（计算机科学与技术专业论文）古建动画自动生成中动作库中双人协同运动的采集与计算.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一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。 关于论文使用授权的说明 勘f 。fi 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：型壹导师签名：邀篓日期：二巫， 摘要 曼鼍曼璺皇曼鼍曼曼曼! 皇曼曼! 皇曼皇曼曼曼曼曼曼曼皇! 皇皇皇皇曼曼! 曼曼曼曼鼍曼曼曼! 曼曼皇! 曼曼! 皇! ! ! 曼曼曼曼曼! 曼! 曼曼曼皇曼曼寰鼍曼! 鼍皇 摘要 虚拟人运动合成技术一直是虚拟现实领域研究的难点和热点之一，也是数 字文化产业的核心技术之一，该技术在影视动漫、三维游戏、安全预演等诸多 领域具有广阔的应用前景。在古建动画自动生成系统中，就要求有逼真的运动 效果，而且需要灵活的控制虚拟人的运动路径。本文针对这些应用需求，深入 研究了基于运动图的运动合成方法，构建了运动图并进行了运动图的应用。 本文利用动作采集设备，采集了大量的双人抬木棍运动作为实验数据，这 些数据构成了一个规模较大的动作库。以往的运动图方法都是应用于单人的数 据，没有基于双人协同运动的运动图方法的研究。根据双人协同运动的特点， 采取了一些不同于一般运动图的方法。 本文研究了如何利用运动捕捉数据建立运动图，以及在运动图上搜索并合 成新运动的方法，并实现了一个能够对运动捕捉数据建立运动图和在运动图上 搜索的系统。运动图利用原始运动数据计算运动片段的跳转点，然后通过在图 上遍历来生成新的运动。与其他的运动合成技术相比，利用运动图合成运动具 有能够保持原运动的真实性，避免传统合成方法带来的失真和变形，同时又能 够让用户控制运动角色路径的优点，这在一些需要交互的应用中是十分重要 的。 本文前两章介绍了古建动画自动生成技术的现状以及一些常用的运动数 据的处理方法和运动数据的文件格式。第三章和第四章建立了双人抬木棍运动 的运动图，并利用运动图，实现了指定运动路径的运动数据的生成。利用m f c 编写了实验所需要的软件环境。 关键词古建动画；运动捕捉；动作库；运动图；运动合成 北京1 = 业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t v i m l a ln l i 工l a nm o t i o ns y i l t l l e s i st e c ：h n 0 1 0 9 yi sad i f ! f i c u l ta 1 1 dh o tr e s e a r c h6 e l di 1 1 v i n i m lr e a l i t y ，a n di so n eo f l ec o r et e c h n o l o 百e so fd i 西t a lc u l t u r ei n d u s 仃y t h e t e c h n 0 1 0 9 yh a saw i d ea p p l i c a t i o np r o s p e c ti i lf i l ma n dt e l e v i s i o n 幽a t i o i l 3 d g 锄i n g ，s e c u r i t ya i l dm a n yo m e rf i e l d s 1 1 1 也ea i l c i e i l ta r c b j t e c t i l r ea u t o m a t i c a l l v g e n e r a t e da n j m a t i o ns y s t e m ，i tr e q u i r e sar e a l i s t i ce 毹c t ，a n dt l l em o t i o np a 曲c o u l db e c o n t r o l l e d a c c 0 r d i n g t om e s er e q u i 瑚n e n t s ，w e d e 印l ys 眦i e dm em o v e m e n t s ) ，1 1 血e s i sb a s e do nm o t i o n 黟a p h ，a 1 1 dw eg e i l e r a t e da m o t i o n 蓼a p h w eu s e dt h em o t i o nc a p t u r ed e v i c et oc o l l e c t eal o to fm o t i o n ( 1 a t am a tt 、v om e n c a r r i e daw o o d e ns t i c k t h e s ed a ：t ac o n s t i t i n ea1 a r g e s c a l em o v e m 髓t sd a t a b a s e p r e 访o u sm 砒o d sa p p l i e dt om o t i o n 铲a p ha r eo i l l ya p p l i e dt os i n 酉em a i l sm o t i o n d a t a ， t l l e r ei sn oc o o r d m a t e dr e s e z u f c hb a s e do nt w om e n sc o o p e r a t i v em o t i o n a c c o r d i n gt o t l l ec h a r a c t e f i s t i c so f 俩om e n sc o o p e r a t i v em o v e n l e n t s ，w et o o kan u m b e ro fw a y s 砌c hi sd i 行爵e 1 1 t 劬mt h eg e i l e r a lm o t i o n 蓼a p ht og e n e r a t em o t i o n 伊a p h t b j sp 印e rf o c u s e san e wm e m o dm a th o wt 0u s em o t i o nc a p t u r ed a t at 0e s t a b l i s ha c a m p a i 印m a pa 1 1 ds 脚h e t i z en e wm o v e m e n tb ys e 疵h i n go n 也em a p ，a 1 1 dr e c e i v e sa s y s t e mw 1 1 ic _ hc o u l di n l p l 锄e n tm ep r o c e s s b yc o m p u t i n g 也ej u m pp o i 】眦so fm e m o v e 工1 1 e n ts e g m e n t s ，t h em o t i o nd i a 舒a mc a nc r e a t en e wm o v e m e n t sw i m o d 西n a ld a t a c o m p a r e dt 0o m e rm o v e m e n ts y l l n l e s i st e c l l l l o l o g y ，1 eo n eu s i n gm o t i o nd i a g r a m c o u l dm 血t a i nt 1 1 eo r i 百n a lp a t t 锄o fm em o v e m e n t ，a v o i dt 1 1 ed i s t o r t i o nc a u s e db y s y n 也e t i cm e m o d sa n dd e f o 册a t i o n ，a n da 1 1 0 wu s e r st oc o n t r 0 1 l em o v e m e n tp a m i ti s r e a l l yn e c e s s a 巧i i lm ei n t e r a c t i v e 印p l i c a t i o n s 1 1 1 ef i r s tt 、o c h 印t e r si n 仃o d u c ea n c i e n t b u i l d i n g sa u t o m 撕c a l l yg e n e r a t e d a n i m a t i o nt e 出1 0 l o g ys t a t l 工sa i l dm o v e m e i l to fs o m ec o m n l o m yu s e dd a t ap r o c e s s i 工1 9 m e m o d sa n de x e r c i s ed a t af i l ef o m l a t c h a p t e r si i ia i l d e s t a b l i s hm ed o u b l el i rs t i c k m o v e m e l l tp l a nm o v e m e l l ta n du s em o v e m e i l td i 明阳mt 0r e a l i z e 也es p e c i f i e dm o t i o n p a t l l o fm o v e r 1 e 1 1 td a t a g e n e r a t e d a n d c o m p o s e s m ee x p e m e n t a ls o 胁a r e e n v 拍m n e n tb yu s i n gm f c k e y w o r d sa n c i e n t 加m t e c t u r e “m a t i o n ；m o t i o nc a p t u r e ；m o t i o nd a t a b a l s e ； m o t i o ng r 印h ；m o t i o ns y i l 廿1 商s n i 北京工业大学工学硕士学位论文 目录 目录 摘要i a b s t r a c t ii l 第1 章绪论1 1 1 计算机动画l 1 2 计算机辅助动画自动生成l 1 2 1 古建领域应用动画自动生成技术的意义2 1 2 2 古建筑领域动画技术应用的研究现状3 1 3 在古建动画中双人运动的研究意义4 1 4 本文的主要工作5 1 5 论文组织结构5 第2 章角色动画运动生成方法综述。7 2 1 虚拟人建模及运动数据表示7 2 1 1 虚拟人建模。7 2 1 2 人体运动的表示方式8 2 2 三维人体运动生成方法9 2 2 1 基于关键帧的方法9 2 2 2 基于运动学的方法1 1 2 2 3 运动捕获方法1 3 2 2 4 各类方法的比较1 4 2 3 基于运动库的运动生成1 4 2 3 1 运动纹理1 5 2 3 2 运动图16 2 3 3 统计学模型1 6 2 4 运动捕捉数据分析1 7 2 4 1b v h 骨架描述部分18 2 4 2b v h 运动数据部分：2 0 2 4 3b v h 运动数据的处理21 2 4 4t r c 文件的结构2 4 2 5 本章小结2 4 第3 章建立双人运动图2 7 3 1 运动图简介：2 7 北京工业大学工学硕士学位论文 3 2 建立运动图2 7 3 2 1 本文所采用的数据的格式2 7 3 2 2 图的结构和建立的步骤2 8 3 2 3 计算跳转点3 0 3 2 4 选择跳转点3 2 3 2 5 运动图的修剪3 3 3 2 6t f 6 l i u a n 算法3 4 3 3 本章小结3 9 第4 章基于运动图的运动搜索与合成4 1 4 1 生成随机运动4 l 4 2 生成沿着指定路径的运动：4 l 4 3 合成运动的算法描述4 2 4 4 实验结果。4 4 4 4 1 软件环境4 4 4 4 2 生成随机运动4 5 4 4 3 生成指定路径的运动数据4 6 4 5 本章小结4 7 结论4 9 参考文献5 1 攻读硕士学位期间发表的学术论文5 6 驾【谢5 9 第1 章绪论 1 1 计算机动画 第1 章绪论 2 0 世纪9 0 年代开始兴起的运动捕获技术极大地方便了计算机动画创作， 尤其是三维动画创作。三维计算机动画技术分为关键帧动画、变形物体的动画、 过程动画、关节动画和人体动画及基于物理的动画【l 】。计算机动画的研究课题 包括动画硬件和软件、计算机辅助动画、绘画系统、动作控制、关键帧动画、 图形模拟、基于力学的动画、合成角色、动画中的图像r e n d e r 、动画语言和系 统、动画者界面、电影实例研究、路径规划、三维医学图像、分子图形学、飞 行模拟器、语音合成、视频动画、应用于计算机动画的传统动画技术、科学可 视化中的动画、工程中的动画、基于人工智能的动画、动画中的机器人学方法、 特殊效果、实时动画、录像录音技术、场景制作、故事图板生成、数字化音乐 和声音等等，其中基于人工智能的动画研究如何将人工智能技术用于计算机动 画，从而提高动画制作的自动化程度和智能性【2 】。 至今，基于运动捕获数据的计算机动画创作已经成为三维动画创作的主 流。人体运动捕捉是指利用传感设备捕捉人体运动时各关节在物理空间中的位 置和方向，然后将这些信息以计算机可以处理的形式记录下来，以便运动分析 或生成逼真的运动动画。 随着计算机在三维角色动画的大量应用，建立庞大和复杂的动作数据库用 于角色动画的制作已经逐渐成为动画产业不可阻挡的趋势【3 】。迅速增长的动作 数据给动画师提供了丰富的创作素材，同时也具有难以管理和控制的特点。 三维角色动画作为多媒体技术的重要组成部分，近年来已经成为计算机图 形学、虚拟现实、智能人机接口等领域的热点研究问题。目前它们被广泛应用 在计算机游戏、电影特效、运动员或士兵训练辅助系统，医学辅助分析( 如研 究一个患者的步态来判断伤情是否恢复) 以及器械辅助设计( 如论证设备使用 方便性) 等等众多应用中。随着可视化媒体和人机交互技术突飞猛进的发展， 我们相信三维角色动画会具有更加广阔的应用前景。 1 2 计算机辅助动画自动生成 借助于当前成熟的动画制作软件及运动捕捉、群体动画、行为动画、基于 物理的动画等先进的动画技术，计算机动画在后期生成时提高了制作效率【】， 但并不能从本质上简化动画片的制作工序。为了进一步提高动画的制作效率， 北京工业大学工学硕士学位论文 中科院陆汝钤院士在9 0 年代提出了全过程计算机辅助动画自动生成技术【2 】【7 1 ， 它是将电影艺术、人工智能技术和图形学技术引入动画生成的全过程，以底层 图形学技术为支撑，在上层运用人l 工智能技术以及电影艺术实现的一个全新的 领域。整个过程是一条动画片生产自动化的技术路线，用一个适当的故事，以 受限自然语言的形式输入到计算机里，直至最终生成动画片，其间每一步都是 在计算机辅助下完成的。 应用全过程计算机辅助动画自动生成技术的第一版动画系统天鹅【2 】已 在1 9 9 5 年实现，运用该系统制作的动画片三兄弟曾在中央电视台播放。但 天鹅系统仍然存在缺陷和不足，因此陆汝钤院士于2 0 0 3 年筹建了北京工业 大学动画自动生成项目组，在原有的基础上重新设计了全过程动画自动生成系 统。系统分为定性和定量两层，定性层给出动画的抽象描述，输出动画定性描 述语言a d l ，特点是可读、方便修改，可以人工干涉生成动画片。而定量层则 给出动画的具体信息，输出动画定量描述语言c a l ，特点是包含了动画的全部 定量信息，可读性不强，只适应于系统开发人员对最后的动画进行修改。这一 技术的应用，可以大大缩短动画制作周期、减少成本，在动画片、网络、游戏 等领域都有很大的应用潜力。 1 2 1 古建领域应用动画自动生成技术的意义 据调查统计，我国现存各类古建筑及历史纪念建筑物多达8 万处以上，这 不仅是中华民族的宝贵遗产，也是世界建筑艺术的瑰宝和人类最优秀的文化遗 产之一，是不可再生的特殊资源，做好保护工作意义十分重大。伴随着信息技 术的广泛渗透，虚拟现实o 】等技术开始在文物保护修复中发挥重要作用，在 当前的古建筑保护修复工作中，古建筑建造和修复过程的动画模拟发挥关键作 用【1 1 ，1 2 1 。 。 本课题以信息技术在古建筑保护、修复、宣传和教育中应用为立足点，针 对我国古建筑保护修复技术及传统工艺发展过程中急需解决的难点、热点和瓶 颈问题，开展古建筑三维快速建模、古建筑建造和修复场景动画自动辅助生成 等内容的研究。如何利用三维动画技术【1 3 ，1 4 】重现、解读、研究古建筑技术，把 科学教学和文化欣赏结合起来，把历史真实和虚幻演绎结合起来，这不仅对于 高质量地完成本课题是必要的，而且可以成为其它方面类似工作的范例，例如 古的农业、水利、畜牧、冶炼技术均可用此手段建立文化档案 1 5 ，1 6 】。 中国古建筑文化源远流长，其严谨的结构【1 刀、庞大的气势、精妙的榫卯【1 8 1 9 】 一直是世人津津乐道的话题。而以现在主流的途径来看，古建筑的资料主要还 是以图片书籍两大类媒介为主，绝大多数都是文字和图片，数字化的程度很低。 第1 荦绪论 认知科学和心理学的研究表明，人们在获取信息时，从图像获取的信息要大大 超过从文字获取的信息。一幅图像承载的信息量是一篇文字承载的信息量的许 多倍。动画像电影一样，集文字：图像、声音以及它们的运动变化于一身，其 作用是其他信息媒体不可替代的。但是动画又胜于电影，因为电影虽然有各种 拍摄技巧，而动画却有一般电影所没有的表达虚拟空间的优点，可以展现电影 摄像机拍摄不到和表现不出的情景，例如，各种时空虚拟变化的展示只有动画 能够做到。现在的人们已经远离古，单看文字说明难以理解古建筑工艺的精湛 高深和宏伟场面，单看画面也难以想象建筑过程的复杂困难和精巧技艺。利用 动画再现古建筑技术，对专业建筑师来说是一套生动的教学资料，对人民大众 来说是一份供欣赏和学习的动漫作品，对文物管理专家来说是保存和研究古建 筑工艺全貌的有效手段，对宣传部门来说是向国外宣传我国博大精深的古建筑 文化的有力工具。 1 2 2 古建筑领域动画技术应用的研究现状 目前，在中国古建筑动画领域，也已经开展了一系列的研究工作，在宫殿 建筑、古建筑斗拱方面都有了比较深入的探讨。像东南大学建筑学院研究生的 研究成果演绎唐宋建筑系列就是以计算机动画技术为主，虚拟中国古唐宋 经典建筑，包括建筑的主体结构的部件级搭建过程，经典斗拱的部件级搭建过 程；日本凸版印刷株式会社为故宫制作的三维虚拟故宫重建天子的殿堂， 是以、佩m l 技术制作的，以通过遥控器，从任何方位、全视角地欣赏故宫中的 稀世珍品。“数字故宫 是先用计算机构建出故宫三维模型，再用数字相机采 集故宫实物景观，并按图索骥将它们“粘贴 在模型上进行合成的数字作品。 类似这样的研究还有不少，主要都是根据古建筑的三维空间图纸，进行模型建 模，然后借助三维工具的辅助，手工完成模型的动画效果，这些都是主要依据 3 dm a x 、像m l 等动画及虚拟现实软件来开发完成，底层动画技术已经相对较 为成熟。 但上层方面，由于国际上这方面的研究多偏于实际应用领域( 如3 d 虚拟现 实漫游或3 d 模型重构等) ，所以基本没有涉及到直接从古建筑形制的类自然语 言描述【2 0 ，2 1 1 到古建筑搭建动画自动生成这方面的技术研究【2 2 】，可以做参考目前 只有中科院陆老师的全过程动画自动生成技术。可以说，本课题是全过程计算 机辅助动画自动生成技术在特定领域的应用，在细节上有所简化而在专业深度 上有所增加，通过不同建筑形制来研究建筑部件的核算规律、古建筑的搭建顺 序，同时保证系统的通用性、严谨性、高效性三大要求，来满足特定领域的需 要。 lii。- 北京工业大学工学硕士学位论文 皇曼曼! 曼曼曼! 皇曼曼量寰曼曼曼曼! 曼曼! 曼舅曼! 曼曼! ! 舅詈曼! ! 曼曼詈鼍寰曼皇曼曼曼曼曼曼! 曼! 曼曼曼皇蔓曼曼皇曼! ! 曼曼鼍曼! ! ! ! ! 曼曼 。 1 3 在古建动画中双人运动的研究意义 尽管有一些三维角色动画带有夸张变形手法，但真实感仍是衡量三维动画 质量的重要尺度：逼真自然的动画效果会使应用更符合人们认知心理，具有更 好的沉浸感。而要做到逼真自然的角色运动效果并非易事。一方面，人体是一 个极其复杂的结构，通常表示人体骨架需要近百个自由度。而人体的运动又涵 盖广泛，细微到一个耸肩，剧烈如高空弹跳。另一方面，人的眼睛每天观察成 千上万个人的运动，对人体运动的细节明察秋毫。人们往往能够根据一个人步 态从相距很远处就认出熟悉的人。因此人眼对任何运动异常是非常敏感的，要 使生成的运动能够“骗”过人眼，无疑是一个很具挑战性的课题。生成逼真的 角色动画的挑战性不仅仅在于某个单一动作的逼真性，更在于多个动作的有机 结合的逼真性。比如在某个动画电影中，虚拟角色需要按照导演的意图做出不 同的动作；在游戏中，需要根据地形路径等等外界因素采取不同的运动方式； 运动捕获方法目前已经逐渐替代传统的关键帧和物理仿真方法，成为人体 运动数据的主流来源。该方法的实质是记录下真实人体的运动数据并以此驱动 虚拟角色，从而实现逼真自然的动画效果。一般而言，只要是人体的正常活动 范围，运动捕获方法都可以采集到高逼真度的运动数据。因此该方法已经成为 动画制作和视频游戏业的标准方法。但是由于运动捕获的本质是重放已记录的 运动，可控性不佳，使得运动捕获方法难以满足交互应用。比如在虚拟环境中， 虚拟角色应当能够根据环境要求和用户指示，按照不同的速度、路线做出行走、 跑跳、避障等相应的动作。人们不可能事先采集好所有情况下的运动数据，指 望运动数据库包含所有可能的走路跑步跳跃数据显然是不切实际的。那么如何 让一个有限的运动库可以适应各种情况呢? 逐帧直接编辑运动数据的想法难以 付诸实施，因为几秒钟的动画涉及上千个参数，参数互相间的耦合又十分复杂， 直接编辑它们就好像是对一段视频修改各个象素的颜色值，工作量大，而且效 果差。相反，通过有效地组织运动库，提高运动数据的可重用性，然后根据用 户需要，自动地生成所需的新运动，这样的技术思路逐渐成为研究者聚焦的研 究热点。 实验室有运动采集设备，但是收到采集设备场地的限制，只能采集活动范 围很小的运动。运动路径稍微长的运动都无法采集。可以利用动作库的运动图 方法，生成需要的运动数据。在古建动画中，双人抬重物的动作是比较常见的 动作。生成沿指定路径的双人运动数据，可以在古建动画中得到很好的应用。 i 第1 章绪论 1 4 本文的主要工作 本文使用动作捕捉设备，采集了大量双人抬木棍的运动数据，这些运动数 据构成了一个小型的动作库。双人抬木棍行走，能够丰富古建动画自动生成中 的动作。本文深入研究了在运动合成领域使用较为广泛的运动图方法，详细的 介绍了运动图方法的各个步骤和处理方法。并结合双人运动的特点，将运动图 的方法应用到双人运动数据。本文编写了双人运动自动生成系统，能够生成沿 随机路径行走的双人抬木棍运动和沿指定路径行走的双人抬木棍运动。该系统 能够读入t r c 格式的运动捕捉数据文件，利用运动捕捉数据构造运动图，利用 运动图进行运动搜索与合成，最后生成满足要求的t r c 文件。 1 5 论文组织结构 本论文的整体结构如下： 第1 章，对计算机动画和古建动画自动生成技术进行了概括性的介绍。 第2 章，对一些运动合成和运动编辑方法进行了介绍，并介绍了一些运动 数据的文件保存格式。 第3 章，详细介绍了建立运动图的方法。 第4 章，对建立的运动图进行应用，并介绍了为本论文编写的运动合成软 件，并展示了实验结果。 结论总结了本论文的工作，总结了使用运动图方法进行双人协同运动计算 的特点，并对以后需要做的研究进行了展望。 北京工业大学工学硕士学位论文 第2 章角色动画运动生成方法综述 第2 章角色动画运动生成方法综述 三维角色动画的生成主要是指三维虚拟角色，特别是虚拟人或类人角色的 运动生成。本章将全面回顾计算机动画领域人体运动生成与分析领域的前人工 作。为了叙述的方便，我们首先在第一节介绍了虚拟人建模及运动数据的表示； 接着综述了目前各种运动生成方法，重点回顾了基于运动捕获数据的运动编辑 和运动生成方法，并简要分析了三维运动生成的关键帧交互界面的相关工作， 并在此基础上比较了各类已有方法的优缺点。 ： 2 1 虚拟人建模及运动数据表示 2 1 1 虚拟人建模 相信看过超人特工队的观众一定不会对其中栩栩如生的虚拟人陌生。 所谓虚拟人，是指各种由计算机生成的三维的人的形象。虚拟人建模，是指虚 拟人在计算机生成空间中的几何表示，其目的是在计算机生成空间中创建虚拟 人的计算图形模型，表示虚拟人在虚拟环境中所占据的几何空间，且其几何表 示必须满足三维虚拟人在外观与行为特性等方面的逼真性要求。 为了使虚拟人形象逼真且便于驱动，现在多采用一种分层的方法【z 列来表示 虚拟人。在这种表示中，一个虚拟人模型由基本骨架( a r t i c u l a t e ds k e l e t o n ) 、肌肉 层( m u s c l e ) 和皮肤层( g e o m e t r i cs l 【i n ) 组成，有时候也加入一层服饰层，表示虚拟 人的头发、衣服等人体装饰物品。其中的基本骨架由关节确定其状态，决定了 人体的基本姿态。肌肉层确定了人体各部位的变形，皮肤变形受肌肉层的影响， 最后由皮肤层确定虚拟人的显示外观。 现在已有两个重要的国际标准v r m l 和m p e g 4 都支持虚拟人的表示： 1 ) v r m l 中的虚拟人表示 v r m l 是一种虚拟现实建模语言m n u a lr e a l 时m o d e l i n gl a i l g u a g e ) ，它主 要是用于在i n t e m e t 上表示并传递三维虚拟场景和虚拟物体。虚拟人是虚拟现实 中的主要对象，为了支持不同环境创建的虚拟人之间的相互操作与共享，v i 洲l 中有一个专门的子标准描述虚拟人模型，称为h 觚m ，该标准完全遵循v i 蝴l 的语法。h a n i m 中使用三类节点( n o d e ) 表示一个虚拟人体模型：人体重心 ( h u m a i l o i n ) 、人体关节( j o i n t ) 和人体骨骼段( s e g m e n t ) ，并把整个人体分成1 个 人体重心、7 7 个关节和4 7 个骨骼段。另外，还使用v r m l 中的几何模型表示 方法定义了每个肢体( 即骨骼段) 的几何模型。每个骨骼段( s e 肿e n t ) 的位置都在 北京工业大学工学硕士学位论文 其所在的关节，而每个几何模型依附于相应的骨骼段，这些元素组成一个完整 的虚拟人模型( 洲l 中称这些元素为节点n o d e ) 。 虚拟人的骨骼段之间由关节相联，人体重心、每个骨骼段以及关节的运动 会影响到与它相联的其他节点的状态。例如，人体重心的运动影响全身关节的 运动，而肩关节的运动将影响整个手臂关节的运动。事实上，h “m 将整个人 体各部分之间的关系表示为一棵树，以人体重心为根结点，以关节为节点，以 骨骼段为边。 2 ) m p e g 4 中的虚拟人表示 m p e g - 4v e r s i o n2 中开始提供对b o d yo b j e c t 的支持。i s o i e cj t c1 s c 2 9 w g1 1 n 2 8 0 2 对人体的定义是这样的：“人体模型( ab o d ym o d e l ) 是虚拟人或 类似角色的表示，可以描述人体运动，实现非语言交流，并实现一般人体行为。” m p e gb o d y 由一组节点( n o d e s ) 组成，其顶层节点b o d y n o d e 至少包括两个子节 点：表示人体运动的参数( b o d y a n i m a t i o np a r 锄e t e r s ，b a p ) 和表示人体模型定 义的参数( b o d yd e f i n i t i o np 觚吼e t e r s ，b d p ) ，如图2 1 所示。 r e d 图2 1m p e g 人体结构【2 2 】 f i g u r e 2 - lh u m 蛐b o d ys t r u c t u r e0 f m p e g 1 n 1 1 人体运动参数b a p 包含2 9 6 个描述虚拟人骨架拓扑结构的参数，这些参数 可以应用于m p e g 4 兼容的虚拟人体，并生成相同的虚拟人运动。 2 1 2 人体运动的表示方式 人体模型可看成是由一系列连杆 厶，厶，厶，厶) 【2 4 1 通过关节顺次相连的 运动链，即骨骼层，在骨骼层上加上肌肉和表皮( 服饰) 就构成了常用的人体模 型。 劣器筒丹 t ， 笙口露日口ol_菩嗜口 号廊w儿 第2 荦角色动【田i 运动生成方法练述 在这一系列连杆中每个关节都有且仅有一个父关节，并且每个关节的运动 都是相对于父关节定义的相对坐标系。只有一个关节例外，就是根关节( r o o t ) ， 根关节有6 个自由度，定义相对于世界坐标系的旋转和平移。 运动是随时间变化的函数，在每一时刻它的值是一个运动姿态。假设g 形) 表示 在t 时刻，第i 个关节在其父坐标系下的方向向量，则可用： m ( f ) = ( 最( f ) ，吼( f ) ，吼( f ) ) ( 2 1 ) 来刻画在时刻t 虚拟人的运动姿态，其中足( f ) 表示在t 时刻根关节( r o o t ) 在世界 坐标系中的位置，9 0 ( f ) 表示在t 时刻根关节在世界坐标系下的朝向， 吼( f ) o = 1 尼) 表示在t 时刻其他关节在其父坐标系下的朝向。某个关节在其父坐 标系下的朝向可以四元数、欧拉角或者旋转矩阵表示。 2 2 三维人体运动生成方法 目前的三维人体运动生成方法可以被分为三类：基于关键帧的，基于物理仿 真的和基于运动捕获的方法。本节将分别简要介绍各类方法的原理，并比较分 析它们的优缺点。 2 2 1 基于关键帧的方法 关键帧是一种常用的动画技术，其基本原理是首先获取制作动画序列中比 较关键的帧，而其他帧则根据时间用这些关键帧插值计算得到。最早的关键帧 概念来源于传统卡通动画制作。在早期的迪斯尼动画制作室，熟练动画师设计 卡通动画片中的关键帧画面，然后由一般的动画师来设计中间过渡帧画面。而 在计算机动画制作中，关键帧由动画师使用计算机辅助完成，而中间帧则由计 算机自动计算得到，计算机的插值运算替代了传统卡通片制作中的普通动画师。 在传统计算机动画中最基本且应用最广泛的方法之一就是关键帧动画家 技术，另外一种方法是样条驱动的动画。但无论是哪种方法，都需要对物体运 动轨迹进行参数化以避免等间隔采样所带来的运动不均匀性。为此，g u e n t e r 等人【2 5 】提出使用g a u s s 数值积分计算轨迹样条的弧长，并用n e 叭o n r a p l l s o n 迭代代替二分法来确定给定弧长点在曲线上的位置，进而采用查找的方法记录 参数点弧长值的方法来加速计算。在动画关键帧设计中，动画师需要经常调整 运动轨迹来实现不同的运动效果，因此交互速度是一个需要考虑的问题。w a 钍 北京工业大学工学帧士学位论文 等人【2 6 】利用前向差分加查找表的方法来提高交互速度。 此外，b r o n n a i l 等人【2 7 】还提出一种采用微分方程来描述物体运动的方法， 该方法结合经典力学原理将关键帧看成是一组约束条件，通过使能量和轨迹的 不光滑性最小来产生自然运动效果。为了解决插值过程中的时间控制问题， s t e k e t e e 等人【2 8 】提出采用运动样条和位置样条的方法来控制运动参数；k o c h a n e k 等人【2 9 】则提出一种适合于关键帧插值系统的三次插值样条，将关键帧处的切矢 量分成“入矢量和“出矢量”两部分，并引入张量、连续量和偏移量等参数 对样条进行控制。该方法的优点在于允许动画师在不调整关键帧的情况下对物 体的运动轨迹进行修整。 在涉及物体朝向的关键帧插值方面，研究者引入四元数概念。之所以不采 用传统欧拉角来表示物体旋转的朝向，主要是因为： ( 1 ) 欧拉角的旋转矩阵是不可交换的，所以要求欧拉角的旋转一定要按某 个特定的次序进行； ( 2 ) 等量的欧拉角变化不一定引起等量的旋转变化，从而导致了旋转的不 均匀性； ( 3 ) 欧拉角还有可能导致自由度的丧失。 为此，s h o 锄a k e 等人【3 0 】最早把四元数引入关键帧动画中，并提出用单位 四元空间上的b e i z e r 样条来插值四元数。但该方法对用户不透明，导致通过调 整元数对定点进行控制非常困难。d u f r 等人【3 l 】提出用b 样条方法取代b e z i e r 从使旋转过程更加平滑，但同样存在控制困难问题。此后，p l e t i n c k s 等人【3 2 】采 用位四元数空间上的4 点法曲线来插值四元数控制定点，很好的解决了四元数 参控制的问题。b a 等人【3 3 】提出一个采用四元数对带有角速度约束的景物朝向 行光滑插值的方法，该方法允许用户对轨迹端点处的角速度进行约束。 基于关键帧的方法是最简单直观的运动生成方法，它的原理是通过手工地 指定运动序列中某些关键的人体姿态( 即关键帧) ，再运用一些常见的插值方法 ( 如三次样条插值) 计算中间帧的姿态，最后得到一个运动序列。由于插值方 法在数据点不够密集的情况下很难得到好的数据插值效果，因此这种方法要充 分反映运动趋势以取得逼真效果，就需要足够密集的关键帧。可以想象，采用 关键帧方法，按照动画每秒2 4 帧计算，即便是几分钟的短片，也要一个熟练的 动画师花费几天的时间去完成关键帧的绘制。尽管关键帧方法费时费力，由于 它能够让用户完全把握虚拟角色的运动，从而让用户意图充分地体现，因此仍 然在很多应用( 特别是卡通动画) 中常见。 第2 章角色动画运动生成方法综述 茧藿釜圈筮筮鍪凼 图2 2 关键帧方法生成的一段计算机动画 5 1 】 f i g u r e 2 2a na n i m a t i o nb a s e do nk e y f 姗em e m o d 【5 l 】 2 2 2 基于运动学的方法 采用上述传统关键帧动画技术，可以很好的解决运动物体轨迹生成、参数 插值、时间控制、朝向插值、沿路径运动生成以及三维插值变形等问题。但是 在三维人体动画制作中，由于三维人体模型( 关节) 结构的复杂性及特殊性，依 靠纯粹的关键帧动画技术很难得到高度真实感的三维人体运动序列，因此需要 运动学知识的介入。 ( p ，鼋) = f ( 2 ) 包= ，一( p ，窜) a ) 正向运动学 ( b ) 逆向运动学 a ) f i o r w 砒dk i n 锄a t i c sb ) i i l v ；r s el 【i i l 锄a t i c s 图2 3 运动学方法 f i g i 】鹏2 3m e 也o d so fk i n 锄a t i c s 一蠹擎鬣簪，零越匿幂筮 蘸一 北京工业大学工学硕士学位论文 图2 _ 4 利用正向运动学求解二维机械手臂末端效应点位置 f i g u 鹏2 _ 4c a l c u l a _ t em ee n dp o i n tl l s i n gf 0 】m a r dk e n i m a t i c 8 在三维计算机动画中，人体动画是最具难度和挑战的研究课题之一。从人 体结构上来看，人体骨骼关节众多且具有2 0 0 个以上的自由度，这导致整个人 体可以产生非常复杂的运动形式。再加上人类对自身运动的熟悉，使得不协调 的人体运动很容易被观察到。正向或逆向运动学方法是一种设置关节动画的有 效方法，d e n a v i t 和h a r t e n b e 3 4 】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。 现实中，人的运动必然遵从某些物理定律，因此基于物理的运动生成方法 是一个很自然的策略。假设己知人体各部分的质量分布和各关节生成的扭矩， 那么理论上我们就可以由牛顿定律推导出一套常微分方程，从而计算出关节轨 迹。问题在于尽管我们可以从一些生物力学文献中得到人体平均质量分布【3 ， 要得到特定运动中人体关节的扭矩还是一个难题。h o d 西n se ta l l 【3 2 】基于有限状 态机和比例微分控制器提出了一种关节控制器方法，并运用到跑步、骑车、跳 跃等多种运动的生成上。类似的方法被应用到w b o t e n 和h o d 昏n s 【3 3 】 州，f a l o u t s o s c ta 1 【3 5 】等人的工作中，生成了诸如体操摔跤等等动作。尽管已有的工作可以生 成某些特定的动作，但关节控制器的设计还是非常困难的课题，一个给定的控 制器也只能生成某个小范围的运动。目前也有一些工作试图让设计好的控制器 能适应新的应用环境。对于周期性的运动如走路，l a s z l oe ta 1 【3 6 】通过有限周期 控制调整关节控制器，使之生成所期望的原有运动的周期变化。为了把控制器 用到不同的人身上，h o d 西n s 和p o l l a r d 【2 6 】中采用了近似缩放和模拟退火策略来 学习新的控制器参数。 有些前人工作虽然没有明确提出关节控制器的概念，但采用了类似的约束 优化方法，根据少量用户指定的关键帧按照物理定律生成完整的运动序列。l i u 和p o p o v i c 【3 刀以跳跃运动为例做了相关的研究。他们首先给定少量的关键姿 第2 章角色动画运动生成方法综述 态，通过样条插值计算出初始的运动序列。接着运用优化方法得到对原运动和 计算出来的质心角动量和线动量轨迹偏移最小的运动序列。对于空中运动，质 心轨迹取决于牛顿定律；对于地面运动，质心轨迹则决定于动量传递的生物方 学模型。为了提高优化的效率，f a l l ga n dp o l l a r d 【3 8 】提出了一种基于合力与合力 矩的物理约束( 而不是基于每个关节上的力和力矩) ，该方法具有线性时间复杂 度，相比原来方法的二次时间复杂度，有明显的优势。 尽管基于物理的运动生成可以自动的生成物理真实的运动，但是运动效果 往往较为僵硬、缺乏个性。为了生成更加真实的运动，s a f o n o v ae ta 1 【3 9 】采用p c a 分析运动实例，并提取一个基本姿态集合，然后根据该集合来限制姿态优化空 间，从而加快优化收敛并使姿态看起来真实。一般而言，目前基于物理的仿真 还只能生成小范围的真实感运动，难以胜任各类人体运动的仿真计算。 2 2 3 运动捕获方法 运动捕获技术目前是高质量运动捕获数据的主要来源，它为基于运动捕获 的运动生成提供了丰富的运动样本。最近几年相继出现了许多运动数据的处理 方法。主要分为运动编辑、运动纹理、运动图、统计学模型。后三类方法主要 针对大量运动捕获数据即运动库的运动生成，我们将单列一节展开说明。本节 主要简要综述运动编辑的已有工作。 运动编辑是对运动的各个自由度采用信号处理的方法进行修正，以满足人 们添加的约束。b r u d 甜i 1 1 和w i l l i a m s m 】提到了几种针对运动数据的信号处理方 法，包括多尺度滤波、偏移映