位置。逆运动学 分析求解方法虽然能求得所有解，但随着关节复杂度的增加，逆运动学的复杂度 急剧增加，分析求解的代价也越来越大，数值求解成了一种可行的方案。Korein 提出了一种对每一关节段采用层次工作空间的直觉方法，该方法尽量使关节位置 的移动最小。该方法带来的问题是用户对得到的解无法控制，对于复杂的关节结 构，得到的不一定是产生自然运动的解。Girard和Maciejewski提出了一种用逆 运动学生成关节运动的方法。在他们的方法中，用户指定脚的世界坐标系位置， 然后用伪逆Jacobian矩阵求解从脚到臀部关节的旋转角。该方法是生成逼真关节 运动的最好方法之一。采用运动学求解的一个优点是可以对关节的某些关键位置 设定约束。例如，当一个人弯曲他的膝盖时，可约束他的脚在地板上，而身体则 往下倾。类似，当人行走时，先使身体绕一只脚旋转，然后绕两只脚旋转，再绕 另一只脚旋转。带约束的关节动画常采用逆运动学求解，这相当于从众多的解中 选取一个满足约束的解。如果约束的只是一个点，可釆取重新构造关节树的方法。 Badler等人的方法允许对关节多重约束，当所有的约束不能同时满足时则按约束 的重要性排序，并釆用迭代法求解逆运动学方程。把运动学和动力学相结合允许 动画师以适合他的方式思考问题。Isaacs把运动学和动力学约束显式表达出来， 然后求解这些方程。遗憾的是，这种方法的计算量极大。Boulic提出了一种适合 关节运动编辑的正向和逆向运动学相结合的方法，动画师可对已有的关节运动作 交互的基于目标的修改。该方法的关键思想是把所要求的关节空间运动插入逆向 运动学控制机制中。Phillips等人提出了一个交互的通过运动学约束来控制双足 关节动物运动的方法，这些约束模型能抓住运动的特点，并能控制人的平衡和稳 定。Calvert提出了一个舞蹈的动圆合成方法。动画软件Maya 、Softimage和 AliasjWavefront都提供正向运动学和逆向运动学动画设置方法。Maya是一个面 向角色动画的软件，Softimage则专门有一个设置关节动画的模块Actor 。与运动学相比，动力学方法能生成更复杂和逼真的运动，并且需指定的参数 相对较少。但动力学方法的计算量相当大，且很难控制。基于Euler动力学方程， Armstrong和Green提出了一种用于图艰仿真的递归方法，避免了矩阵的建立过 程。该递归方法的复杂度与自由度的个数呈线性关系，速度快而且稳定。动力学 方法中另一重要问题是运动的控制，若没有有效的控制手段，用户就必须提供具 体的如力和力矩这样的控制指令，而这几乎是不太可能的。因而，有必要提供高 层的控制和协调手段。能够满足上述要求的一种方法是预处理方法。该方法把所 需的约束和控制转换成适当的力和力矩，然后包括到动力学方程中。另一种方法 将约束以方程的形式给出。如果约束方程的个数与未知数的个数相等，也即系统 是全约束的，则可用一般的稀疏矩阵法快速求解。但如果系统是欠约束的，则情2浙江大学硕士学位论文 -三维人物动画中的武术动作再映射技术形就比较复杂，因为有无穷多的解。例如，给定手的到达目标，就有许多关节构 造方法可使手到达所要求位置。Witkin提出了一种使某种目标函数极小的附加约 束方法，井用共轭梯度法求解。在上述例子中，目标函数可选为运动的总动能。 基于物理仿真的一大优点在于能自动地模拟物体之间的相互作用。这实际上牵涉 到两个问题，即作用在何时发生及相互作用后的响应。Moore提出用一系列方程 来描述碰撞时的动量守恒，并用分析法求解碰撞后物体新的位置和速度。碰撞检 测及响应虽然增加了仿真的真实性，但同时计算量也急剧增加。在基于目标的运 动控制方面，较早的有Zeltzer的工作。在他的面向任务的系统中，能实现诸如 行走和跳跃这样的人体运动。但他在计算关节旋转角时，釆用的是运动学和对测 试数据插值的方法，因而不能实现如改变速度、改变步长这样的运动控制。 Bruderlin和Calvert提出了一个人体走路动画的混合方法，该方法结合了基于目 标的和动力学两种运动控制技术。在他们实现的实验性动画系统KLAW中，用 户指定一些参数如速度、步长和步频后，几乎可以以实时的速度生成大范围的人 体行走方式。在他们后来提出的过程控制方法中，用步伐之间的三次和线性插值 取代了原来的动力学方法，而真实性与原来相差无几。因而，动画师几乎可以实 时交互控制人体的运动。指定关节动物的运动，使它能以符合物理规律真实的方式达到给定的目标 (如投一个篮球到球框中）是动画师的目标之一。Witkin等人所提出的时空约束 是生成角色动画的一种新方法。在时空约束方法中，动画师指定角色必须做什么， 例如从这里跳到那里；怎样运动，比如不浪费能量；角色的物理结构，如几何、 质量、连接性质；角色为完成运动可利用的物理资源，如角色的肌肉、可以产生 推力的地板。基于这些描述，加上牛顿定律，构成一个约束的最优化问题。求解 该约束问题得到一个符合物理规律的运动。该方法生成的真实运动与传统动画的 一些原则如压扁和伸展、期望等相符合。时空约束得到的是一个非线性约束变分 问题，通常垓问题没有唯一解。一个解决方法是用三次5样条基函数的线性组 合来减少可能的轨迹数，并用约束优化来求解5样条的系数。但这类非线性优 化问题的一般解是未知的。为此，Cohen提出采用符号和数值混合技术来进行交 互控制。在该系统中，用户能千涉迭代数值优化过程并能指导优化过程使它收敛 到可接受的解。但是随着关节数和任务复杂度的增加，其计算量仍然很大。分析 标明，计算复杂度主要取决于表示广义自由度有限基的选择上，Liu等人提出用 小波基来表示广义自由度对时间的函数，该方法的优点在于能自动地只在需要的 地方增加运动细节，从而使离散变量的数目减少到最小，求解的收敛速度更快。在计算机动画中，建立有趣且逼真的虚拟实体并能同时保持对它们的控制是 相当困难的，通常在复杂度和控制的有效性之间取一折衷。对一固定的关节结构， 常用优化方法来自动生成动力学控制系统，如Ngo提出的针对刺激一反应对的3浙江大学硕士学位论文一“三维人物动画中的武术动作再映射技术算法，这些算法成功地生成了二维刚体模型的运动。对于非固定的三维动物，Sims 提出了能生成自主(autonomous) 三维虚拟动物的方法，该方法无须用户提供繁琐 的设计指定工作，动物形态学和控制肌肉的神经系统由算法自动产生。1.2.运动捕捉技术简介近年來兴起的运动捕获成为人钵动画中最有前途的技术之一.它实时地检 测、记录表演者的肢体在维空间的运动轨迹，捕捉表演者的动作，并将其转化为 数字化的“抽象运动”。根据捕获的运动来制作动画具有高逼真度、高效率的特 点，运动捕获涉及的关键技术主要有摄像机定标、特征跟踪、特征对应和三维重 建等. 代表性的研究成果包括：基于CCD摄像机的高速三维运动信息获取系统 1，其先用标定物来求摄像机的内参数，然后利用定标结果重建图象中的三维 运动信息；利用多个摄像机釆集图象信息，对采集的图象信息采用基于色块的特 征点跟踪方法来跟踪二维特征点，然后利用计算机视觉技术重构二维特征点的三 维运动信息，用其开发的实时多相机运动捕捉系统中，系统将获得的运动信息输 入图象绘制模块，即可生成满足要求的动画2 ;利用视觉技术来进行运动捕捉 的方法， 其不要求标记附加在人体上，就能够恢复复杂视频序列中多自由度人体 骨架模型的运动结构3; 基于知识的捕捉和描述视频中人行走运动的体系框架， 其利用的知识主要包括由关节组成的人体模型以及行走的先验知识，视频经过数 据预处理、识别、跟踪和三维恢复后，产生逼真的人体行走动画4.目前常用的运动捕捉技术主要有机械式、声学式、电磁式和光学式，其中以 电磁式和光学式最为常见。在驱动动画系统中，通常并不要求捕捉表演者身上每个点的动作，而只需要 捕捉若干个关键点的运动轨迹，再根据造型中各部分的物理、生理约束就可以合 成最终的运动画面。从应用角度来看，表演动画系统主要有表情捕捉和身体运动捕捉两类，从实时 性来看，可分为实时捕捉系统和非实时捕捉系统两种。典型的运动捕捉设备一般 由以下几个部分组成；传感器被固定在运动物体特定的部位，向系统提供运动的位置信号捕捉器负责捕捉、识别传感器的信号U数据传输设备负责将运动数据从信号捕捉设备快速准确地传送 到计算机系统。信息o(2)(3)4浙江大学硕士学位论文 三维人物动画中的武术动作再映射技术(4)数据处理设备负责处理系统捕捉到的原始信号，计算