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1、一种基于运动自身的自相似运动编辑方法 郭蔚1 ，赵焕斌2 ，李磊1 ，赵志敏2 1 河北工业大学理学院，天津，3 0 0 1 3 0 ； 2 河北师范大学体育学院，河北石家庄，0 5 0 0 1 6 摘要：目前，我们能够通过运动捕捉等手段得到运动员的三维运动信息，并通过虚拟现实技 术在三维空间中重现运动员的动作。但当我们需要对其动作进行局部修改时，往往是对各关 节点数据逐一修改。这不仅产生了巨大的工作量，而且其对关节点的调整是孤立的为此， 本文研究并实现了一种基于运动自身的相似性和基于正态分布的方法。它能够自动提取运动 本身的特征，保持该时刻动作与其前、后时刻动作的本质联系，同时自动地修改运动
2、员的技 术动作。此方法不但提高了工作效率，而且使修改后的结果r , T 镛- T 动作的相关性和连续性， 最大限度地符合运动员自身特点。 关键字：运动捕捉；运动编辑；相似性；正态分布 AM e t h o do fM o t i o nE d i t i n gb a s e do nt h es i m i l a r i t y G U OW e i l ，Z H A OH u a I l b i n 2 ，L il e i l ，Z H A OZ h i m i n 2 1C o l l e g eo fS c i e n c e s ，H e b e iU n i v e r s i
3、t yo f T e c h n o l o g y ，T i a n j i n 3 0 0 1 3 0 ，C h i n a ； 2 C o l l e g eo fP h y s i c a lE d u c a t i o n ，H e b e iN o r m a lU n i v e r s i t y ，S h i j i a z h u a n g0 5 0 0 1 6 ，H e b e iC h i n a A b s t r a c t ：N o w a d a y s ，w ec a no b t a i nt h et h r e e - d i m e n s i o
4、 n a lm o t i o ni n f o r m a t i o no ft h ea t h l e t e st h r o u g hm a n y a p p r o a c h e s ，s u c ha sm o t i o nc a p t u r e ；a n dr e c u rt h e mi nt h et h r e e d i m e n s i o n a ls p a c et h r o u g ht h ed u m m yr e a l i t y t e c h n i q u e H o w e v e rw h e ng i v i n gs
5、o m el o c a lm o d i f i c a t i o n so nt h em o t i o n sw ea l w a y sm o d i f yt h ej o i n td a t ao n eb y o n e T h u sn o to n l ym a k eat r e m e n d o u sw o r k l o a db u ta l s oi t sr e s u l t sa r ei s o l a t e d F r o mt h i sr e a s o n ，i nt h i sc h a p t e r w er e s e a r c
6、 ha sw e l la sa c h i e v ean e wa p p r o a c hb a s e do nt h ec o m p a r a b i l i t yo ft h em o t i o ni t s e l fa n dn o r m a l d i s t r i b u t i o n I tc a l la u t o m a t i c a l l ye x t r a c tt h es e l f - f e a t u r e so ft h em o t i o n sa n dk e e pt h ee s s e n c er e l a t
7、 i o nb e t w e e n m o t i o n sa tt h i sm o m e n ta n da f t e ro rb e f o r ea d sm o m e n t , m e a n w h i l ei tC a nm o d i f yt h ea t h l e t e st e c h n i q u e T h i s a p p r o a c hn o to n l ye n h a n c e st h ee f f i c i e n c yb u ta l s ok e e pt h er e l a t i v i t ya n dc o
8、 n t i n u i t yo ft h er e s u l t , a c c o r d i n gt ot h e a t h l e t e Sf e a t u r e st r e m e n d o u s l y K e y w o r d ：m o t i o nc a p t u r e ；m o t i o ne d i t i n g ；s i m i l a r i t y ；n o r m a ld i s t r i b u t i o n l 引言 随着当代新技术革命的不断深入，现代科学技术对体育的渗透日益广泛，并已经成为体 育运动发展的强大推动力。基于虚
9、拟现实技术的体育仿真就是在此背景下发展起来的- - f - j 实 验技术科学。它是通过计算机模拟技术在一种虚拟环境下，通过虚拟人来再现体育教师的教 学经验、训练意图和运动员的训练过程，从而使教练员能够在虚拟的环境下对运动员进行指 导，达到对体育系统的解释、分析、预测、组织、评价的一种实验技术科学1 。 此前，我们已经可以通过关键帧技术，过程控制技术，运动捕捉技术等得到肢体运动的 三维数据信息晗1 ，并通过重定向定义到三维虚拟人模型虚拟人上面，使虚拟人模型能够在计 算机中重现运动员的技术动作，反馈运动员的三维运动信息。与此同时，我们常常要对运动 员的技术动作进行相应的修改，调整运动员某一关节点
10、在某一时刻的空间位置，来达到更好 该工作属于2 0 0 4 年河北省自然科学基金资助项I i I ( F 2 0 0 4 0 0 0 1 7 9 ) 作者简介：郭蔚，女，教授，联系电话：0 2 2 2 6 5 6 4 3 3 6 ，通信地址：天津市红桥区光荣道8 号， 电子邮箱：g u o w e i j s h e b u t e d u c n 1 0 5 地指导运动员改进运动技术，提高运动成绩的目的。这就是本文将要重点研究的运动编辑技 术【3 】o 1 1 虚拟人体结构分析 为了更好地描述和再现运动员的运动，我们首先需要建立合适的虚拟人体结构模型H 1 巧1 。因为人体各个肢体之间存在一
11、定的运动连带关系，我们将关节看成点，将关节之间的骨 骼看成与其相联系的链。并建立一个树状关系图来表示各关节点之间的连带驱动关系。每一 层的骨骼或关节的位置是由它的上一层的位置所决定的，某一结点的肢体运动必然带动其所 有的子代结点同时运动，如左前臂的运动必然带动左手的运动，右大腿的运动必然带动 右小腿和右脚的运动，这就使虚拟人运动符合人类运动规律。 图1 人体树状结构图 1 2 虚拟人运动控制的关键技术 为了使虚拟人的动画更加自然真实，在计算机动画中已经发展了很多技术来实现，其中 比较传统的运动控制方法为参数化关键帧技术和过程动画技术等。关键帧技术是进行虚拟人 运动控制的最早方法。在制作过程中，
12、先设计关键画面也即所谓的关键帧，然后由计算机自 动生成中间帧。由于关键帧技术不考虑人体的物理属性以及参数之间的相互关系，因此插值 得到的运动不一定是合理的，通常需要对运动进行仔细的调整。尽管如此，由于关键帧技术 的使用简便，因此仍然是最常用的动画生成方法哺1 。 2 算法描述 在观察人体的运动时，我们发现：人体的某一个关节点自身在不同时刻的运动轨迹，在 空间中绘制出一条曲线。当我们改变人体关节点在某时刻的姿态，即将曲线上的某一点做一 些细微的调整时，其关键在于两个方面：其一，调整了某一点的位置以后，反映此关节点的 运动轨迹上其它点的位置将作如何的改变。其二，伴随着此关节点运动曲线形状的改变，其
13、 它关节点的运动曲线将作如何的调整，才能准确地反映人体的运动特征。 当我们根据实际数据提取运动员某一个关节点的运动曲线时，假设此曲线为该运动员完 成该动作的最理想的方式。即此运动员的这个关节以此种类型的曲线完成这个动作时，能够 最大限度的满足运动员的生理和心理需求。那么当对这条曲线上的某一点进行修改时，也要 1 0 6 尽可能的从这条曲线自身上提取特征信息，使修改后的曲线与原来的曲线在形状上达到尽可 能的相似。那么关键在于如何定义修改前后两条曲线的相似性埔。 2 i 基于运动自身的自相似方法 因为实际提取出来的运动员的各个段节点的运动数据为离散型数据，我们以此为根据构 造的曲线亦为离散化表示。
14、曲线上的每一个离散的点，表示某一帧中此关节的位置。为此我 们将曲线的相似性问题与这些离散点的信息相联系。 在一段曲线中，我们选定起始不动点A 和我们要进行调解的点C ，那么曲线上其余各 点与此二点的连线就组成了一个三角形，如图2 所示。 A c C 图2 例如，我们以k A B C 为例，我们定义线段别和线段A C 的长度分别为口和C ，定义线段 倒和线段B C 的夹角为p 。当我们改变f 点的位置到了点时，其余各点的位置将按照如 下算法。 算法步骤如下： 计算线段月的长度，记为C7 。 计算线段月与线段彳的长度的比值，s c a l e = 二_ 。 C 计算曰点伴随的f 点变化时的对应点曰
15、7 点到彳点的距离，即b7 = s c a e X b 。 以线段月为底边，线段铡和线段B C 的夹角秒确定的方向为最终方向，以线段男7 么 的长度b7 = s c a l e X b 为长度，确定点曰7 。 以此类推，对曲线上的其余点重复上述操作。 在此需要特别指出的是如何定义两个向量之间的夹角。我们指定，A B 与A C 的小于 1 8 0 度，方向为当A B 沿逆时针旋转到A C 时所形成的角为正角，当A B 沿顺时帧旋转到A C 时，所形成的为负角。 基于上述方法，三维空间中的运动员某关节点的运动轨迹，我们可将其在删平面、w 平面、 鬣平面做投影，形成空间曲线的前视图，侧视图和俯视图。
16、那么对空间曲线上某一个点的 修改，均可以通过对三个视图中相应点的投影点作修改来完成。投影点的位置改变引起三维 空间点的位置变化。 通过这种方法，教练员可以从繁琐的，工作量巨大的曲线位置的调解工作中解脱出来， 教练员不必对关节点运动轨迹上的每一个点进行修改，只需指定轨迹上要调节的点所影响的 区域，那么当进行调节时，算法基于运动轨迹自身的几何特征，从中提炼反映关节点运动轨 迹本质属性的信息，对运动轨迹上的其它点进行自动地调节。 2 2 基于正态分布的关节点曲线调整方法 当我们以上述方法来对运动员关节点轨迹进行调节时，轨迹上所要调节的点对整条轨迹 上的点的影响是同样的。为了尽可能地保持运动轨迹的某种局部性，即当前调节的点对距离 其较近的点影响较大，对距离该点比较远的点影响较小。为此，我们引进一维高斯分布函数， 使当前调节的点对轨迹上其它点的影响按照高斯函数的衰减规律逐渐减少。其图示见图3 。 为了使调整后的结果尽可能地与实际情况相吻合，教练员可以根据经验设置高斯分布函数的 方差，来决定当前所要调节的点对运动轨迹上其它点的
