[发明专利]一种图形处理的关节中心参数估计方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种计算机的图形处理方法，尤其涉及的是一种模拟生物运动的显示处理的关节中心参数估计方法。

背景技术

运动捕获技术的发展历程可以追溯到20世纪70年代，当时，迪斯尼公司曾试图通过捕获演员的动作以改进动画制作效果。当计算机技术刚开始应用于动画制作时，纽约计算机图形技术实验室的Rebecca Allen就设计了一种光学装置，将演员的表演姿势投射在计算机屏幕上，作为动画制作的参考。从20世纪80年代开始，美国Biomechanics实验室、Simon Fraser大学、麻省理工学院等陆续开展了计算机人体运动捕获技术的研究。

此后，运动捕获技术吸引了越来越多研究人员和开发商的目光，并从试用性研究逐步走向了实用化。1988年，SGI公司开发了可捕获人头部运动和表情的运动捕获系统。目前，在发达国家，运动捕获已经进入了实用化阶段，已经有多家厂商相继推出了商品化的运动捕获设备，如Vicon、Polhemus、Sega Interactive、MAC、FilmBox、MotionAnalysis等。运动捕获技术的应用领域也远远超出了最开始的角色动画，并已经成功地应用于虚拟现实、游戏、人体工程学、运动模拟训练、生物力学研究等许多方面。

究竟什么是运动捕获？运动捕获技术领域的权威工程师AlbertoMenache在他的新书《Understanding Motion Capture for Computer Animationand Video Games》(对计算机动画和视频游戏的运动捕获的理解)中给出了一个准确的定义：“Motion capture is the process of recording a live motionevent and translating it into usable mathematical terms by tracking a number ofkey points in space over time and combining them to obtain a singlethree-dimensional representation of the performance.”(运动捕获就是记录一生物的活动事件并将之转换为可用的数字表示的过程，该过程通过追踪一系列的在一定时间和空间内的关键点的运动，并结合这些关键点以获取代表该行为的一单独三维表示)简单来说，运动捕获是将现场行为(LivePerformance)转换为数字化行为(Digital Performance)的技术。被捕获的主体可以是这个世界上任何具有行为能力的生物或物体；而记录下的关键点(Key Points)的位置应该在能最佳表示出主体不同肢体或部位运动的关键区域，如肢体中心位置或肢体相邻链接处。对于人体而言，这些关键点的位置就是人体的关节中心附近或人体骨骼突出的位置。在这些位置放置了一些传感器，比如反光球、红外光二级管或电磁传感器等能够往信号收集装置主动或被动传送信息的器件。这些器件在运动捕获领域中经常被称为标志点(Marker)，它们是运动捕获系统的重要组成部分之一。

然而，在现实生活当中，人们总是将角色动画(Character Animation)和运动捕获混为一谈，尽管两者有着本质的区别。运动捕获只是“收集”运动，而角色动画的核心是驱动角色运动的数据。为了获得一个运动的角色，我们需要进行运动捕获，并且把捕获到的运动数据“映射”到三维角色上去。然而，运动捕获记录下的只是那些可以描述运动的数据，通常是指标志点的三维空间坐标，而角色动画所需要的数据通常是指一组描述角色平动的平移数据和关节转动的角度数据。

从标志点的三维空间坐标数据到描述角色平动的平移数据和关节转动的角度数据的映射问题是一个很复杂的问题，也正是运动捕获数据处理技术研究的核心问题。它需要基于数字信号处理技术处理由于各种原因导致的三维空间坐标数据中的噪声；其次，它需要基于人体生理结构特性和运动特性，运用优化原理和计算机方法来生成人体骨骼运动。它的研究涉及到生理学、多刚体运动学、优化计算、图形学等多个领域，是一个多学科交叉的研究课题。