一种通用的人体运动合成方法的研究

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1、计算机研究与发展 J o u r n a lo fC o m p u t e rR e s e a r c ha n dD e v e l o p m e n t I S S N1 0 0 0 1 2 3 9 C N1 1 1 7 7 7 T P 4 2 ( 增刊) ：2 8 2 - - 2 8 5 2 0 0 5 一种通用的人体运动合成方法的研究 黄天羽李凤霞战守义 ( 北京理工大学计算机科学与工程系 北京1 0 0 0 8 1 ) ( h u a n g t i a n y u b i t e d u m ) AG e n e r a lM e t h o df o rH u m a nM

2、 o t i o nS y n t h e s i s H u a n gT i a n y u ，L iF e n g x i a ，a n dZ h a nS h o u y i ( D e p a r t m e n to f C o m p u t e r S c i e n c ea n d E n g i n e e r i n g B e i j i n g I n s t i t u t eo f T e c h n o l o g y ，B e i j i n g1 0 0 0 8 1 ) A b s t r a c tI nt h i sp a p e rag e n e

3、r a lm e t h o do fh u m a nm o t i o ns y n t h e s i si sp r e s e n t e d A c c o r d i n gt ow e i g h t f u n c t i o n st h a ts p e c i f yh o wm u c hi n f l u e n c ee a c hm o t i o nh a sa te a c hp o i n t ，m o t i o ns y n t h e s i sy i e l d sd i f f e r e n t o p e r a t i o n ss u c

4、 ha st r a n s i t i o n s 。i n t e r p o l a t i o n sa n dc o n t i n u o u sc o n t r o l si nb l e n d i n g A n dt e c h n i q u eo fp o i n t c l o u d s ，i n s t e a do ft r a d i t i o n a Iv e c t o rn o r m si su s e dt of i n ds i m i l a rf r a m e s T a k i n ge u r y t h m i c sm o t i

5、 o n sa s e x a m p l e s ，t h ea l g o r i t h mr e a l i z e di nS G lw o r k s t a t i o np r o v e st ob ee f f e c t i v ea n dp r a c t i c a b l e K e yw o r d s m o t i o ns y n t h e s i s ；m o t i o nb l e n d i n g ；m o t i o nt r a n s i t i o n ；i n t e r p o l a t i o n 摘要提出了一种通用的人体运动合

6、成方法，通过权值函数控制每一个运动序列对合成运动不同的影 响程度实现运动过渡、运动插值、可连续控制的运动混合等运动合成操作研究使用了点云方法代替 传统的几何向量寻找相似帧，解决运动的平滑过渡问题在S G I 工作站上实现了基于该方法的原型系 统。并以艺术体操的运动数据为倒证明了该方法具有良好的效率和实用性 关键谓运动合成；运动混合；运动过渡；插值 中国法分类号T P 3 9 1 4 1 1 引言 运动捕捉技术是近年来新兴的基于数据驱动的 运动控制技术，它能够捕捉真实的人体运动，具有真 实感强的显著特点但就其技术本身而言，运动捕 捉技术是对运动的复制，所获取的数据是有限的运 动序列的集合，只能应

7、用于特定的环境下，需要对捕 捉的运动数据进行处理使之满足新的场景的需求， 从而实现运动捕捉数据的重用性运动序列之间的 拼接和转换是生成新运动序列的关键但是单个动 作序列之间是互相独立的，甚至还可能存在很大的 差异，为了把这些结构相似但无关联的动作拼接成为 个自然、符合运动规律的动作序列是当前运动控制 领域、人体运动仿真和动画技术领域的一大挑战 国外对运动捕捉数据的处理已经做了大量的研 收稿日期：2 0 0 5 一0 6 一1 4 究，早期的运动编辑技术集中于对独立的运动序列 操作。如运动变形( m o t i o nw a r p i n g ) 、偏移映射 ( d i s p l a c e

8、 m e n tm a p p i n g ) 、运动重定向( m o t i o n r e t a r g e t i n g ) ”、信号处理( s i g n a lp r o c e s s i n g ) D 】、插值 方法【4J 、统计方法L 5J 等；近年来系统的运动合成技 术如移动树( m o v et r e e s ) J 、路径编辑【7 、运动图 ( m o t i o ng r a p h ) 、注册曲线( r e g i s t r a t i o nc u r v e s ) 【9 J 等本文参考前人的工作，提出了一个通用的运动 合成方法，通过权值函数控制每一个运

9、动序列对合 成后运动的不同的影响程度，帮助实现过渡、插值、 连续控制等运动合成实验证明该方法应用于艺术 体操的运动合成上取得了平滑、自然、较理想的效果 2 运动合成技术 运动合成技术具有可观的实用价值，目前已应 黄夭羽等：一种通用的人体运动合成方法的研究2 8 3 用于视频游戏、动画制作、运动仿真等多个领域中 运动合成是将两个或两个以上的运动序列进行编 辑，合成的新运动序列具有每个运动序列的特点 但是它不能实现在任意给定的运动序列上产生真实 的运动效果，所输入的运动序列必须经过较为严格 的挑选，另外运动合成的成功与否取决于提供给算 法的信息量当给定信息只有输入的运动数据时， 通常的合成方法是采

10、用线性混合这种方法第i 帧 的骨骼参数等于所有输人运动第i 帧骨骼参数的加 权平均值，混合后的运动在人体骨骼根节点位置由 根的位置和速度的平均值决定，关节角度由欧拉角 的平均值决定这种方法只有在输入的运动有较大 的相似度时才可以生成较好的结果【4 J ，另外当输人 运动相似但动作方向相反时，混合运动在进行过程 中方向可能会发生突变 9 】本文的方法可以根据用 户需求通过通用的权值函数控制合成操作，从输入 的运动中自动的抽取信息，并且在执行平均算法之 前确定应该合并的帧对，以及帧的位置和方向 本文将运动序列定义为一个连续的函数M ( f ) = ( P R ( f ) ，口l 。( f ) )

11、，其中加是骨骼根节点的 全局位置；q ；是第i 个关节在其父坐标系中的转向 信息M ( ，) 在f = j 时的向量M ( i ) 称为一帧，j 为 帧的索引号 合成运动B ( f ) 由n 个输入运动序列M | ，M 2 ， ，M 。和”维权值函数W ( t ) 构建B ( t ) 上特定位 置的运动序列由混合算法决定，如果在t 。时刻 = 1 ( w ，= 1 ，“ 。0 ) ，则B ( f ) 等于M 。在t o 一l 时刻的帧 3 权值函数 馄合运动可以通过权值函数对运动序列在特定 时间点不同的影响程度产生不同的运动效果我们 给出了一个通用的权值函数w ( t ) ：W ( t ) =

12、 ( w l ( t ) ，W 2 ( t ) ) 并且W 1 ( t ) = 1 一W 2 ( t ) ， f 。i 。( t ) ， 其中：W l ( t ) = W 。岫“( t ) ， ( 1 ) 【。n 。 如图1 所示，定义。( t ) 是一阶导数连续 的单调递减函数，用来实现运动过渡，首先将权值的 总量作用于第1 个运动上，然后逐渐减小该权值，增 加第2 个运动的权值，最终将权值平滑的转移到另 外一个运动上；h 。 “( t ) 保持一个常量，特别 用来实现在一个运动片段中建立中间运动的插值算 法；定义w 。I ( t ) 是一阶导数连续的函数，用户可 以根据需求连续的改变函数值

13、，实现可控制的运动 融合效果例如，输入几个不同类型的运动序列，允 许用户调整合成权值，交互的控制角色的行进的方 向和速度 & x 1 E 一1 睦 of Do如0t o tII 过渡m 嘶一f )b ) 插值暇螂* 岫n ( f ) ( c 1 连续控制矾。呐d ( ，) 图l 产生不同合成效果的权值函数 4 距离函数 运动过渡问题是运动合成的难点，它将不同的 运动捕捉数据无缝的连接起来，生成所需的较长运 动序列运动序列可以用一个骨骼根节点位置和各 关节方向的参数向量来表示每一帧，然后将不同运 动捕捉数据中的相似帧合并生成新的运动序列这 样，寻找相似帧的问题可以转化为求解距离函数D ( M (

14、 i ) ，M ( j ) ) 的问题，常用的方法是：首先处理动 作过程中时间统一的问题【4 ) ，利用式( 2 ) ： 们，= ( c m - ”+ 丧丧) 丽1 ( 2 ) 将实际时间T 0 ，K 。 映射到t 0 ，1 再 利用帧匹配的方法如式( 3 ) 计算两帧之间的差异： D ( M ( i ) ，M ( j ) ) = ”o | | P R ( i ) 一加( j ) 02 + 毗0l g ( 口 ( i ) ) 。吼( j ) 川2 ( 3 ) 但是这种使用向量范数计算两帧位置差异的方 法并不能解决下面的问题 9 】： ( 1 ) 向量范数的方法没有考虑到运动数据中各 参数的几何

15、意义代表关节角度的某些参数对最终 产生的运动效果的影响程度有很大的差异，如腰关节 的角度比腕关节的角度对运动结果产生的影响更大； ( 2 ) 运动的定义实际上仅决定于二维坐标系的 变换，因此比较两个运动需要在一致的坐标系中 进行； ( 3 ) 无缝的过渡效果不但要考虑人体骨骼的位 置上的差异，还有考虑到各个关节的速度、加速度、 以及可能派生的参数等产生的影响 根据以上考虑，在计算不同运动的相似帧时，不 2 8 4 计算机研究与发展2 0 0 5 ，4 2 ( 增刊) 仅要计算两帧之间人体骨骼姿势的差异，而且要计 算两帧速度上的差异，以避免出现不自然的动作 因此，计算相似帧时要将与逸两帧前后相邻

16、的几帧 的差异考虑在内，以解决速度匹配的问题我们使 用点云的方法计算两帧的差异选定相等的两个运 动M ( i ) 和M ( j ) 的帧窗口的长度，用落在该窗口 内的帧形成的点云的差异表示它们之间的差异 D ( M ( i ) ，M ( j ) ) 每一个点云都是由更小的云点 组成，代表了在窗口范围内中每一帧的位置这种 使用窗口的方法有效地将可能派生的信息包含到误 差中帧窗口的尺寸和进行运动过渡的长度相等。 这样形成运动过渡的每一对帧都会对D ( M ( i ) ，M ( J ) ) 产生影响 以艺术体操的两个运动序列旋转起跳和起 跳伸展为例，计算D ( M ( i ) ，M ( j ) ) 首先从帧M ( i ) 和M ( j ) 附近定义一个小的窗口，在本例中选择 影响该帧速度和加速度等信息的3 帧然后，通过 在骨骼关节处添加标记的方法将每一帧转化成一个 点云的形式，图2