（计算机应用技术专业论文）手部运动重定向与运动连接技术的研究.pdf

摘要 在人体动画的制作过程中，如何模拟真实的手部运动效果一一直是困扰动画制 作人员的难题。在常用的手部动画制作方法中，传统的逐帧调节技术耗时耗力， 并且很难得到自然流畅的动画效果；而数据手套捕获的运动数据量大且带有噪 声，其运动类型也较为单一。凶此，研究如何重用现有的手部运动数据具有十分 重要的意义。本文研究了针对于部运动的运动编辑技术，实现了不同骨骼长度手 模型之间的运动重定向，以及手部动画片段之间的运动连接。 首先，本文提出了基于碰撞检测的手部运动重定向技术，将碰掩检测的思想 应用到运动编辑算法中。该方法首先创建了符合运动学特征的人手模犁并为其施 加了内部约束，即由生理结构决定的关节活动范围，以使重定向后的手部动画更 加真实。由于手部通常与外部环境中的物体有大面积的接触，为了消除由于骨骼 长度不同而引起的失真现象，我们对手部的各个指节和外部物体进行包围盒碰撞 检测，再根据检测结果调整运动数据，确保重定向后的运动满足约束条件。该方 法能够实现不同骨骼长度手模型之间的运动重定向，确保生成的的运动保持原始 运动的基本特征，并消除了悬空、穿透等失真现象。 其次，本文提出了基于首尾帧差异值的手部运动连接技术。该方法根据两段 运动首尾帧之间差异值的大小来计算运动连接需要的时间，使过渡片段的长度达 到最优。我们采用球面线性插值的方法插入新的运动帧，使过渡片段更加符合人 手真实的运动轨迹。实验结果表明该方法能够实现两段手部运动之间的无缝连 接，保证了过渡片段的流畅自然。 本文使用w i n 3 2a p i 和d i r e c t x 图形库搭建了实验平台，采用x 文件作为原始 运动数据源，在实验平台中完成了对数据文件的解析。该平台实现了手部运动重 定向和手部运动连接，并可以对模型和动画进行基本的控制操作，为下一步研究 工作奠定了基础。 关键词：运动编辑手部运动重定向手部运动连接碰撞检测包围盒 a b s t r a c t a n i m a t i n gr e a l i s t i ch a n dm o t i o ni sa l w a y sac h a l l e n g i n gp r o b l e mf o ra n i m a t o r s w h e np r o d u c i n gc h a r a c t e ra n i m a t i o n t h et r a d i t i o n a lp e r - f r a m ee d i t i n gm e t h o di s t e d i o u sa n dt i m e c o n s u m i n g ，w h i l ead a t ag l o v em i g h tc a p t u r el a r g ea m o u n to fd a t a w i t hn o i s e ，a n dt h ec a p t u r e dm o t i o nt y p e sa r et o os i m p l e h e n c e ，i ti so fg r e a t i m p o r t a n c et or e s e a r c hh o w t or e u s ee x i s t i n gh a n dm o t i o nd a t a i nt h i sp a p e r , m o t i o n r e t a r g e t i n gt e c h n i q u e sf o rh a n da n i m a t i o na r ee x p l o r e d ，a sw e l la sm o t i o nt r a n s i t i o n t h a tc o n c a t e n a t e st w oh a n dm o t i o nc l i p s w ep r e s e n tac o l l i s i o n d e t e c t i o n b a s e dh a n dm o t i o nr e t a r g e t i n gm e t h o d ，w h i c h c o m b i n e sc o l l i s i o nd e t e c t i o na l g o r i t h ma n dm o t i o ne d i t i n gt e c h n i q u e st o g e t h e r t h e k i n e m a t i c a ls t r u c t u r eo fh u m a nh a n di sf i r s tm o d e l e dw i t hi n t e r n a lc o n s t r a i n t s t h a ti s ， t h el i m i t so ff i n g e rm o t i o na sar e s u l to fh a n da n a t o m y f o rh a n dm o t i o n s ，i ti s c o m m o nt h a tal a r g ep a r to ft h ep a l mc o n t a c t sw i t ho b j e c t si ne x t e r n a le n v i r o n m e n t w em i g h tg e tu n d e s i r a b l er e t a r g e t e dm o t i o nd u et od i f f e r e n ts e g m e n tl e n g t h s ，f o r i n s t a n c e ，t h eh a n dh a n g so v e ro rp e n e t r a t e sac e r t a i no b j e c t t h u s ，t h eb o u n d i n gb o x c o l l i s i o nd e t e c t i o na l g o r i t h mi su s e df o re a c hk n u c k l e ，b a s e do nw h i c hw ea d j u s tt h e r e t a r g e t e dm o t i o nd a t af o rt h ep u r p o s eo fm e e t i n gc e r t a i nc o n s t r a i n t s t h i sr e t a r g e t i n g a p p r o a c hc a l lb eu s e df o rm o t i o nr e t a r g e t i n gb e t w e e nh a n dm o d e l sw i t hd i f f e r e n t s e g m e n t sl e n g t h s ，w h i l ei m p o r t a n tc h a r a c t e r i s t i c so ft h eo r i g i n a lm o t i o nw o u l db e p r e s e r v e dw i t h o u tv i o l a t i n gc e r t a i nc o n s t r a i n t s ad i f f e r e n c e - b a s e dh a n dm o t i o n t r a n s i t i o nm e t h o di sa l s op r o p o s e di nt h i sp a p e r t h i sm e t h o dc a l c u l a t e st h eo p t i m a l d u r a t i o nl e n g t ha c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n c eb e t w e e ns t a r ta n de n df r a m e so ft h et w o i n p u tm o t i o n s s p h e r i c a ll i n e a ri n t e r p o l a t i o na l g o r i t h mw i l lb eu s e df o ri n t e r p o l a t i n g n e wf r a m e sf o rt r a n s i t i o n t h ee x p e r i m e n tr e s u l t si l l u s t r a t et h a tt h i sm e t h o dc a n c o n c a t e n a t e st w oh a n dm o t i o nc l i p sw i t ht h et r a n s i t i o nm o t i o nn a t u r a la n ds m o o t h w eh a v ec o n s t r u c t e da ne x p e r i m e n tp l a t f o r mu s i n gw i n 3 2a p ia n dd i r e c t x l i b r a r y , w i t h xf i l e 嬲也eo r i g i n a lm o t i o nd a t a f u r t h e rr e s e a r c hw o r ko fh a n dm o t i o n e d i t i n gt e c h n i q u e sc a nb ep e r f o r m e do nt h i sp l a t f o r m k e yw o r d s ：m o t i o ne d i t i n g ，h a n dm o t i o nr e t a r g e t i n g ，h a n dm o t i o nt r a n s i t i o n , c o l l i s i o nd e t e c t i o n ，b o u n d i n gb o x 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁盗盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：协a 雪 签字日期：7 1 年 石月，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨洼苤鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：吟苏支 、 导师签名： 签字日期：伽9 年 6 月 e l 签字日期： 日i 矽，6 扩 年 留1 第一章绪论 1 1 研究意义 第一章绪论 三维动画，又称3 d 动画，是近年来随着计算机软硬件和图形算法的发展而 产生的一门新兴技术，目前被广泛应用于医学、教育、娱乐、军事等诸多领域。 尤其在影视制作方面，计算机三维动画更是发挥着其不可替代的作用。不但在真 人电影中加入了摄影机和传统影像技术无法制作的特效，并且三维动画片也正在 逐步取代二维动丽片，成为市场的主流。 不论是在电影还是游戏中，人物动画都是吸引观众和玩家眼球的核心。3 d 人物复杂的表情变化和四肢动作，不但传达着丰富的含义，也最能体现制作团体 的技术水平。在整个人体运动中，手部运动是极为特殊和关键的_ 环，也一直是 令动画制作人员头痛的难点。手是人体中最具灵活性的器官，其自身的动作细腻 多变，并且与外部环境和人体的其它部分有着复杂的交互，要模拟真实的手部运 动效果甚至比模拟四肢的运动更加困难。因此，将手部运动与人体其它部分的运 动独立出来进行研究，有着重要的现实意义。 目前制作手部动画的方式主要有两种：基于关键帧的逐帧调节技术和运动捕 获技术。传统的逐帧调节技术，需要动画师对人物的动作做仔细的分析研究，在 3 d m a x 或m a y a 这样的三维建模软件中手动逐帧调整关键帧的数据。由于手 部运动包含着丰富的细节，这种制作方式不但耗时耗力，并且不能得到自然流畅 的动画效果。 因此，使用数据手套来捕获运动数据逐渐成为动画师青睐的方法。数据手套 捕获的运动数据记录了手指各个关节丰富的运动细节，具有较强的真实感和流畅 性，极大减少了动画制作人员的工作量。然而，这种方法的局限性也十分突出。 首先，数据手套捕获的运动数据量大且带有噪声，所获取的数据只能在特定环境 下应用。其运动类型也较为单一，目前市场上的大部分数据手套只能捕获手指各 个关节的弯屈动作，而无法捕获手指间的相对位移。以5 d t1 4 s e n s o r 数据手套为 例，该设备只能捕获特定类型的三十六种动作，而真实的人手动作要远比这三十 六种复杂。另外，我们在各种动画作品上经常看到动物拟人化的效果，动物的爪 子与人类的手部有着不同的生理结构，简单的运动捕获数据显然不能满足这种需 求。再次，数据手套的价格十分昂贵，它的使用会大大增加动画制作的成本。 基于上述的讨论，研究如何重用现有的手部运动数据具有十分重要的意义。 第章绪论 动画师需求的运动数据既复杂多变，又有着相似性和关联性。我们可以对现有的 运动数据进行编辑，来生成不同场景下的多种运动，这些数据可以是运动捕获到 的，也可以是由动画师逐帧手动完成的。即以现有的运动数据为基础，通过运动 编辑算法来生成新的运动数据。运动编辑算法能够提供给动画师对已有数据进行 编辑的能力，能够将运动数据应崩到不同的模型上。动画师也可以根据运动编辑 算法调整当前数据，以满足各种不同的约束。 本文的工作就是研究针对手部运动的运动编辑技术，实现不同骨骼长度手模 型之间的运动重定向，并且实现了基于首尾帧差异值的手部运动连接。 1 2 国内外研究现状 目前国内外针对于部运动的研究大多集中在手势或手语识别这一领域：葛春 宝【l 】等人提出了一种手势运动数据重定向方法，它把捕获到的手势数据重新定向 到具有不同大小和比例的虚拟人模型上，从而生成与原始手部运动含义相同的动 画。 而针对运动缩辑算法的研究则已经取得了很大的进展，这些方法大都应用 于人体的四肢运动。w i t k i n 和p o p o v i c t 2 】提出的运动变形思想以及b r u d e r l i n 和 w i l l i a m 3 】提出的位移映射方法都是基于数据曲线的运动编辑技术。运动变形利用 混合和重叠的方法生成一组新运动；位移映射将由于运动编辑所引起的运动变化 同原始运动分离，独立选择表示变化的插值曲线。u n u m a 和t a k e u c h 4 j 提出了利 用傅立叶分析技术来处理运动捕获数据的方法。w i l e y 和h a h n t s l 提出的插值合成 算法选取并合成数据库中最相关的几组运动，使新生成的运动满足特定的位置目 标。r o s e 6 】等人采用多分辨率插值技术实现了两段运动之间的平滑过渡。 近年来，国内外许多学者提出了多种基于约束的运动编辑算法。g l e i c h e r t 7 】 将时空约束的概念应用到运动重定向中，他将重定向问题抽象为约束方程，在整 段运动序列中求出其最优解，从而生成新的运动。这种方法由于涉及到非线性最 优解问题，因此无法高效地编辑复杂的运动序列。l e e 8 】等结合层次b 样条技术， 采用逆向运动学求解关键帧的姿态，可以保证生成运动的连续性和与原始运动的 相似性。 1 3 本文研究工作和创新点 本文的研究重点是不同骨骼长度手模型间的运动重定向以及针对手部动画 的运动连接技术。针对研究任务，本文的主要工作按照如下几方面展开： 2 第一章绪论 1 手部模型的创建以及运动数据的解析：本文采用了x 文件作为原始运动 数据，x 文件是针对d i r e c t x 3 d 的标准文件格式。在描述模型的运动数据时，采 用位移矩阵和旋转矩阵分别表示骨骼根结点的位置和手指各个关节的偏移量。 2 运动重定向的研究：本文提出了基于碰撞检测的运动重定向方法。该方 法对手模型的各个指节与外部物体进行包围盒碰撞检测，再根据碰撞检测的结果 调整数据使重定向后的运动满足约束条件。另外，为了使生成的手部动画更加真 实，我们还为目标手模型施加了内部约束，即由生理结构决定的关节活动范围。 3 运动连接的研究：本文提出了基于首尾帧差异值的运动连接方法。首先 取两段运动序列的首尾帧数据，求出各个关节的差异值，再利用该差异值计算出 平滑过渡需要的时间，最后采用球而线性插值的方法建立新的运动连接数据。该 方法能够保证两段运动问的过渡片段自然流畅。 4 实验平台的搭建：使用d i r e c t x 3 d 作为图形渲染引擎，o d e ( o p e nd y n a m i c s e n g i n e ) 作为物理引擎，可以实现运动重定向、运动连接等操作。 本文的主要创新点如下： 1 将碰撞检测的思想应用到运动编辑算法中。由于手部通常与外部环境中 的物体有大面积的接触，为了消除悬空、穿透等失真现象，我们对手部模型的各 个指节和外部物体进行包围盒碰撞检测，再根据检测结果调整运动数据，确保重 定向后的运动满足约束条件。 2 本文基于j i n gw a n g 9 的算法，提出了基于首尾帧差异值的运动连接算法。 该方法根据两段运动首尾帧之间各个关节差异值的大小来计算运动连接需要插 入的帧数，从而实现这两段运动的无缝连接，使新生成的运动更加平滑、自然。 3 本文的提出了内部约束和外部约束的概念。内部约束是由手部的生理特 征决定的关节活动范围，外部约束是指手部与外界物体之间的需要维持的关系。 通过同时施加内部约束和外部约束，我们可以得到真实且符合重定向要求的手部 运动。 1 4 本文的组织 本文主要讨论并研究了针对手部运动的运动编辑技术，具体内容组织如下： 第一章，介绍了本文的研究背景、研究意义和国内外的研究现状，以及本文 的主要工作和创新点及文章的组织结构 第二章，综述了运动编辑技术和现有的各种运动编辑方法的研究情况。 第三章，首先通过分析真实人手的生理解剖学特点，建立了符合运动学规律 的手模型，提出了针对人手的运动约束。并介绍了基于碰撞检测的手部运动重定 向技术，综合已有的重定向算法提出新的方法，并给出实验结果。 3 第一章绪论 第四章，介绍了手部运动连接技术，提出了基于首尾帧差异值的运动连接算 法，可以实现两段手部运动的光滑无缝连接。 第五章，分析了x 的格式，并介绍了实验平台的基本功能模块。 第六章，总结了木文的主要工作和创新点。 4 第：章运动编辑综述 第二章运动编辑综述 运动编辑是指通过对现有的运动进行修改或混合生成新的运动。根据不同的 标准，运动编辑可以有多种分类方法。根据运动数据表示方法的不同可以将运 动编辑技术分为基于信号处理的编辑技术、基于约束的编辑技术以及基于记号语 言的编辑技术，在此称之为数据表示分类方法。根据处理运动数据方式的不同， 可以将运动编辑技术分为运动重定向、运动连接、运动路径编辑、运动混合和运 动变形，在此称之为数据处理分类方法。本文将分别讨论这两种分类方法，并介 绍每一种类别的相关技术。 2 1 数据表示分类方法 2 1 1 基于信号处理的编辑技术 基于信号处理的编辑技术将运动数据作为信号来处理【1 0 】。b r u d c r l i n 3 】采用多 分辨率运动过滤和运动波形变换等方法，对捕获的运动数据进行修改和编辑。 u n u m a 【4 j 等人通过傅立叶变换对各个关节角度的运动轨迹进行编辑处理。w i t k i n 和p o p o v i c 2 】提出了运动变形的思想，对关键帧或者捕获到的运动数据进行编辑。 基于数字信号的方法处理思想简单，适合于重用和适配现存的运动数据。但是无 法从高层次上对运动进行编辑，且再生出来的运动往往在物理方面不可行。 2 1 2 基于约束的编辑技术 基于约束的运动编辑技术是对人体运动添加初始位置、目标位置、接触点等 约束条件，在满足约束条件的前提下，规定运动的目标函数。再通过修改约束条 件及目标函数的方法对运动片段进行编辑。该方法在编辑过程中，把被处理的运 动数据的某些特征及用户的要求作为约束，能生成物理可行同时又保持原始运动 特征的运动。 基于约束的方法可以分为六类：关键帧编辑，基于时空约束的运动编辑，基 于物理属性的运动编辑，运动变形或位移映射方法，按帧运动编辑，结合滤波的 按帧运动编辑。这里主要介绍前三类方法。 ( 1 ) 基于关键帧的编辑方法：该方法是对关键帧上的动作进行调整，然后利 用插值的方法获得其它帧的数据。基于关键帧方法的种特殊情况是基于单位采 5 第二章运动编辑综述 样时间的方法，与前者不同的是，由于单位采样时间相对于整个运动片段的时间 很短，因此对动作之间的连续性要求很i 苗。基于关键帧的运动编辑方法执行简单， 可以解决几何约束，但可能破坏原始运动的连续性，且只适用于一些简单的约束。 ( 2 ) 基于时空约束的方法：该约束方法是对关键帧内数据进行的修改作为空 间约束，对关键帧之间的距离( f u q 隔的帧数) 的修改作为时间约束，然后综合时空 约束得到方程进行求解【l o 】。时空约束的概念最早由w i t k i n 和k a s s 1 1 】提出，该方法 在满足指定约束的条件下，运用非线性最优化方法求解目标方程的最优解，生成 满足用户需求的动画。r o s e 1 2 】等人将时空约束同逆向运动学约束相结合实现两段 运动之间的平滑过渡，用户可以通过系统提供的运动描述语言注释器对运动数据 进行编辑操作。g l e i c h e r t ”】将时空约束方法应用于运动编辑和运动重定向，简化 了求解问题的方法，使计算速度得到提高。对于运动重定向，g l e i c h e r 7 】将重定 向问题定义为目标方程，将需要满足的约束定义为约束方程，重定向算法即在满 足约束方程的条件下求出目标方程的最优解。与基于关键帧的编辑方法不同基 于时空约束的编辑方法将整段运动序列作为考虑对象，保证了运动的连续性。并 且时窄约束对目标和时间约束的范围很大，能够很好的处理帧间的几何约束，适 于一些较为复杂的约束条件。但是该方法要求将捕获到的运动数据抽象为约束条 件和目标方程，如何将视觉土的运动定义为数学描述是一项很有挑战性的工作。 时空约束的方法一般会涉及到复杂的函数求解问题，计算量大，很难达到实时的 要求。 ( 3 ) 基于物理约束的方法：在时空约束方法中，我们用到了一些简单的物理 约束，例如当人手与外界物体接触时，我们将人手的位置设置为约束，而为了算 法性能的考虑忽略其他的物理属性。p o p o v i c 和w i t k i n 1 4 通过简化虚拟角色的几 何造型，利用时空约束动力学方程保留了原始运动序列的物理属性。但由于该方 法的计算十分复杂，因此只能在一些简单的运动上使用。基于物理约束的方法使 用并不是十分广泛，本文中将要提出的基于碰撞检测的运动重定向方法，实际上 就是基于物理约束的。 2 1 3 基于记号语言的编辑技术 基于信号处理和基于约束的方法在改变动作捕捉数据时设定许多数字参数， 且处理繁琐、不够直观【l o 】。因此，x i a o j i es h e n ”】等人提出一种基于记号语言的 动作编辑方法。该方法的流程分为三个部分：( 1 ) 将动作捕捉数据转换为记号语 言数据；( 2 ) 对记号语言数据直接进行编辑操作；( 3 ) 将修改后的记号语言转换为 新的动作片段。基于记号语言的动作编辑方法商观、简单，有利于实现用户与系 统间的交互。但是由于记号语言记录的数值不够精确，因此还需进一步改进记号 语言或与其它脚本结合使用才能获得更好的效果。 6 第二奇运动编辑踪述 2 2 数据处理分类方法 2 2 1 运动重定向 运动重定向技术主要研究把捕获到的或已有的运动数据应用于小同的角色 模型中，同时保持原有的运动特征( 见图2 1 ，图2 2 ) 。如果源模型与目标模型 的长度或拓扑结构不同，直接把运动数据应用到目标模型上会导致运动变形。两 个模型肢体的长度和比例关系相差越大，这种违背原始运动特征的现象就越明 显。因此，l 有通过运动重定向算法的调整原始运动数据才能重用到各种不同 的模型上。 图2 - i 将走路运动重定向到有小删身材比例的角色模型川“ 蛋六公杏六厶参i ! 杏穴 ( a ) 胤始走路运动守刊 鬟蒋鑫奈食笊 啦) 将走黯运动重定向到恐龙模型上 陌2 - 2 不同拓扑结构横型闸的运动重定向 g l e i c h c r 【7 1 首先提出了运动重定向的概念，实现了将某一角色的运动重定向 到具有相同结构但有不同肯骼长度的角色r 。他将重定向问题定义为目标方程， 将需要满足的约束定义为约束方程，重定向算法即在满足约束方程的条件f 求出 日标方程的最优解。g l e i c h 一7 1 的方法将整段运动序列作为编辑对象，保证了重 定向后运动的连续性。但是+ 返种方法由于涉及到非线性最优解问题，其计算复 止入 第二章运动缟辑综述 杂度较高，而且如何甩抽象的方程米描述运动特征也是亟待解决的难题； 针对不同拓扑结构模型之问的运动重定向，m o t l z a n i “煺了中间模型的概念， 扶而解决了不同结构模型之问运动数据的映射问题，并采用了逆向运动学的方法 满足约束条件，中间模型的思想使运动重定向技术的应用范围更加广泛，但只能 将复杂模型的运动数据重定向到简单模型上；h e i s h t l s 提出一种交互式的运动重 定向方法通过设定源模型与目标模型之间的关节点对应来实现运动数据的映 射。 此外，b i n d i g a n a v a l e l l l 提出了一种自动提取运动重定向中重要特征的方法： p o p o v i e t l ”通过人机交互来简化人体模型：s a f o n o v a t 2 0 1 利用主分量分析技术处理 运动捕获数据，能够合成物理上真实的运动， 2 2 2 运动连接 运动连接将两段不同的运动序列拼接成一段连续的运动序硎( 见图2 - 3 ) 。经 过拼接的运动应流畅自然过渡要平靖。如果两段运动的首尾帧比较相似，则通 过简单的线性插值就能实现较为平滑的过渡效果；如果首尾帧之间的差别比较 大实现平滑过渡则是一件十分用难的事； 针对上述问题s e h o d l 口”等人首先提出了视图纹理的概念这种方法可以寻 找一系州图片帧之间的相，乏性，从而实现从一个很小的图片库中整合图片生成多 个图像。k o v 一”i 将这一概念应用到角色动画中，他的方法将一些小的运动片段 连接起来生成一串连续可控制的运动帧。g l e i c h e r t 2 3 1 提出了一种插值算法，可以 在相似帧之间插入新的运动数据宴现两段运动之问的过渡。r o s e t l 2 1 等人将时空约 束同逆向运动学约束相结台实现两段运动之间的平滑过渡用户可以对运动数据 进行编辑操作。但是这种方法较为复杂，且需要较多的用户交互。 黧嚣瑟i “厶 图2 - 3 走路与跑步之间的甲滑连接“1 麟 第：幸运动编辑综述 2 2 3 运动路径编辑 运动路径是帆运动中抽象出来的一个特征。运动路径编辑的概念培早由 g i e i e h e 一2 ”提出，叩改变捕获到的运动数据使其沿着新路弪运动，新生成的运 动应尽量性留原始运动的重要属性。例如，将直线运动改变成曲线运动( 见图 2 4 ) 或将普通的沿直线行走的运动编辑为躲避障碍物的行走运动。 图2 4 编辑走路运动的运动j = ； 径。左图为腺姑运动，右图为编辑后的运动 为了保持原始运动的些必要的属性，庄编辑过程中可以通过使用基于约束 的方法。g l e l c h 盯【2 5 埋出的路径变换方法自动识洲日的足部位置约束由用户人 工设定新的足部位置约束。这种方法增加丁用户的工作量度工作难度，而且不适 于弯腰抬物等运动片断。b m d i g a n a v a l e l 2 6 1 使用了一种足部位置约束条件自动生成 的方法，但这种方法无法保证其可靠性， 由于运动路径编辑且有广泛的应用性，目前国内外很多学者致力于路径变换 算法多方面的研究。如将物理约束引入到路径编辑方法中，保征运动的物理真实 性，优化了求解性能。 2 2 4 运动变形 运动变形思想最早由p o p v i c 和v 忻t k i n l 2 1 提出，与b r u d e r l i n 和w i l l i 脚l 3 1 提出 的位移映射方法一样都是基于数据曲线的运动编辑技术 该方法认为运动是由一系列的运动曲线组成，每条曲线是角色上的某参 数值对时间的函数f 见图2 - 5 ) 。 第二苹运动编辑综述 连三毫三b 枣弓芍；态。z 玫 三_ = 圈2 - 5 走路运动片段的运动曲线 在w i t k i n 2 的方法中，由用户定义一系列关键帧约束，这些约束用来产生平 滑的变形并且保持原始运动的特征。通过对参数的曲线的覆盖和融台，我们可以 将多个运动片段整台。这种方法的缺点在于对于非关键帧缺乏有效的约束和控制 能力。l e e s 1 等人提出的一种分层交互编辑运动数据的方法对上述问题有所改进， 这种方法使用b 样条曲线逼近技术，能够改造已有的运动数据，使运动满足一 系列约束。 图2 - 6 网球运动中正手击球运动序列中的帧( 绿色部分) ，蛆及通过运动变形算法犏辑后 的运动序列( 红色和蓝色) 2 1 2 2 5 运动融台 运动混合就是将身体某部分的运动替换成另一段运动中的对应部分2 ”，如 有一段行走的运动a 和一段打电话的运动b ，将a 的手臂运动营换为b 的手臂 第一幸运动编辑综述 运动，得到了边走路边打电话的运动片段；或将两段运动进行多目标插值来创造 出新的运动，如将走路运动和摔倒运动进行插值得到边走路边摔倒的运动片段 ( 见i 剖2 - 7 ) 。r o s e ”等采用多分辨率插值技术将多个远动片段混合起来乍成新的 运动片段，能够处理简单的融台操作w i l e y 5 1 与g u 0 1 2 8 则是对时域空间r 不同 运动数据的参数坐标值进行插值，从而获得更多混台的运动数据。 走路运动 伸l 挥倒运动 0 ) 将两段运动融台，宴现边走路边掉倒的技果 图2 7 将走路】动与摔倒运动融台，实现边走路边摔倒的效果 第三章手部运动重定向 3 1 引言 第三章手部运动重定向 手是人体中最灵活的器官，是人体与外界环境直接交互的媒介。手部运动是 是肢体语言的重要组成部分，在计算机三维动画中，复杂而细腻的手部运动传达 着丰富的思想和含义。由于手部的骨骼结构十分复杂，并且与外部环境和人体的 其它部分有较多的交互，要模拟自然流畅的手部运动比模拟四肢的运动更加困 难。因此，我们存本文着力研究重用手部运动数据的方法。 作为种重要的运动编辑技术，运动重定向是指把捕获到的或已有运动数据 应用于不同的角色模型中，同时保持原有的运动特征。有关基于约束的运动重定 向算法，过去已有很多国内外学者贡献了相关的研究成果。g l e i c h e r t 刀将时空约 束的思想应用到了运动重定向中，该方法将重定向问题定义为目标方程，将需要 满足的约束定义为约束方程，重定向算法即在整个运动片段内采用优化的方法求 解新的运动。这种方法保证了生成运动的连续性，但由于求其计算复杂度高，并 不适用于较长的运动片段。l e e 8 】等结合层次b 样条技术，采用逆向运动学求解关 键帧的姿态。这种方法可以保持原始运动的特征，但关键帧求解可能会破坏运动 的连续性。c h o i 3 0 】等人将原始运动中每一帧的末端效应器的空间位置设定为强制 约束，采用逆向率控制技术实时地求解新的运动姿态这种方法由于每次只求单 一帧的优化解，其计算速度可以达到实时，但有可能造成关节角度变化不连续的 现象。为了改进上述问题，杨熙年【3 l 】等人设计了末端效应器调适机制，并使用逆 向运动学的方法求解中间各关节点的旋转变化值，但这种方法改变了运动细节， 可能会导致破坏人体运动的动力学属性。 近年来，一些学者提出了基于物理约束的运动编辑算法。p o p o v i c 和w i t k i n t l 4 】 简化了模型的几何造型，利用时空约束动力学方程保留了原始运动的物理属性。 但同时这种方法的计算十分复杂，只适用于一些简单的运动。 实际上，物理学提供了许多实用而详细的约束，但与其他方法相比基于物理 约束的运动编辑技术并没有得到很好的利用。针对手部运动这类复杂而特殊的运 动，本文采用了物理约束的思想，将碰撞检测应用到运动重定向中，以消除手穿 透物体或悬空等失真现象。 本章首先根据人手的生理结构，创建了符合运动学规律的手模型。为了使手 部运动更加真实，在运动重定向的过程中，我们还对目标手模型施加了内部约束， 1 2 第三章手部运动重定向 即由手部生理结构决定的关节活动范围，避免出现违背真实世界运动规律的动画 效果。 为了消除手穿透物体或手悬空等失真现象，本文提出了基于碰撞检测的运动 重定向算法。该方法将源模型的运动数据按骨骼长度的比例映射到目标模型上， 对手部模型的各个指节与外部物体做包闸盒碰撞检测，再根据碰撞检测的结果调 整数据，最终使重定向后的运动满足约束条件。 3 2 手部模型的建立 手足人身体上构造最复杂的部分，能够完成几千种精密工作。与其他生物的 类似部位相比，人的于最灵活，能完成的动作最多。本节我们重点讨论人手的解 剖学特征及其建模方法，动物的爪子结构与人于类似或比人手结构更加简单。 人手是一个多关节运动系统，由2 7 块骨骼和1 7 个关节组成，人手的骨骼模 型及其各部分名称如图3 1 所示。其中包括五个手指，分别为拇指( t h u m b ) 、食 指( i n d e x ) 、中指( m i d d l e ) 、无名指( r i n g ) 和小指( p i n k y ) 。拇指的三个指节自上向下 分别为远端指节( d i s t a lp h a l a n x ) 、近端指节( p r o x i m a lp h a l a n x ) 和掌骨 ( m e t a c a r p a l ) 。拇指的三个关节分别为连接远端指节和近端指节的关节i p 、连 接近端指节和掌骨的关节m c p 以及连接掌骨和腕骨的关节t m 。其余四个手指 的三个指节自上向下分别远端指节( d i s t a lp h a l a n g e s ) 、中间指节( m i d d l e p h a l a n g e s ) 和近端指节( p r o x i m a lp h a l a n g e s ) 。三个关节为连接远端指节和中间 指节的关节d i p 、连接中问指节和近端指节的关节p i p 以及连接近端指节和手掌 的关节m c p 。 人手的动力学模型共有2 7 自由度。手指的局部运动共有2 1 个自由度，其中 拇指5 个自由度，其它四指各4 个自由度。手腕的外展、腕的曲度、掌的弧度等 全局运动共有6 个自由度，但由于我们研究的是手部的局部运动，因此这6 个自 由度可以忽略。 为了区分各个手指的关节和指节，我们对该手模型设置特殊的命名方式，即 在关节的名称前加上手指名称的首字母，在指节的名称缩写前加上手指名称的首 字母。例如，拇指( t h u m b ) 的i p 、m c p 及t m 关节分别命名为ti p 、tm c p 和tt m ，无名指( r i n g ) 的d i p 、p i p 和m c p 关节分别命名为rd i p 、rp i p 和rm c p 。拇指的远端指节( d i s t a lp h a l a n x ) 、近端指节( p r o x i m a lp h a l a n x ) 分别命名为t - d p 、t - p p ，咐旨( m i d d l e ) 的远端指节、中间指节( m i d d l ep h a l a n g e s ) 和近端指节分别命名为m d p 、m m p 和m p p 。掌骨与手腕之间的关节命名为 c a r p a l s 。 第二荦于部运动重定向 pd p p d i p p 、口 p - p i v p p p p - m c p p 、 图3 - 1 人手骨骼模型 为建点台适的关节运动模型，必须对手部骨骼模型中相连的各指节咀及这些 指节之间的运动连带关系进行描进。我们采用一种层次化的角色关节运动捕述方 法，把运动关节模型看成是棵树，将关节看成点。将关节之间的指节看成是链， 就可以按照运动关系将各个手指和关节链接起来；在于模型的树状结构( 见幽 3 - 2 ) 中，c a r p a l s 关节为根节点，设定靠近c a r p a l s 关节的五个关节为父节点， 连接存父节点之下的关节设定为子节点。例如，t - t m 关节为c a r p a l s 关节的子 节点，同时它也是t - m c p 关节的父节点以此类推父节点运动时，会带动子 节点运动，但是子节点运动时父节点则不一定动。我们采用两类坐标系描述于 模型各荚节的运动- 固定在c a r p a l s 关节处的固定坐标系和附着在各关节点处的 运动举标系，后者是随着手掌的运动而运动的局部毕标系。 第二章手部运动重定向 】| f a d l l 。；。，。，；一 _ 。- _ 。_ _ 。_ 。一。_ 。- 。_ 。- 。一 h 叫e pr i i c p _ 三 ”i ” m d 1h 1 1 圈3 - 2 于模型的树状结构舀 3 3 手部运动的内部约束与失真现象 为了生成真实的手部运动尤其是八手运动，手部的解剖学特征是需要考虑的 一个熏要因素。我们给手部运动添加一系列的约束以防止生成失真的手部动作。 例如，手指向后弯曲的角度不能太大( 见图3 - 3 ) ，小指弯曲的同时无名指应有轻 微的弯曲。 图3 - 3 由于手指向后弯曲角度过太造成的失真现象 干 习主。一 第三章手部运动重定向 我们将基于手部生理结构的约束称为内部约束。内部约束可以分为两类，一 类是针对手指活动范围的约束，称为静态约束；第二类是手指运动的过程中施加 在关节上的约束，称为动态约束。 静态约束： 在本文中，我们只考虑在没有施加外力的情况下手指的活动范围。这类约束 可以用以下的不等式来表示： 0 o m c t f 9 0 0 秒尸，尸1 1 0 公式( 3 1 ) 0 o o m 9 0 - 1 5 目 f c p 剧1 5 这里，f 指弯睢t ( f l e x i o n ) ，a a 指外展和内收( a b d u c t i o n a d d u c t i o n ) 。由于中指极 少有外展和内收的运动，因此将此约束表示为： o m c p 一州= 0 公式( 3 2 ) 类似的，t m 关节也可以认为没有外展运动，将此约束表示为： 0 r ma a = 0 公式( 3 3 ) 动态约束： 这类约束是指当手指运动时施加在关节上的约束，可以进一步分为手指内约 束和手指间约束。手指内约束是指同一根手指上关节之间的约束3 2 1 。如通常状态 下的食指、中指、无名指和小指，当d i p 关节弯曲时，p i p 关节会同时弯曲。这 个约束可以用以下等式近似表示： 0 d n , ：2 0 胛 公式( 3 4 ) 3 手指问约束是指施加在不同手指关节之间的约束【3 2 1 。例如，当一个人弯曲食 指上的m c p 关节时，他会很自然地同时弯曲中指上的m c p 关节。 由于手部的生理结构十分复杂，还有很多无法用简单的不等式或公式表达的 内部约束。因此，我们在手部重定向算法中只应用了几种常见的内部约束。 1 6 第三章手部运动重定向 3 4 手部运动的外部约束与失真现象 由前述章节可知，运动重定向的原则是应尽量保持娘始运动的特征。手部足 人体最灵活的部分，也是与外界环境接触晟多的部分，人们需要用手触磁、抓取 物体。因此，当我们分析手部运动的特征时，应针对不同的情况进行考虑。 当手部与外界物体没有接触时，手的姿态是最重要的特征。而手的姿态是由 手指各个关节的自由度和弯曲度来决定的因此，针对此类运动重定向的关键是 如何正确地将运动数据映射到不同的模型上， 当手部与外界物体发生接触时，不仅要考虑手的姿态，更要考虑手与外部物 体之间的关系。例如，当我们将手抓握圆柱体这一动作重定向到骨骼长度不同的 手模型r 时，必须要保证目标手模型的手辈部分和手指与圆 ： ! 体有充分的接触t 没有悬空( 见图3 4 ) 和穿透( 见幽3 - 5 ) 现象+ 这是重定向必须要维持的约束。 而此时手指各个关节的弯曲度已静小是原始运动的重要特征为了保证不违反手 部与外部物体之间的约束这特征可以改变。 在这里，我们将手部与外部物体之间的约束称为外部约束。 图3 4 手部没有完牟捉到圆柱体上 第三带手部运动重定向 a l l , 圈3 - 5 下部巧曲过度进成的芽透现孽 3 5 手部运动数据重定向 为了显示手部动画并完成运动重定向，我们芹先采用正向运动学的方法建立 手部运动数据。正向运动学是种设置关节动画的有效方法，是指通过对关节旋 转角设置关键帧得到相关联的各个肢体的位置。我们可以通过x 文件获得每 个关节的初始偏移量、每一帧中每个关节的旋转矩阵，然后遍力整个手模型的树 状结构，获得每个关节在每一帧的位置矩阵。 对于根节点c a r p a l s ，通过x 文件可以获得其初始偏移矩阵m 。和旋 转矩阵m n ，则其第帧的位置矩阵m 一啦可由公式计算出来； 由于父节点的位置会影响到子节点位置的变化，因此对于其它节点不仅要获得其 初始偏移矩阵m t 二n 。和旋转矩阵m 还要获得其父节点的位置矩阵 m 隅。其位置矩阵m 可由公式计算出来： m t 皿= 0 山n m s m t x m r 。公式f 3 6 m 黼将作为下一帧的初始