JPH08329272A - Animation generator method - Google Patents

Animation generator method

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Publication number
JPH08329272A
JPH08329272A JP35483995A JP35483995A JPH08329272A JP H08329272 A JPH08329272 A JP H08329272A JP 35483995 A JP35483995 A JP 35483995A JP 35483995 A JP35483995 A JP 35483995A JP H08329272 A JPH08329272 A JP H08329272A
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JP
Japan
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motion
human body
joint
animation
parts
Prior art date
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Pending
Application number
JP35483995A
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Japanese (ja)
Inventor
Toshiyasu Kunii
利泰 国井
Ritsunei Son
立寧 孫
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KONGOUZEN SOUHONZAN SHIYOURINJ
KONGOUZEN SOUHONZAN SHIYOURINJI
Original Assignee
KONGOUZEN SOUHONZAN SHIYOURINJ
KONGOUZEN SOUHONZAN SHIYOURINJI
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Filing date
Publication date
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Publication of JPH08329272A publication Critical patent/JPH08329272A/en
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Abstract

PURPOSE: To provide the computer animation generation method for easy work. CONSTITUTION: Human fundamental motions are analyzed to input forces or torques acting on joints to a data base, and dynamical equations are applied to calculate respective parts of the body in distinction from the other parts, and restrictive conductions including mutual coupling relations of respective parts of the body and ranges of motions of respective joints are checked, and inverse dynamics are applied to calculate the motions and forces checked by these restrictive conditions, and dynamical equations are applied to calculate respective parts of the body in distinction from the other parts for the purpose of generating the animation, and restrictive conditions including mutual coupling relations of respective parts of the body and ranges of motions of respective joints are checked, and inverse dynamics are applied to calculate the motions and forces checked by these restrictive conditions, and the result of these motions and forces or the like is displayed.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、コンピュ−タを用
いて人間の動きを画面上に再現するアニメーション作成
方法に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an animation creating method for reproducing a human motion on a screen by using a computer.

【従来の技術】[Prior art]

【0002】コンピュータによるアニメーションはウィ
リアムス,アイザックス,フォーセィ及びセルビィが対
象物の物理的特性および対象を支配する物理的法則を考
慮に入れるようにしたことにより、近年ますますリアル
に、また美しくなってきている。ナイジェル及びカルバ
ートがアニメーションにおいて用いた対象物の動きを表
す方法は運動学(キネマテックス)と呼ばれる。この方
法は力やトルクを無視して、位置,速度,加速度のみを
用いて動きを表現するものであるが、この運動学を適用
したアニメーションにおいては、アニメータが動きの設
計を明確に行わなければならない。
Computer animation has become more and more realistic and beautiful in recent years as Williams, Isaacs, Forsey and Selby have taken into account the physical properties of the object and the physical laws governing the object. ing. The method used by Nigel and Calvert to represent the movement of objects in animation is called kinematics. This method ignores forces and torques and expresses movements using only position, velocity, and acceleration. However, in animations to which this kinematics is applied, the animator must clearly design the movements. I won't.

【0003】しかし、対象物の動きはそれ自体の性質や
環境との相互作用により決定されるので、運動学を適用
したアニメーションにおいてリアルな動きを生成するた
めに必要な現象について計量を行うのは容易ではない。
However, since the motion of an object is determined by its own nature and its interaction with the environment, it is not necessary to measure the phenomena required to generate a realistic motion in animation in which kinematics is applied. It's not easy.

【0004】これに対して、物体の運動を力との関係で
論じる動力学(ダイナミックス)として知られている方
法があり、この方法をアニメーション作成に適用すれば
少ない操作で複雑な動きを作成することができる。ま
た、この動力学を適用したアニメーション作成方法によ
れば、もう一つの大きな長所すなわち運動学を適用した
アニメーション作成における動きの設計の限界を避ける
ことができる。なお、以下の説明において逆動力学(イ
ンバースダイナミックス)なる用語が使用されている
が、これは一般に、動力学が力を与えて動き(例えば、
加速度)を計算するものであるのに対し、その逆計算す
なわち動きから力を計算するもので、用語は異なるが同
一の手法である。
On the other hand, there is a method known as dynamics for discussing the motion of an object in relation to force, and if this method is applied to animation creation, complicated motions can be created with few operations. can do. In addition, according to the animation creation method to which the dynamics are applied, another big advantage, that is, the limitation of the motion design in the animation creation to which the kinematics is applied can be avoided. In the following description, the term inverse dynamics is used, but in general, the dynamics give a force to move (for example,
(Acceleration) is calculated, whereas the inverse calculation, that is, the force is calculated from the motion, and the term is different but the same method.

【0005】しかし、動力学を適用したアニメーション
作成方法においては、計量が困難な慣性モーメント,重
心,関節の摩擦,筋肉/靭帯の弾性等の動的パラメータ
のデータが必要であり、これらのデータがないと運動学
を適用したアニメーション作成方法の場合と同様に非現
実的な動きになってしまう。また、比較的手間のかかる
動力学方程式を解く必要があり、関節を有し自由度が2
00もある人体においては、600もの微分方程式を同
時に解かなければならない。
However, in the animation creating method to which the dynamics are applied, dynamic parameter data such as the moment of inertia which is difficult to measure, the center of gravity, the friction of the joint, the elasticity of the muscle / ligament and the like are required, and these data are required. Without it, the movement becomes unrealistic as in the case of the animation creation method applying kinematics. Moreover, it is necessary to solve a relatively complicated dynamic equation, and it has joints and two degrees of freedom.
For a human body with as many as 00, as many as 600 differential equations must be solved simultaneously.

【0006】そのため、これまでに提案された動力学を
適用したアニメーション作成方法は実際の動きを再現す
るのに適しているとは言えず、人体や動物体の完全な動
きを再現する動力学を適用して動きの力を考慮したアニ
メーション作成方法はなかった。
[0006] Therefore, it cannot be said that the animation creation methods to which dynamics have been proposed so far are suitable for reproducing actual movements, and dynamics for reproducing complete movements of a human body or an animal body cannot be said. There was no animation method that applied it and considered the power of movement.

【0007】今までにも、アニメータの知識と技術を得
るためにツェルツァー等により人工知能(AI)やエキ
スパートシステムに基づいた研究は行われていた。ま
た、バドラーは自身の動力学を適用したアニメーション
を制約条件に基づいた方法を用い、ドリュウェリーとツ
ォツォスは目標指向アニメーションのためにフレームに
基づく方法の研究を行った。
Until now, research based on artificial intelligence (AI) and expert systems has been conducted by Zelzer et al. In order to acquire the knowledge and skills of animators. In addition, Badler used constraints-based animation for his dynamics, and Drewery and Zotzos studied frame-based methods for goal-oriented animation.

【0008】これらの研究における知識には、大きさ、
慣性のモーメントなどの人体や動物体の動きの基本的デ
ータ及びそれぞれの関節の動きの範囲を規定する制約条
件が含まれるが、これらの知識はアニメータの直観によ
り得られるものである。
Knowledge in these studies includes size,
Basic knowledge of the movement of the human or animal body, such as the moment of inertia, and constraints that define the range of movement of each joint are included, but this knowledge is obtained through the intuition of the animator.

【0009】従来の動力学を適用したアニメーション作
成方法は、人体の場合を例に挙げると 1.人体モデルを作成 2.人間の実際の動作を入力 3.入力された動作を解析 4.新規な動作を作成 5.動作を画面に表示 の5つの段階からなっている。
A conventional animation creating method to which dynamics are applied is as follows: Create a human body model 2. Input actual human movements 3. Analyze the input motion 4. Create a new action 5. It consists of five stages of displaying movements on the screen.

【0010】第1段階の「人体モデルを作成」では、人
体を動きの最小単位となる部分に分解し、これら各々の
部分固有の性質、相互の関係及び関節の動きの範囲等の
制約条件に基づき人体モデルを作成し、適宜のコンピュ
ータ言語で作成したデータとしてコンピュータのデータ
ベースに入力しておく。
In the first step, "creating a human body model", the human body is decomposed into parts that are the minimum units of motion, and the constraints peculiar to each of these parts, mutual relationships, joint motion ranges, etc. A human body model is created based on the data, and is input to a computer database as data created in an appropriate computer language.

【0011】第2段階の「人間の実際の動作を入力」で
は、計算の対象となる動作をビデオ画像のフレーム単位
あるいはフィルム画像のコマ単位で上記第1段階と同様
にしてコンピュータのデータベースに入力する。この場
合、複数の方向から同時に撮影した画像を用いれば、次
の段階の計算をより具体的に行うことができる。
In the second step "input actual human motion", the motion to be calculated is input to the computer database in the same way as in the first step in units of video image frames or frame units of film images. To do. In this case, if the images taken at the same time from a plurality of directions are used, the calculation in the next step can be performed more specifically.

【0012】第3段階の「入力された動作を解析」で
は、第2段階で入力された動作について各部分の重心お
よび全体の重心を計算し前記の逆動力学を用いて各関節
に働く力及びトルク、全体の重心に働く力及びトルクを
解析する。
In the third step, "Analysis of the input motion", the center of gravity of each part and the center of gravity of the whole of the motion input in the second stage are calculated, and the force acting on each joint is calculated by using the inverse dynamics. And torque, and the force and torque acting on the overall center of gravity are analyzed.

【0013】各部分の動作を計算するため、この動作解
析においては重心の線加速度を求めるのにニュートンの
方程式を用い、重心の角加速度を求めるのにオイラーの
方程式を用い、線加速度及び角加速度が得られたら、こ
れらを積分して速度を求め、さらに積分して位置を求め
る。
In order to calculate the motion of each part, in this motion analysis, Newton's equation is used to obtain the linear acceleration of the center of gravity, and Euler's equation is used to obtain the angular acceleration of the center of gravity. When is obtained, these are integrated to obtain the velocity, and further integrated to obtain the position.

【0014】この新規な動きを作成する第4段階におい
ては、ギブズの式を用いて動力学方程式を精密に解くウ
ィルヘルムスが提案した方法が優れている。しかし、ウ
ィルヘルムスの方法は概念が複雑であるうえに、nをア
ニメーションにおいて動きの最小単位になる人体を構成
する部分の数とした場合の計算量O(f(n))がn
の関数O(n)であり計算量が多いため、コンピュー
タによる計算が高くつくという理由で実際のアニメーシ
ョンには用いられていない。
In the fourth step of creating this new motion, the method proposed by Wilhelms for precisely solving the dynamic equation using Gibbs' equation is excellent. However, the Wilhelms method has a complicated concept, and the calculation amount O (f (n)) is n 4 when n is the number of parts constituting the human body which is the minimum unit of motion in animation.
Since it is a function O (n 4 ) of and has a large amount of calculation, it is not used in an actual animation because the calculation by the computer is expensive.

【0015】一方、アームストロングは計算量O(f
(n))がnの関数O(n)である計算を用いたアニメ
ーション作成方法を提案した。このアームストロングの
方法は、関節の線加速度と角加速度の間に一定の関係が
存在するという考えに基づいているが、この関係は軸の
回りの回転について無視することができる時にのみ成立
する。したがって、画面上に表示することができるのは
人体を構成する部分を線で表す線画(ライン・ピクチ
ャ)のみであり、軸の回りの回転について無視すること
ができない場合には、アームストロングの方法を用いる
ことはできない。したがって、アームストロングの方法
によっては人体を立体的に肉付けしてリアルに表示する
ことはできない。
On the other hand, Armstrong calculates O (f
We have proposed an animation creation method using a calculation where (n)) is a function O (n) of n. The Armstrong method is based on the idea that there is a constant relationship between the linear and angular accelerations of a joint, but this relationship only holds when rotation about an axis can be ignored. Therefore, if only the line drawing that represents the parts that make up the human body with lines can be displayed on the screen and the rotation around the axis cannot be ignored, the method of Armstrong is used. Cannot be used. Therefore, according to the method of Armstrong, the human body cannot be three-dimensionally fleshed and displayed realistically.

【0016】このように、実際のアニメーション作業に
おいては使いやすい対話形式によりリアルタイムに応答
する方法が必要であるにもかかわらず、これまでのアニ
メーション作業は試行錯誤により行われ対話形式による
リアルタイムに応答するものではなかった。
As described above, in the actual animation work, although the method of responding in real time by the easy-to-use interactive form is required, the animation work up to now is performed by trial and error and responds in real time by the interactive form. It wasn't something.

【0017】第5段階の「動作を画面に表示」において
は設計の途中あるいは設計が終了した新しい動きを画面
に表示するが、その際に表示された人体の動作と力の関
係に逆動力学を適用してラグランジェの方程式を用いて
計算し、重心の位置、体の各関節に発生している力の方
向を人体に合成して表示する。
In the fifth step of "displaying motions on the screen", a new motion during or after the design is displayed on the screen, but the inverse dynamics is applied to the relationship between the motion and force of the human body displayed at that time. Is calculated using the Lagrangian equation, and the position of the center of gravity and the direction of the force generated at each joint of the body are combined and displayed on the human body.

【0018】[0018]

【発明が解決しようとする課題】動力学を適用したアニ
メーション作成方法において上記の複雑な計算が必要に
なるということと、対話形式による使いやすい方法がな
いということと間には人間の動きに関する知識が欠け
ているという共通の問題が存在する。そこで、本発明に
おいては動力学を適用した新しいアニメーション作成方
法を提案し、実際の人間の動きを解析して得られた人間
の動きについての知識を用いて新規な人体の動きの完全
な作成を行う。
And that require complex calculations of the in animation creating method according to the kinetics [0005], relates to human motion between the fact that there is no easy-to-use method Interactive There is a common problem of lack of knowledge. Therefore, in the present invention, a new animation creating method applying dynamics is proposed, and a new human body motion is completely created by using the knowledge about the human motion obtained by analyzing the actual human motion. To do.

【0019】すなわち、本発明は試行錯誤あるいはアニ
メータの直感によることなく、コンピュータを用いて対
話形式により線画ではない肉付けされ立体的な人体や動
物体の動きの作成を実現することができるアニメーショ
ン作成方法を提供することを課題とするものである。
That is, the present invention is an animation creating method capable of creating a three-dimensional motion of a human body or an animal body which is not a line drawing by using a computer interactively without trial and error or intuition of an animator. The challenge is to provide.

【0020】[0020]

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明の動力学を適用したアニメーション作成方法
においては最初に、人間や動物の基本的な動きを解析
し、人体や動物体のそれぞれの関節に発生する力及びト
ルクを含む動的パラメータのデータを基本的な動きに関
する知識としてデータベースに入力する。
In order to solve the above-mentioned problems, in the animation creating method to which the dynamics of the present invention is applied, first, the basic movements of humans and animals are analyzed, and the human and animal bodies are respectively analyzed. Data of dynamic parameters including forces and torques generated in the joints of the above are input to the database as knowledge about basic movements.

【0021】次に、アニメータはデータベースにアクセ
スし、得られたデータを加工するが、コンピュータは制
約条件制約された動きの形で、前記逆動力学の計算
果を力の形でリアルタイムでアニメータにフィードバッ
クし、満足の行く結果が得られるまでこの過程を繰り返
すことにより、動きを対話形式により設計する。
Next, animator access the database, but to process the obtained data, the computer in the form of a motion that is constrained in the constraint, the inverse dynamics calculation binding <br/> results the power of Design the movement interactively by feeding back to the animator in real time in the form and repeating this process until a satisfactory result is obtained.

【0022】この動力学を適用したアニメーション作成
方法の計算量はnの関数O(n)であり、ウィルヘルム
スの方法に存在したコンピュータによる計算が高くつく
という問題を解決している。また、試行錯誤あるいはア
ニメータの直感によることなく、対話形式により線画で
はないなめらかに肉付けされた立体的でリアルな人体や
動物体の動きの作成を実現することができるアニメーシ
ョン作成方法を提供することができる。
The calculation amount of the animation creating method to which the dynamics are applied is a function O (n) of n, which solves the problem that the calculation by the computer, which is present in the Wilhelms method, is expensive. Also, it is possible to provide an animation creating method that can realize a three-dimensional and realistic movement of a human body or an animal body that is not a line drawing but is smoothly fleshed out interactively without trial and error or the intuition of an animator. it can.

【0023】[0023]

【発明の実施の形態】以下、図面を用いて本願発明の実
施例について説明する。図1に本発明のフローチャート
を示すが、このフローチャートは 1.人体モデルを作成 2.人間の実際の動作を入力 3.入力された動作を解析 4.動作の設計 5.動力学 6.制約条件を適用 7.逆動力学を適用 8.結果を画面に表示 の各段階から構成されている。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 shows a flowchart of the present invention. Create a human body model 2. Input actual human movements 3. Analyze the input motion 4. Design of movement 5. Dynamics 6. Apply constraints 7. Apply inverse dynamics 8. It consists of each stage of displaying the results on the screen.

【0024】第1段階の「人体モデルを作成」では、人
体を動きの最小単位となる部分(すなわち、関節で分離
される部分)に分解し、これら各々の部分固有の性質、
相互の関係及び関節の動きの範囲等の制約条件に基づい
て人体モデルを作成し、適宜のコンピュータ言語で記述
したデータとしてコンピュータのデータベースに入力し
ておく。
In the first step "creating a human body model", the human body is decomposed into parts that are the minimum units of motion (that is, parts that are separated by joints), and the properties peculiar to these parts are
A human body model is created based on mutual relations and constraint conditions such as the range of joint movement, and is input to a computer database as data described in an appropriate computer language.

【0025】第2段階の「人間の実際の動作を入力」で
は、計算の対象となる動作をビデオ画像のフレーム単位
あるいはフィルム画像のコマ単位で上記第1段階と同様
にコンピュータのデータベースに入力する。この場合複
数の方向から同時に撮影した画像を用いれば、次の段階
の計算をより具体的に行うことができる。
In the second step "input actual human motion", the motion to be calculated is input to the database of the computer in the frame unit of the video image or the frame unit of the film image as in the first stage. . In this case, if the images taken at the same time from a plurality of directions are used, the calculation in the next step can be performed more specifically.

【0026】第3段階の「入力された動作を解析」で
は、第2段階で入力された動きから逆動力学を用いて計
算し、各部分の重心、各関節に働く力及びトルク、全体
の重心、重心に働く力及びトルクを解析する。
In the third stage, "Analysis of input motion", calculation is performed using inverse dynamics from the motion input in the second stage, and the center of gravity of each part, force and torque acting on each joint, and total The center of gravity, the force acting on the center of gravity, and the torque are analyzed.

【0027】入力された動作の解析のみを行う場合は、
第3段階で得られた各部分の重心、各関節に働く力及び
トルク、全体の動き及び重心、全体の重心に働く力及び
トルクを矢印等により入力された実際の動作に重ねて画
面上に表示する。このようにして、動作の解析が行われ
る。
When only the input motion is analyzed,
The center of gravity of each part obtained in the third step, the force and torque acting on each joint, the overall movement and center of gravity, the force and torque acting on the entire center of gravity are overlaid on the actual motion input by arrows and the like and displayed on the screen. indicate. In this way, the operation is analyzed.

【0028】次に、上記の解析結果を利用して新しい動
きを設計する場合について説明する。新しい動作を設計
するためには、予め第1段階の人体モデルのデータ、第
2段階で得られた人間の実際の動作のデータ及び第3段
階で得られた解析結果のデータを上記と同様にデータベ
ースに入力しておく。
Next, a case of designing a new motion using the above analysis result will be described. In order to design a new motion, the human body model data of the first stage, the actual human motion data obtained in the second stage, and the analysis result data obtained in the third stage are used in the same manner as above. Fill in the database.

【0029】第4段階の動作の設計においては、アニメ
ータは最初にデータベースから基本的な動作を選択す
る。図2に示すのは格闘技の一種である少林寺拳法にお
ける左肘の動きをデータベースに基いて作成した制御グ
ラフであるが、この制御グラフにおいて横軸は時間を、
縦軸は体のそれぞれの関節に発生する力をX,Y,Zの
3軸について表している。なお、当然のこととして同一
の関節に発生する2つの力は、大きさが同じで方向が逆
である。
In the fourth stage motion design, the animator first selects a basic motion from the database. Figure 2 shows a control graph created based on a database of left elbow movements in Shorinji Kempo, which is a type of martial arts. In this control graph, the horizontal axis represents time.
The vertical axis represents the force generated at each joint of the body with respect to the three axes of X, Y, and Z. As a matter of course, the two forces generated in the same joint have the same magnitude and opposite directions.

【0030】また、複雑な動作は数個の制御グラフによ
り表される。例えば人物がイスから立ち上がって歩くと
いう動作を表す制御グラフは、連続した動作を合成して
構成される。なお、他の部分のそれぞれのグラフは例に
挙げた左肘の場合と同じ方法で設計する。
Further, complicated operation is represented by several control graphs. For example, a control graph representing a motion of a person standing up from a chair and walking is configured by combining continuous motions. The graphs for the other parts are designed in the same way as for the left elbow shown in the example.

【0031】次に、力が発生するすべての人体の部分に
ついて、制御グラフの横軸および縦軸の拡大・縮小を含
む物理的変数の変更を一括に行う全体的な変更及び体の
ある一部分に発生する力等の物理的変数を変更する部分
的な変更を行う。
Next, for all the parts of the human body where the force is generated, the physical variables including the enlargement / reduction of the abscissa and ordinate of the control graph are collectively changed and a part of the body is changed. Partial changes are made to change physical variables such as force generated.

【0032】第5段階の「動力学を適用」においては、
各部分の動作はアニメータにより指定された力及び各部
分の動きを支配する動力学方程式に基づいて各部分の動
きが計算される。その場合、図3(a)に示すように本
来体の各部分は相互に結合関係にあるのであるが、計算
量を減らすため(b)に示すように体の各部分は他の部
分と切り放され、人体の各部分の相互結合関係と関節の
動作の範囲に関する制約条件も一時的に無視される(図
3の(b)参照)。
In the fifth stage, "Applying Dynamics",
The motion of each part is calculated based on the force specified by the animator and the dynamic equation governing the motion of each part. In that case, as shown in FIG. 3 (a), each part of the body originally has a mutual connection relationship, but in order to reduce the calculation amount, each part of the body is separated from other parts as shown in (b). It is released, and the constraint condition regarding the mutual connection relation of each part of the human body and the range of motion of the joint is temporarily ignored (see (b) of FIG. 3).

【0033】各部分の動作を計算するため、本発明の動
作解析においては重心の線加速度を求めるのにニュート
ンの方程式を用い、重心の角加速度を求めるのにオイラ
ーの方程式を用い、線加速度及び角加速度が得られた
ら、これらを積分して速度を求め、さらに積分して位置
を求める。
In order to calculate the motion of each part, in the motion analysis of the present invention, Newton's equation is used to obtain the linear acceleration of the center of gravity, and Euler's equation is used to obtain the angular acceleration of the center of gravity. When the angular acceleration is obtained, these are integrated to obtain the velocity and further integrated to obtain the position.

【0034】第6段階の「制約条件の適用」では、各部
分の動作の計算結果について、人体の各部分の相互結合
関係と関節の動きの範囲の2つの物理的制約条件がチェ
ックされる。この処理は、基本的な部分から始まり、そ
の下位(例えば、人体の中心部から離れた部分)のそれ
ぞれの部分の位置、配列方向が順次チェックされる。こ
こでは下位の部分が上位の部分(例えば、人体の中心部
に近い部分)に常に接続されているか否か及び個々の関
節の動作が決められた範囲を越えているか否かの2つの
チェックを行う。
In the sixth step "application of constraint conditions", two physical constraint conditions, that is, the mutual connection relation of each part of the human body and the range of joint movement are checked for the calculation result of the motion of each part. This process starts from the basic part, and the position and arrangement direction of each of the lower parts (for example, the part away from the center of the human body) are sequentially checked. Here, two checks are made as to whether or not the lower part is always connected to the upper part (for example, a part close to the center of the human body) and whether or not the motion of each joint exceeds a predetermined range. To do.

【0035】その結果、図4(a)に示すように下位の
部分が上位の部分に接続されていない場合には、下位の
部分が上位の部分に接続されるように下位の部分を平行
移動させ、個々の関節の動きが一定の範囲を越えている
場合には、回転させてその関節の動きが範囲内になるよ
うに調整し、図4(b)に示すような自然な姿勢に修正
する。
As a result, when the lower part is not connected to the upper part as shown in FIG. 4A, the lower part is moved in parallel so that the lower part is connected to the upper part. If the movement of each joint exceeds a certain range, the joint is rotated so that the movement of the joint is within the range, and corrected to a natural posture as shown in FIG. 4 (b). To do.

【0036】第7段階の「逆動力学の適用」において
は、力と動作の関係を表現するラグランジュの方程式を
用いて、動きのデータから体の各関節に起こる力を計算
する。
In the seventh step, "application of inverse dynamics", the Lagrange equation expressing the relationship between force and motion is used to calculate the force generated at each joint of the body from the motion data.

【0037】新しい動作を設計する場合に、満足の行く
結果が得られない場合には第5段階から第6段階までの
過程を繰り返して、コンピュータ画面の表示との対話形
式により新しい動作の設計を行う。
When designing a new motion, if the satisfactory result is not obtained, the steps 5 to 6 are repeated to design the new motion interactively with the computer screen display. To do.

【0038】第8段階の「動作を画面に表示」において
は設計の途中あるいは設計が終了した新しい動きを画面
に表示する。その際に表示された人体の重心の位置、発
生している力の方向を人体に合成して表示することがで
き、このようにすれば表示された動作をより具体的に表
示することができる。
In the eighth step, "display motion on screen", a new movement during or after the design is displayed on the screen. The position of the center of gravity of the human body displayed at that time and the direction of the generated force can be combined and displayed on the human body. By doing so, the displayed action can be displayed more concretely. .

【0039】本発明においては、図1に示すように単純
な線形回帰アルゴリズムによっているから、逆動力学の
計算を行うための計算量はnの関数であるO(n)であ
る。これにより、n個の関節をもつ人体モデル全ての動
作に適応でき、3次元関節モデルの各部分に時間tにお
ける前記X,Y,Zの値を与えることにより、物理的に
は現実世界と同じ動きがコンピュータ内部に再現でき
る。
In the present invention, since a simple linear regression algorithm is used as shown in FIG. 1, the amount of calculation for calculating the inverse dynamics is O (n) which is a function of n. This makes it possible to adapt to all motions of the human body model having n joints, and by giving the values of X, Y, and Z at the time t to each part of the three-dimensional joint model, it is physically the same as the real world. The movement can be reproduced inside the computer.

【0040】このような、所謂逆動力学により、合理的
で完全な力の組合せを得ることができる。また、逆動力
学によらなければアニメータが完全な力の設計を見つけ
ることは不可能である。本発明においては、体の部分の
個々の配列方向はその関節の限界を越えると変化し、体
の各部分の個々の位置は体の物理的な制約条件にあては
まるようにされる。
By such so-called inverse dynamics, a rational and complete force combination can be obtained. Also, it is impossible for animators to find a perfect force design without inverse dynamics. In the present invention, the individual orientations of the body parts change beyond the limits of their joints, and the individual positions of each body part are adapted to the physical constraints of the body.

【0041】このようにして得られた人体の動きは人体
の下位の部分が上位の部分に常に接続され、個々の関節
の動作が決められた範囲を越えていていない自然なもの
であるから、そのまま肉付けして立体的にリアルに表示
することができる。
The motion of the human body thus obtained is natural because the lower part of the human body is always connected to the upper part, and the motion of each joint does not exceed the predetermined range. It is possible to add meat as it is and display it three-dimensionally and realistically.

【0042】また、本発明は試行錯誤あるいはアニメー
タの直感によることなく、コンピュータを用いて対話形
式により人体の動きを設計することができる。
Further, according to the present invention, the movement of the human body can be designed interactively using a computer without trial and error or the intuition of an animator.

【0043】以上説明した実施例においては人体を対象
とする場合に次いてのみ説明したが、この方法は動物体
へも全く同様にして適用可能である。
In the embodiments described above, only the case where the human body is targeted has been described, but this method can be applied to the animal body in the same manner.

【0044】[0044]

【発明の効果】以上説明したように、本発明の動力学を
適用したアニメーション作成方法は、実際の人間の基本
的な動きの解析及び新しい動きを作成する2つの過程か
らなる。そして、人間の基本的な動きの解析は人体モデ
ルの作成、実際の動作の入力、入力された動作の解析の
3段階で進み、新しい動きの作成は動力学、制約条件、
逆動力学の3段階で進み。動力学の段階では人体を関節
によって分離された50個のそれぞれ独立した部分に分
け、個々の部分の動きはニュートンの方程式とオイラー
の方程式を用いて他の部分の動きとは切り放して計算さ
れる。制約条件の段階では体の部分の相互結合関係及び
関節の動きの範囲がチェックされる。逆動力学の段階で
は、制約条件により修正された新しい動きを生む力を計
算する。その場合の全体の計算量はO(n)となり、従
来のO(n)と比較して大幅に計算量が低減される。
したがって、本発明のアニメーション作成方法により、
これまでの動力学によるアニメーションにあった計算の
問題を解決し、実際のアニメーション作業にうまく応用
できるようにし、リアルタイムのフィードバックができ
るようになった。そして、人体の各部分の動きを計算す
るため、重心の線加速度をニュートンの方程式を用い
て、重心の角加速度をオイラーの方程式を用いて求めて
いるから、体の部分の各々の重心の位置及びそれらの重
心にかかる力を求めて表示することができ、同様に全体
の重心の位置及びその重心にかかる力も求めて表示する
ことができる。また、線画ではないなめらかに肉付けさ
れた立体的でリアルな人体の動きの作成を実現すること
ができる。その上、アニメータはモデルの人体をディス
プレイ画面上で様々な視点から見ることができ、コンピ
ュータ画面との対話形式により体の部分を並行移動させ
たり、回転させたりすることができる。従って、アニメ
ータは絵とモデルの人体との間の対応関係を正確に把握
することができる。従来のアニメーション作成方法にお
ける知識には人体の動きの基本的データ及びそれぞれの
関節の動きの範囲を規定する制約条件が含まれるが、こ
の知識はアニメータの直観により得られるのに対して、
本発明のアニメーションにおける知識は人間の実際の動
きを解析して得られた実際の動的パラメータを指してい
る。したがって、この知識から作られた動きは科学的で
信頼性があり、リアルな動きを作ることができる。な
お、最近オブジェクト指向のモデルが様々な分野で用い
られており、オブジェクト指向の方法によるとユーザイ
ンターフェースは直接操作モデルになる。この直接操作
モデルは画面に表示された映像が対象物に反応するもの
であるから、本発明のアニメーション作成方法を用いれ
ば対象物を対象物空間で直接扱ったり操作したりするこ
とができる。また、本発明において示す動作解析方法及
び動作設計方法は、アニメーション作成方法以外にロボ
ットあるいは数値制御装置などの工業設備のプログラム
作成、スポーツあるいは芸能等における動作の学習、動
物の調教等の用途に適用すれば非常に有用である。
As described above, the dynamics applying method of the present invention comprises two steps of analyzing the basic movement of the actual human and creating a new movement. Then, the basic human motion analysis proceeds in three stages: human body model creation, actual motion input, and input motion analysis, and new motion creation involves dynamics, constraints, and
Go through the three stages of inverse dynamics. At the stage of dynamics, the human body is divided into 50 independent parts separated by joints, and the motion of each part is calculated by using Newton's equation and Euler's equation and separated from the motion of other parts. . In the constraint stage, the mutual connection relation of body parts and the range of joint movement are checked. In the inverse dynamics stage, the force that produces the new motion modified by the constraints is calculated. In that case, the total calculation amount is O (n), and the calculation amount is significantly reduced as compared with the conventional O (n 4 ).
Therefore, according to the animation creating method of the present invention,
It solves the problem of calculation in animation by dynamics so that it can be applied to actual animation work well, and real-time feedback can be done. In order to calculate the movement of each part of the human body, the linear acceleration of the center of gravity is calculated by using Newton's equation and the angular acceleration of the center of gravity is calculated by using Euler's equation. Also, the force applied to those centers of gravity can be obtained and displayed, and similarly, the position of the entire center of gravity and the force exerted on the center of gravity can be obtained and displayed. Further, it is possible to realize the creation of a three-dimensional and realistic movement of the human body which is not a line drawing and is smoothly fleshed out. Furthermore, the animator can see the human body of the model from various viewpoints on the display screen, and can move or rotate the body parts in an interactive manner with the computer screen. Therefore, the animator can accurately grasp the correspondence between the picture and the human body of the model. The knowledge in the conventional animation creation method includes the basic data of the movement of the human body and the constraint conditions that define the range of the movement of each joint, but this knowledge is obtained by the intuition of the animator.
The knowledge in the animation of the present invention refers to actual dynamic parameters obtained by analyzing actual human movements. Therefore, the movements created from this knowledge can be scientific, reliable and realistic. Recently, object-oriented models have been used in various fields, and according to the object-oriented method, the user interface becomes a direct operation model. In this direct operation model, the image displayed on the screen reacts with the object, so that the object can be directly handled or operated in the object space by using the animation creating method of the present invention. In addition to the animation creating method, the motion analyzing method and the motion designing method shown in the present invention are applied to applications such as programming of industrial equipment such as robots or numerical control devices, learning of operations in sports or entertainment, training of animals, etc. It will be very useful.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】 アニメーション作成方法のフローチャート。FIG. 1 is a flowchart of an animation creating method.

【図2】 関節に働く力の例の制御グラフ。FIG. 2 is a control graph of an example of a force acting on a joint.

【図3】 動力学による計算の模式図。FIG. 3 is a schematic diagram of calculation by dynamics.

【図4】 逆動力学による計算の模式図。FIG. 4 is a schematic diagram of calculation by inverse dynamics.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】人体モデルの動きをコンピュータ画面上に
再現するためのアニメーション作成方法において、 前記人体を関節で区分される動きの最小単位に分解して
作成した部分からなる人体モデルの前記最小単位の固有
の性質、相互の関係および関節の動きの範囲の制約条件
を記述したデータをデータベースに入力する段階と、 前記人体の実際の動作をビデオ画像のフレーム単位ある
いは画像のコマ単位の何れかに基づいて記述したデータ
をデータベースに入力する段階と、 前記動作入力段階で入力したデータに基づいて実際の人
体の全体および前記人体モデルの最小単位に対応する各
部分の重心、各関節に働く力、トルクを解析してデータ
ベースに入力する段階と、 データベースから前記人体モデルの基本的な動作に対応
する前記人体の実際の動作の解析データをデータベース
から選択し、実際の人体のモデルの最小単位に対応する
各部分の重心、各関節に働く力、トルクから新しい動作
を他の部分と切り離し、各部分の相互関係と関節の動き
の範囲の物理的制約条件を無視して計算する段階と、 前記計算した新しい動作に対して前記各部分の相互関係
と関節の動きの範囲の物理的制約条件を適用して前記新
しい動作を修正する過程を繰り返す段階と、 からなることを特徴とするアニメーション作成方法。
1. A method for creating an animation for reproducing the motion of a human body model on a computer screen, wherein the minimum unit of the human body model is composed of parts created by breaking down the human body into minimum units of motion divided by joints. Inputting to the database data describing the inherent properties of each other, the mutual relations, and the constraint conditions of the range of joint movements, and the actual movement of the human body in either frame units of video images or frame units of images. Based on the data input in the operation input step, the step of inputting the data described based on the data, the center of gravity of each part corresponding to the minimum unit of the actual human body and the human body model, the force acting on each joint, The step of analyzing and inputting the torque into the database, and the step of the human body corresponding to the basic movement of the human body model from the database Select the analysis data of the actual motion from the database, separate the new motion from other parts based on the center of gravity of each part corresponding to the smallest unit of the actual human body model, the force acting on each joint, and the torque, and the interrelationship of each part And ignoring the physical constraints of the range of motion of the joint, and applying the physical constraints of the range of the range of motion of the joint and the mutual relation of the respective parts to the calculated new motion. An animation creation method characterized by comprising the steps of repeating the process of modifying a new action, and.
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