合成運動(dòng)數據的轉換

第27卷第4期中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報Vol. 27 No. 42007年8月Journal of Central South University of Forestry & TechnologyAug. 2007文章編號: 1673- 923X(2007)04-0154-06合成運動(dòng)數據的轉換楊靚(中南林業(yè)科技大學(xué)國際學(xué)院,長(cháng)炒胡南410005)摘要;作為英國東安格利亞大學(xué)eSIGN項目的一部分,主要研究了合成運動(dòng)數據在兩個(gè)虛撒人物之間的轉換過(guò)程中的都分工作,即從初始虛掀人物Viria3到過(guò)度人物newV3的轉換.主要分為兩部分來(lái)實(shí)現,骨頭坐標的轉換和骨頭旋轉度的轉換.利用了向量的運算來(lái)實(shí)現兩個(gè)人物之間骨頭長(cháng)度的轉換.并且通過(guò)觀(guān)寮所得的規則推導每塊新骨的局郝位置關(guān)于骨頭旋轉度的轉換,給出丁兩個(gè)方案:借助雙鏈摟平面鏈的倒轉運動(dòng)學(xué)(imverse kinematics)方法和向量匹配方去.最后委現了從Visin3到newV3的成功轉換,實(shí)驗驗證了以上方故的有效性.關(guān)鍵詞:計算機應用;軟件 工程;合威運動(dòng)數據1全局坐標:局部坐標;全局旋轉度:局部炭轉度;轉換中圖分類(lèi)號: TP311.5文獻標志碼:1Transformation of Synthetic Motion Data FilesYANG Jing(International College, Central South University of Forestry & Technology. Changsha 410005. Hunan, Chioa)Abstract;A由part of eSIGN project owned by Unvesity of East Anglia, this paper investigates the first step of the transformationof yothetic motion data files between two avstars. nanely trsntformation from originsl avatar (Visia3) 如8 transition B8vater(newV3). It is divided into two parts to realize the transformation of bone position and bone rotation. An algorithm which takes fulladvantage of vector operations i used to realize the conversion of bone leagth between two avetarB, and 8 tule produced byobservation itare provided; inverse kinematics method using two-link plsnsr chaing and vector mapping method. Eventually, transformstion fromVitis3 t如newV3袖succssully realized. The effectivenen of above methods io checked by xperiments.Key words;computer application; soltware engineering; ayathetic motion dota filea; lobal position; loeal poaition; lobal rotationocal rotation ansformatioaViSiCAST和eSIGN項目為英國東安格利亞大學(xué)(University of East Anglia)長(cháng)期從事研究的項目,旨在為耳聾的殘疾人士提供一種利用記號語(yǔ)言訪(fǎng)問(wèn)信息服務(wù)的途徑,而這種符號語(yǔ)言利用計算機符號虛擬人物技術(shù)來(lái)實(shí)現".ViSiCAST項目已經(jīng)竣工,eSIGN項目作為第二期工程正在進(jìn)行當中.本研究的工作主要集中在研究如何找出兩個(gè)不同虛擬人物運動(dòng)數據的對應關(guān)系。1問(wèn)題概述為了找出兩個(gè)虛擬人物運動(dòng)數據的對應關(guān)系,首先必須找出兩個(gè)不同虛擬人物合成數據的對應關(guān)系,然后.才能實(shí)現運動(dòng)捕獲數據的轉換.骨頭是虛擬人物的基本單元.每塊骨頭有一個(gè)標準名字作為標記,它的局部位置是相對于它的父骨來(lái)說(shuō)的,由向量表示,三個(gè)笛卡兒坐標由向量的三個(gè)元素來(lái)表示.旋轉度指出了骨頭的移動(dòng)方向,一個(gè)四元組表示,并且與收稿日期: 2007-02-27修回日期: 2007-05-15中國煤化工基金項目;英國東安格利重(University of East Anglis)的eSICN項目作者簡(jiǎn)介:楊既(1981-),女 ,動(dòng)南長(cháng)沙人.教師,殘士.主要從事計算機.MYHCNMHG科研工作第4期楊靚:合 成運動(dòng)數據的轉換155相對其父骨的局部旋轉度有關(guān)本研究是選定虛擬人物Visia3(如圖1所示)和Visia4(如圖2所示)進(jìn)行的.圍1 Visia 3的最終狀態(tài)圍2 Visia 4的最終狀態(tài)Fig.1 Visia 3 in tinal stateFIg.2 Visia 4 io ftioal stateVisia3有78塊骨頭.它與Visia2(此虛擬人物本文沒(méi)有提及過(guò))具有相同的骨骼結構,因此它的骨骼仍保持為在ViSiCAST項目中研究的老骨骼.面部表情利用Visia3的內部骨頭來(lái)建模,而這些內部骨頭附屬在面部肌理網(wǎng)孔上叩。通過(guò)改變這些骨頭的坐標和旋轉度而導致網(wǎng)孔的變形,便產(chǎn)生了對人類(lèi)表情的模擬。Visia3明確定義了每塊骨頭在每--幀的長(cháng)度,因為骨頭長(cháng)度在每一幀之間是可變的.對照Visia3,Visia4有67塊骨頭,這些骨頭大部分可以和Visia3相匹配.在eSIGN項目中,它有不同的骨骼結構.Visia4使用在面部表面網(wǎng)孔的特征點(diǎn)來(lái)表示面部表情.具體說(shuō)來(lái),真實(shí)的人類(lèi)表情是通過(guò)改變這些特征點(diǎn)之間的距離進(jìn)而使表面網(wǎng)孔變形而產(chǎn)生的.表1Visia3和Visia4左右臂長(cháng)的比較通過(guò)計算比較,Visia3和Visia4的左手臂長(cháng)度的差異如表1所示.Table 1 Comparison between the length olVisia 3' sarm and Visla 4' sarmVisia3從左上臂(left- upper- arm)至左手(left-hand)的部分與cmVisia4從左上臂(LUPA)至左手(LWRI)的部分相匹配,研究是以這一_8rmVisia 3Visia 4部分為例進(jìn)行的，但是同時(shí)確保了應用于這部分骨頭的技術(shù)同樣適用Lelft-upper-arm0.23660.4178Left-forearm0.23970.330 0于其它骨頭.Right-upper- arm0.2432 .0.417 8虛擬人物newV3中左上臂(如圖3的A點(diǎn))和左手(如圖3的C點(diǎn))的_ Righ-forerm0.246 50. 330 0位置與Visia3的左上臂和左手處于同-位置,但是左上臂和左前臂的骨頭長(cháng)度改為在Visia4的相應長(cháng)度.為了確保達到這種狀態(tài),必須調整newV3的左前臂(如圖3的B'點(diǎn))的位置和旋轉度以及newV3的左上臂(如圖3的A點(diǎn))的旋轉度.L'本文中,主要研究合成運動(dòng)數據在兩個(gè)虛擬人物(Visia3和Visia4)之間的轉換過(guò)程中的第-個(gè)步驟,即從初始虛擬人物Visia3到過(guò)渡人物newV3的轉換.2關(guān)鍵技術(shù)及其具體實(shí)現為了實(shí)現從Visia3到newV3的轉換,即定位左前臂B',并且計算它在newV3的局部坐標和旋轉度,需要計, New V3算B*在newV3的局部坐標和計算B'的旋轉度.圖3 Visia 3-new V32.1局 部坐標到全局坐標的轉換中國煤化工V3為了計算左前臂B'在newV3的局部坐標,將Visia3的左.MYHCNMH(坐標系統,通過(guò)B和B'之間的對應關(guān)系,求出B'的全局坐標,然后再將其轉換為B'在newV3的局都坐杯。以下公式實(shí)現了局部坐標和全局坐標之間的轉換同:156中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報第27卷pg(j,P,A)=pg[p(j),P ,A]+qg[p(j),P ,A]* pl(j,P,A)A(1)式(1)中:pg(j,P ,A)表示人物A處于P姿勢時(shí),骨頭j的全局坐標;pl(j,P,A)表示人物A處于P姿勢時(shí),骨頭j的局部坐標;p(j)表示骨頭j的父骨;qg(j,P ,A)表示人物A處于P姿勢時(shí),骨頭j的全局旋轉度.CAS文件(項目中現有的記錄了Visia3的原始數據Y▲的文件)提供了相對父骨的局部坐標和全局旋轉度.式B' (紅川(1)中的qg[p(j),p,A]在CAS文件中用四元組來(lái)表示，因此需要將四元組轉換成相應的旋轉矩陣.首先將記錄了父骨子骨關(guān)系的層次文件讀人程序,然后通過(guò)一個(gè)從Lr'’子骨到父骨最后到達根骨的逆向循環(huán)處理和~一個(gè)計算每B (xg, y)塊骨頭全局位置的運算追蹤下去,得到的值在下一次循環(huán)中被用作q8[p(j),p,A].按照以上原理編程實(shí)現,最終得到了Visia3的左上臂A,左前臂B和左手C的全局坐D' (x,0 D(x.)標-- -.. Visia3. ncwV2.2計算 newV3左前臂B'的全局坐標以左上臂A作為原點(diǎn),AC(C為左手)所在直線(xiàn)作為圖4Visia3和newV3在平面坐標系統X軸構建平面坐標系(如圖4所示),來(lái)研究Visia3左前Fig.4 Visia 3 and new V3 in planar coordinate system臂B的全局坐標與newV3左前臂B'的全局坐標之間的對應關(guān)系.解決方案:根據勾股定理x*+y2=LZ>x- e-Z+Hi=y=+VZ-z(2)(Lnc-x)*+y=L2 J2Lnc式(2)和圖4中:L'對應于A(yíng)B'即newV3的左上臂;Lr'對應于B'C即newV3的左前臂.場(chǎng)+湄=巧}>xo= 知-L4+H-y;=+√L-x(3)(Lxc- xg)*+yg=L3J2Lsc式(3)中:L1對應于A(yíng)B即Visia3的左上臂;L2對應于BC即Visia3的左前臂.AD=kro A芯=D=(1-k;)o或+k;o必(k.=xn/L.c)AD =kxo A乖>D =(1- k2)o 0A+k2o芯(kz= x/Lxc)BB =kzoBB .=→oB=B-ksoB_ -oB)(ks= ly/yo|)(4)正如前面所說(shuō),0是原點(diǎn),即0(0,0,0).所以,0A，yB,茫代表每點(diǎn)的全局坐標.該方案通過(guò)編程實(shí)現,證實(shí)是成功的.2.3計算newV3左前臂B'的局部旋轉度L'23.1雙鏈平面 鏈法日解決方案如圖5所示.①前面章節已經(jīng)計算出的A,B,C和B'的全局坐標.LB②(X,Yn)是A的平面坐標:C (0){Xn=0(5)\Yn-Lxe- --. -.. Visia3- ncwV3③根據余弦定理:AB: leftpprarm(L,).BC: le-forerm(cos(π-az)==A-AC*+L3+ Li_(6)中國煤化Ifrro )2L.L2-AC+L2+ 2。YHCNMHGcos(π-bz)= - 2→>0z(7)2LL2-Fig.5 Two-link planar chains④根據文獻[3]的公式:第4期楊靚;合成運動(dòng)數據的轉換157Lncosa,+Lrcos(a:+a2)=X.=0]y→cosaaz+&)1L+L2cosa)+1兇-[sina,sin(qn+a)V(- Lxsinaz(8)(cosbhcos<9.+02)Lcos0.+L'cos(&.+02)=Xx=0].cos0.(siaO.sin(00. +02)=[ L+tL.cos02)*+1(F Lysin0, )⑤根據四元組與旋轉軸的理論[0,可以得出以下關(guān)系:quaternion(XYZW)](axis. X= X/sina angle(AB)axis. _Y=Y/sina_ arand0zcosa=Waxis_ z=Z/sina angle(AB)_ angle(AB')sina= v1-cos2a(angle(AB)= 2az=>angle(AB' )>Quaternion |AB' |或angle(BC)中aand02=angle(B'C)angle(BC)_ angle(B'C)4:=>Quaternion |B'C|(9)該方案通過(guò)編程實(shí)現成功Quaternion |AB' |和QuaternionY|B'C|即為以四元組形式表示的newV3左前臂和左.上臂的局部旋轉度.2.3.2向量匹配法h'解決方案如圖6所示.將AB旋轉到AB4:>gc'rquaternion(XYZW){axis.X= X/sinaaxis.Y=Y/sinaaxis.Z= Z/sina- * Visia3- - newV3sina= V1-cos2aAB:ltfi-upper- am(L) BC:!ef-forearm(L)(angle(AB)= = 2aAB :il-uppemxC B Clelforcrm()Vu=VAeXVAi圍6向量匹配方法Vmux=cos~'(VAB●Vs)JFig.6 Vector apping methodQABQxs'=Qnouxm●Qsn{>QAB(10)BC與B'C平行,因此具有相同旋轉度,然后將亡旋轉到BC[4:(axisX = =X/sinaaxis.Y=Y/sina Vu=VxcXV~中國煤化工(11)axis.Z=Z/sina Vwo=cossina= /1- -costalangle(AB)= 2aYHCNMHGQnc}y=Qx(=Qsic)(12)Qxc'= =Qnmuia●Qxc)158中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報第27卷QAr和Qexc即為newV3左前臂和左上臂的局部旋轉度.2.4計算 newV3左前臂B'的局部坐標2.4.1公式法根據式(1)可以推導以下公式:pl(j,P,A)=qg[p(j),P ,A]~-1{pg(j,P ,A)-pg(j,P ,4)- pg[p(j),P ,A]}A(13)在2.1和2.2節中,計算出了B'的全局坐標[pg(j,P,A)]和A的全局坐標{pg[p(j),P ,A]}的值,A的全局旋轉度{qs[p(j),P,A]}仍然為原始的CAS文件中提供的值,因此根據式(13)可以計算得到B"的局部坐標[pl(j,P ,A)].2.4.2觀(guān)察法通過(guò)觀(guān)察所得,每塊骨頭局部坐標值可以用來(lái)表示,L是其父骨的長(cháng)度,如圖7所示.Upper-arm2.5新的CAS 文件的產(chǎn)生在前面的章節中,算出了newV3的左前臂B'的局部坐標和局部旋轉度.接下來(lái),必須將產(chǎn)生的這些值寫(xiě)人CAS文件,使得能夠通過(guò)軟件SiGML演示播放.軟件SiGML (Signing Gesture Mark-up Language )- Animation,(L,.0,0)SiGML-Animation-Client 和SIGML-CAS File Player是Televirtual軟件公司和UEA (英國東安哥利亞大學(xué))以及其它eSIGN項目的搭檔一起合作開(kāi)發(fā)的.當驅動(dòng)-一個(gè)虛擬人物時(shí),它可以呈現由于驅動(dòng)所帶來(lái)的影響與動(dòng)作forearm捕獲數據之間的關(guān)系.如果同時(shí)使用SIGMLanimation服務(wù)端和SIGMLLanimation客戶(hù)端,其中一個(gè)將通過(guò)局部網(wǎng)絡(luò )或回路發(fā)送來(lái)自文件的(使用SIGML animation服務(wù)端)動(dòng)作捕獲數據流到客戶(hù)端01.(L.0.0)可以使用DOM (Document Object Model)和SAX (Simple API for圈7禺部坐標 .XML)來(lái)書(shū)寫(xiě)XML文檔,最終形成CAS文件.通過(guò)編程實(shí)現,成功得到了一Fig.7 Local position: 個(gè)XML文檔生成器.也可以手動(dòng)將e有CAS文件中的原始值改為產(chǎn)生的新值.由于研究是基于一小部分身體的少量骨頭,因此這種方法也是可行的.如果拓展到整個(gè)身體的每塊骨頭,編程得到的文檔生成器更具效率。按以上方法得到了記錄newV3骨頭局部坐標和骨頭旋轉度的CAS文檔,通過(guò)SiGML軟件播放出來(lái),呈現出newV3在Visia3的基礎上,左上臂和左前臂的長(cháng)度增長(cháng)了(與Visia4的相等),完成了Visia3的相同動(dòng)作,即左手最終可以回到同一位置,表明從Visia3到newV3轉換成功.3實(shí)現轉 換的主要模塊功能在本研究中,方案的實(shí)施主要是通過(guò)Java編程實(shí)現的.關(guān)鍵方法如下.UtimateFileHandler. java這個(gè)文件處理器可以根據-些具體要求讀人各種XML文件包括CAS文件,并且提供一些轉化兩類(lèi)物體的一-些工具XMLGenerator. java這個(gè)文件產(chǎn)生器可以根據一些 具體要求寫(xiě)出各種CAS文件,并能提供兩類(lèi)物體之間的轉換工具.positionConverter. java這個(gè)類(lèi)包含了-系列方法,可 以中國煤煤化工換,并且提供了產(chǎn)生全局坐標或局部坐標的普遍方法.rotationConverter. java這個(gè)類(lèi)包含了對旋轉度的所有處YHCN M H G轉度的計算,旋轉度的轉換等.Converter. java這個(gè)轉換器實(shí)現了從Visia3到newV3的轉換.它可以讀人Visia3的原始CAS文件,并在一第4期楊靚;合成運動(dòng)數據 的轉換159系列處理后產(chǎn)生newV3的一個(gè)新CAS文件.它是研究產(chǎn)生的最終工具.test. java這個(gè)類(lèi)提供了各種測試方法來(lái)檢驗長(cháng)度,坐標,旋轉度,等.4同類(lèi)研究的他人方法國內外常用的捕獲數據常用方法有:運動(dòng)拼接[0]、運動(dòng)融合(Motion Blending)印、信號處理(Motion SignalProcessing)凹、 運動(dòng)圖(Motion Graph)叫、運動(dòng)變形(Motion Warping)L09、 四元數插值、偏移映射(Displament Map)*]等.中科院計算技術(shù)研究所的虛擬人運動(dòng)控制開(kāi)發(fā)平臺的研究與實(shí)現項目,在進(jìn)行數據轉換時(shí)發(fā)現:通過(guò)Vicon設備所獲得的原始數據是貼在人身體上各Marker點(diǎn)的三維坐標值,并且還存在一定的噪聲.其處理方法為:首先必須對原始數據進(jìn)行修整,盡可能除掉采集過(guò)程中引人的噪聲,修正其中的錯誤,并利用-些方法對采集過(guò)程中遺失的信息進(jìn)行補全.然后通過(guò)工具軟件,得到表示人體運動(dòng)的歐拉角.與這些方法相比較,本研究的方法通俗易儻.用Java編程來(lái)檢驗方法的有效性,也更具效率和說(shuō)服力.5結束語(yǔ)作為eSiGN項目中實(shí)現從Visia3到目標人物Visia4的轉換工作的一部分,本研究實(shí)現了從初始虛擬人物Visia3到過(guò)渡人物newV3的轉換.根據Zatsiorsky5']提出的式(1)和(2)(見(jiàn)2.1節)來(lái)實(shí)現從全局坐標到局部坐標轉換的方法,有效且快捷,也可以幫助解決人類(lèi)運動(dòng)學(xué)的其他問(wèn)題.另外還應用了平面坐標法、向量匹配法、雙鏈平面鏈法等方法.最后通過(guò)Java編程實(shí)現了以上研究方法,實(shí)驗驗證了本研究方法的有效性.參考文獻:[1] John Cluert. The introduction of Visicast. The webaite of UEA[DB/OL].2004. http://www. visicast. co. uk /oummary/ summary. htm.2] Daniel Scott. An lvestigation into the Retargeting of Motion Cepture Dato between Ceomtically Disproportionat Human Avtan[D].East Anglia, Master disertation, School of computer science, Univernity of East Anglia ,2004.[3] VInadimir M. Zstsiorsky. Kinematice of Human Motion; Body Posture[M]. USA: Humsn Kinetics Publishen, 1997.[4] Chen Skel. Metrix and Quaternion FAQ[DB/OL]. 2003. htp://kal. planet-d. net/ demo/ matrixfeq. htm #Q27.[5] Vladimir M. Zatsiorsky. Kinematics of Humen Motion; Body Poition and Displacement[M]. USA; Human Kioetics Publishers, 1997.[6] G. Ashreaf and K. C. wong. Genereting Consistent Motion Transition via DecoupledFramespace[I]. Ioterpolation, 2000, 19(1), 45-48[7] Lucas Kovar and Michsel Gleicher. Flexible Automatic Motion Blending with Registrstion CureC[/]/Proceedings of 2003 Sympoium四Computer Animation, 2003.8] A Bruderlin L William. Motion Signal Proceosing[C]// Proceedings of SIGGRAPH 95,1995197- 104.9] L Kovar. M Gleicher, Motion Graph. Proceeding* of SIGGRAPH 2002[C]/San Antonio, Texau,2002:673- - - 482.[10] A Witkin. and z. Poporie. Motion warping[C]//Computer Crsphice.1995,30,105-108.[1] P. Sebastin Grassia, Prectical Paranmeterizatioa of Rottions Using the Exponential Map[]. Journal of Graphics Tools, 1998.3(3) *29-8.[12] Michael Gileicher. Comparing Contraint-Based Motion Editing Methods[]. Grsphical Modelu, 2001,(60).[13]陳愛(ài)斌基于KL變換的汽車(chē)型的識別方法C].中南林學(xué)院學(xué)報,2004.24(2)111-114.[本文編校:邱德勇豹]中國煤化工MYHCNMHG