第27卷第4期中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào)Vol. 27 No. 42007年8月Journal of Central South University of Forestry & TechnologyAug. 2007文章編號(hào): 1673- 923X(2007)04-0154-06合成運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換楊靚(中南林業(yè)科技大學(xué)國際學(xué)院,長炒胡南410005)摘要;作為英國東安格利亞大學(xué)eSIGN項(xiàng)目的一部分,主要研究了合成運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)在兩個(gè)虛撒人物之間的轉(zhuǎn)換過程中的都分工作,即從初始虛掀人物Viria3到過度人物newV3的轉(zhuǎn)換.主要分為兩部分來實(shí)現(xiàn),骨頭坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換和骨頭旋轉(zhuǎn)度的轉(zhuǎn)換.利用了向量的運(yùn)算來實(shí)現(xiàn)兩個(gè)人物之間骨頭長度的轉(zhuǎn)換.并且通過觀寮所得的規(guī)則推導(dǎo)每塊新骨的局郝位置關(guān)于骨頭旋轉(zhuǎn)度的轉(zhuǎn)換,給出丁兩個(gè)方案:借助雙鏈摟平面鏈的倒轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)學(xué)(imverse kinematics)方法和向量匹配方去.最后委現(xiàn)了從Visin3到newV3的成功轉(zhuǎn)換,實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了以上方故的有效性.關(guān)鍵詞:計(jì)算機(jī)應(yīng)用;軟件 工程;合威運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)1全局坐標(biāo):局部坐標(biāo);全局旋轉(zhuǎn)度:局部炭轉(zhuǎn)度;轉(zhuǎn)換中圖分類號(hào): TP311.5文獻(xiàn)標(biāo)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(xiàng)目為英國東安格利亞大學(xué)(University of East Anglia)長期從事研究的項(xiàng)目,旨在為耳聾的殘疾人士提供一種利用記號(hào)語言訪問信息服務(wù)的途徑,而這種符號(hào)語言利用計(jì)算機(jī)符號(hào)虛擬人物技術(shù)來實(shí)現(xiàn)".ViSiCAST項(xiàng)目已經(jīng)竣工,eSIGN項(xiàng)目作為第二期工程正在進(jìn)行當(dāng)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(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。1問題概述為了找出兩個(gè)虛擬人物運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系,首先必須找出兩個(gè)不同虛擬人物合成數(shù)據(jù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系,然后.才能實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)捕獲數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換.骨頭是虛擬人物的基本單元.每塊骨頭有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)名字作為標(biāo)記,它的局部位置是相對(duì)于它的父骨來說的,由向量表示,三個(gè)笛卡兒坐標(biāo)由向量的三個(gè)元素來表示.旋轉(zhuǎn)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(xiàng)目;英國東安格利重(University of East Anglis)的eSICN項(xiàng)目作者簡介:楊既(1981-),女 ,動(dòng)南長沙人.教師,殘士.主要從事計(jì)算機(jī).MYHCNMHG科研工作第4期楊靚:合 成運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換155相對(duì)其父骨的局部旋轉(zhuǎn)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(此虛擬人物本文沒有提及過)具有相同的骨骼結(jié)構(gòu),因此它的骨骼仍保持為在ViSiCAST項(xiàng)目中研究的老骨骼.面部表情利用Visia3的內(nèi)部骨頭來建模,而這些內(nèi)部骨頭附屬在面部肌理網(wǎng)孔上叩。通過改變這些骨頭的坐標(biāo)和旋轉(zhuǎn)度而導(dǎo)致網(wǎng)孔的變形,便產(chǎn)生了對(duì)人類表情的模擬。Visia3明確定義了每塊骨頭在每--幀的長度,因?yàn)楣穷^長度在每一幀之間是可變的.對(duì)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(xiàng)目中,它有不同的骨骼結(jié)構(gòu).Visia4使用在面部表面網(wǎng)孔的特征點(diǎn)來表示面部表情.具體說來,真實(shí)的人類表情是通過改變這些特征點(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左右臂長的比較通過計(jì)算比較,Visia3和Visia4的左手臂長度的差異如表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(yīng)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度改為在Visia4的相應(yīng)長度.為了確保達(dá)到這種狀態(tài),必須調(diào)整newV3的左前臂(如圖3的B'點(diǎn))的位置和旋轉(zhuǎn)度以及newV3的左上臂(如圖3的A點(diǎn))的旋轉(zhuǎn)度.L'本文中,主要研究合成運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)在兩個(gè)虛擬人物(Visia3和Visia4)之間的轉(zhuǎn)換過程中的第-個(gè)步驟,即從初始虛擬人物Visia3到過渡人物newV3的轉(zhuǎn)換.2關(guān)鍵技術(shù)及其具體實(shí)現(xiàn)為了實(shí)現(xiàn)從Visia3到newV3的轉(zhuǎn)換,即定位左前臂B',并且計(jì)算它在newV3的局部坐標(biāo)和旋轉(zhuǎn)度,需要計(jì), New V3算B*在newV3的局部坐標(biāo)和計(jì)算B'的旋轉(zhuǎn)度.圖3 Visia 3-new V32.1局 部坐標(biāo)到全局坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換中國煤化工V3為了計(jì)算左前臂B'在newV3的局部坐標(biāo),將Visia3的左.MYHCNMH(坐標(biāo)系統(tǒng),通過B和B'之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,求出B'的全局坐標(biāo),然后再將其轉(zhuǎn)換為B'在newV3的局都坐杯。以下公式實(shí)現(xiàn)了局部坐標(biāo)和全局坐標(biāo)之間的轉(zhuǎn)換同:156中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào)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(shì)時(shí),骨頭j的全局坐標(biāo);pl(j,P,A)表示人物A處于P姿勢(shì)時(shí),骨頭j的局部坐標(biāo);p(j)表示骨頭j的父骨;qg(j,P ,A)表示人物A處于P姿勢(shì)時(shí),骨頭j的全局旋轉(zhuǎn)度.CAS文件(項(xiàng)目中現(xiàn)有的記錄了Visia3的原始數(shù)據(jù)Y▲的文件)提供了相對(duì)父骨的局部坐標(biāo)和全局旋轉(zhuǎn)度.式B' (紅川(1)中的qg[p(j),p,A]在CAS文件中用四元組來表示，因此需要將四元組轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)矩陣.首先將記錄了父骨子骨關(guān)系的層次文件讀人程序,然后通過一個(gè)從Lr'’子骨到父骨最后到達(dá)根骨的逆向循環(huán)處理和~一個(gè)計(jì)算每B (xg, y)塊骨頭全局位置的運(yùn)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(xiàn),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(biāo)-- -.. Visia3. ncwV2.2計(jì)算 newV3左前臂B'的全局坐標(biāo)以左上臂A作為原點(diǎn),AC(C為左手)所在直線作為圖4Visia3和newV3在平面坐標(biāo)系統(tǒng)X軸構(gòu)建平面坐標(biāo)系(如圖4所示),來研究Visia3左前Fig.4 Visia 3 and new V3 in planar coordinate system臂B的全局坐標(biāo)與newV3左前臂B'的全局坐標(biāo)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系.解決方案:根據(jù)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(duì)應(yīng)于AB'即newV3的左上臂;Lr'對(duì)應(yīng)于B'C即newV3的左前臂.場+湄=巧}>xo= 知-L4+H-y;=+√L-x(3)(Lxc- xg)*+yg=L3J2Lsc式(3)中:L1對(duì)應(yīng)于AB即Visia3的左上臂;L2對(duì)應(yīng)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,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(biāo).該方案通過編程實(shí)現(xiàn),證實(shí)是成功的.2.3計(jì)算newV3左前臂B'的局部旋轉(zhuǎn)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(jié)已經(jīng)計(jì)算出的A,B,C和B'的全局坐標(biāo).LB②(X,Yn)是A的平面坐標(biāo):C (0){Xn=0(5)\Yn-Lxe- --. -.. Visia3- ncwV3③根據(jù)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(jù)文獻(xiàn)[3]的公式:第4期楊靚;合成運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)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(jù)四元組與旋轉(zhuǎn)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)該方案通過編程實(shí)現(xiàn)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(zhuǎn)度.2.3.2向量匹配法h'解決方案如圖6所示.將AB旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)度,然后將亡旋轉(zhuǎn)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(bào)第27卷QAr和Qexc即為newV3左前臂和左上臂的局部旋轉(zhuǎn)度.2.4計(jì)算 newV3左前臂B'的局部坐標(biāo)2.4.1公式法根據(jù)式(1)可以推導(dǎo)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(jié)中,計(jì)算出了B'的全局坐標(biāo)[pg(j,P,A)]和A的全局坐標(biāo){pg[p(j),P ,A]}的值,A的全局旋轉(zhuǎn)度{qs[p(j),P,A]}仍然為原始的CAS文件中提供的值,因此根據(jù)式(13)可以計(jì)算得到B"的局部坐標(biāo)[pl(j,P ,A)].2.4.2觀察法通過觀察所得,每塊骨頭局部坐標(biāo)值可以用來表示,L是其父骨的長度,如圖7所示.Upper-arm2.5新的CAS 文件的產(chǎn)生在前面的章節(jié)中,算出了newV3的左前臂B'的局部坐標(biāo)和局部旋轉(zhuǎn)度.接下來,必須將產(chǎn)生的這些值寫人CAS文件,使得能夠通過軟件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(xiàng)目的搭檔一起合作開發(fā)的.當(dāng)驅(qū)動(dòng)-一個(gè)虛擬人物時(shí),它可以呈現(xiàn)由于驅(qū)動(dòng)所帶來的影響與動(dòng)作forearm捕獲數(shù)據(jù)之間的關(guān)系.如果同時(shí)使用SIGMLanimation服務(wù)端和SIGMLLanimation客戶端,其中一個(gè)將通過局部網(wǎng)絡(luò)或回路發(fā)送來自文件的(使用SIGML animation服務(wù)端)動(dòng)作捕獲數(shù)據(jù)流到客戶端01.(L.0.0)可以使用DOM (Document Object Model)和SAX (Simple API for圈7禺部坐標(biāo) .XML)來書寫XML文檔,最終形成CAS文件.通過編程實(shí)現(xiàn),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(biāo)和骨頭旋轉(zhuǎn)度的CAS文檔,通過SiGML軟件播放出來,呈現(xiàn)出newV3在Visia3的基礎(chǔ)上,左上臂和左前臂的長度增長了(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(zhuǎn)換成功.3實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn) 換的主要模塊功能在本研究中,方案的實(shí)施主要是通過Java編程實(shí)現(xiàn)的.關(guān)鍵方法如下.UtimateFileHandler. java這個(gè)文件處理器可以根據(jù)-些具體要求讀人各種XML文件包括CAS文件,并且提供一些轉(zhuǎn)化兩類物體的一-些工具XMLGenerator. java這個(gè)文件產(chǎn)生器可以根據(jù)一些 具體要求寫出各種CAS文件,并能提供兩類物體之間的轉(zhuǎn)換工具.positionConverter. java這個(gè)類包含了-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(biāo)或局部坐標(biāo)的普遍方法.rotationConverter. java這個(gè)類包含了對(duì)旋轉(zhuǎn)度的所有處YHCN M H G轉(zhuǎn)度的計(jì)算,旋轉(zhuǎn)度的轉(zhuǎn)換等.Converter. java這個(gè)轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)了從Visia3到newV3的轉(zhuǎn)換.它可以讀人Visia3的原始CAS文件,并在一第4期楊靚;合成運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù) 的轉(zhuǎn)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)類提供了各種測試方法來檢驗(yàn)長度,坐標(biāo),旋轉(zhuǎn)度,等.4同類研究的他人方法國內(nèi)外常用的捕獲數(shù)據(jù)常用方法有:運(yùn)動(dòng)拼接[0]、運(yùn)動(dòng)融合(Motion Blending)印、信號(hào)處理(Motion SignalProcessing)凹、 運(yùn)動(dòng)圖(Motion Graph)叫、運(yùn)動(dòng)變形(Motion Warping)L09、 四元數(shù)插值、偏移映射(Displament Map)*]等.中科院計(jì)算技術(shù)研究所的虛擬人運(yùn)動(dòng)控制開發(fā)平臺(tái)的研究與實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目,在進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí)發(fā)現(xiàn):通過Vicon設(shè)備所獲得的原始數(shù)據(jù)是貼在人身體上各Marker點(diǎn)的三維坐標(biāo)值,并且還存在一定的噪聲.其處理方法為:首先必須對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行修整,盡可能除掉采集過程中引人的噪聲,修正其中的錯(cuò)誤,并利用-些方法對(duì)采集過程中遺失的信息進(jìn)行補(bǔ)全.然后通過工具軟件,得到表示人體運(yùn)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編程來檢驗(yàn)方法的有效性,也更具效率和說服力.5結(jié)束語作為eSiGN項(xiàng)目中實(shí)現(xiàn)從Visia3到目標(biāo)人物Visia4的轉(zhuǎn)換工作的一部分,本研究實(shí)現(xiàn)了從初始虛擬人物Visia3到過渡人物newV3的轉(zhuǎn)換.根據(jù)Zatsiorsky5']提出的式(1)和(2)(見2.1節(jié))來實(shí)現(xiàn)從全局坐標(biāo)到局部坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的方法,有效且快捷,也可以幫助解決人類運(yùn)動(dòng)學(xué)的其他問題.另外還應(yīng)用了平面坐標(biāo)法、向量匹配法、雙鏈平面鏈法等方法.最后通過Java編程實(shí)現(xiàn)了以上研究方法,實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本研究方法的有效性.參考文獻(xiàn):[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]陳愛斌基于KL變換的汽車型的識(shí)別方法C].中南林學(xué)院學(xué)報(bào),2004.24(2)111-114.[本文編校:邱德勇豹]中國煤化工MYHCNMHG