[发明专利]基于关键帧和时空约束的三维虚拟人体运动生成方法

说明书

技术领域

本发明属于计算机三维动画技术领域，尤其涉及三维人体运动生成技术。

背景技术

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。同样，虚拟人的运动生成及控制也是虚拟人技术的重要研究方向。然而，由于人体具有200多个自由度，不同个体的运动又具有不同的动作特点和情绪特征。同时，虚拟人体运动的生成，还要符合人体运动的基本规律，具有简单可控的操作方式，需要同时满足运动的逼真性和控制的有效性。因此三维虚拟人体运动生成，包括设计、制作和控制各部分，十分复杂。

目前，三维虚拟人体运动生成方法可分为两类：一是以计算机生成的人体模型为基础的运动生成方法，二是基于运动捕获的运动生成方法。

计算机生成人体模型的运动生成方法是以数学模型为基础，通过关键帧动画技术、运动学等方法来产生人体动作。最早的关键帧概念来源于早期迪斯尼的动画制作，熟练的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中画面。

在当前计算机的三维虚拟人体运动生成中，关键帧方法仍然被广泛的使用。该方法包括以下步骤：

1)确定虚拟人体的几何模型。可以选择多种现有的几何模型，如基于骨骼结构的多刚体模型、表面模型、体模型等。

2)确定虚拟人体的静态姿势描述方式。即在该模型下使用哪些参数就可以生成不同的人体静态姿势。不同的几何模型使用的参数往往不同，如人体骨骼结构的多刚体模型，多使用表示关节自由度的角度参数(通常选择主要活动关节，及其表示自由度的40～60个角度参数)，或是各个关节的位置参数来描述人体静态姿势。对于表面模型和体模型，则主要通过控制表面皮肤层的面片点集来产生各种姿势效果。

3)设计运动过程中许多个关键帧时刻的人体静态姿势。对于骨骼结构的多刚体模型，可以采用正向运动学或是逆向运动学的方法来生成人体静态姿势。正向运动学的方法，是通过给定各个关节的自由度参数，从而确定人体各个关节的位置以及末端效应器的方位。逆向运动学的方法则恰恰相反，通过给定末端效应器的位置和方向后，然后逆向求解各个中间关节自由度的参数值。

4)根据设计好的多个关键帧静态姿势，采用插值运算由计算机自动生成中间帧画面。常用的插值方法有双插值，三次样条插值，Bezier样条插值等等。

5)最后，连续播放各运动时刻的人体静态姿势，所观看到的就是虚拟人体的运动全过程。

该方法简单直观，但是需要设计很多个关键帧，才能保证插值后的运动过程精确连贯。每一帧的设计过程操作繁重，同时对于中间帧的运动生成又缺少控制，难以实现对某个动作环节的细微调整，整个方法缺少灵活性和方便性。

近年来，随着运动捕捉系统的普及和推广，出现了越来越多的具有高度真实感的人体运动捕捉系统及商用数据库。这种基于运动捕获的人体运动生成方法则是运用传感器跟踪人体运动来获取真实感三维运动数据为基础，采用数据驱动方式来生成个性化的三维人体运动。该方法已在运动仿真、视频游戏、影视特技等领域得到广泛应用。运动捕获方法准确的说是一种运动重现，而非真正意义的运动生成。这种方法具有较高的人体运动真实度，但是需要特殊的昂贵的捕获设备，以及真人的实际表演，具有较高的人力物力代价。此外，依据这种方法获得的真实感运动数据难以被重用到不同的人体上、更难于对部分运动细节进行编辑和修改。

在目前，上述一些三维虚拟人体运动生成方法已形成商业软件被用于动画产品的制作中，如Maya，3D Max，Kaydara Motion Builder，SoftImage，Poser等。使用上述软件来完成人体运动制作的过程中，操作繁琐、效率低下，需要使用者具有较高的经验。同时，这些软件还都存在数据重用性低、智能性不高、需要大量人工干预等缺陷。

与本发明方法相关的已有技术介绍如下：

时空约束方法：在虚拟环境中，常把障碍物、人体运动的初始位置和目标位置等对人体运动施加的限制统称为约束。它既可以是空间上的，也可以是整个运动序列上的，因此又称作时空约束。时空约束的方法常用来进行运动编辑、运动重定向等研究领域中。