CN1332360C - 一种用计算机创建三维运动的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用计算机创建三维运动的方法，用于利用已有运动动作的三维运动数据创建新的三维运动动作；本方法包括：将已有运动动作分割为运动片段并建立运动片段库；根据所需要创建的新的三维运动动作选取运动片段；对所选取的运动片段进行拼接，得到所述新的三维运动动作。本发明方法的优点在于：有良好的通用性，对不同类型的运动对象的三维运动都可以采用本方法创建；采用可视化的方法，使得对运动对象的运动的创建更直观、简单；可快速实现新的运动动作的创新；三维的运动数据可视化地反映出来，符合人们的视角习惯；可以利用交互设备对三维的运动数据的某个部分进行操作。
Description
技术领域
本发明涉及一种用计算机仿真方法，更具体地说，是涉及一种计算机创建三维运动的方法。
背景技术
运动的计算机仿真与分析是计算机仿真领域的一个热点问题，其中研究最为广泛的是人体运动的计算机仿真和分析。人体运动的计算机仿真和分析在体育运动分析领域有着重要的应用价值。人体运动的计算机仿真结果一般可以用计算机三维人体动画方式显示出来，用户可以从不同的位置与方向去观看显示结果。
在用计算机进行三维运动的仿真时，现有技术中通常是对已有的运动动作进行计算机仿真，但是这有时不能满足实际的需要。例如，教练员在进行运动员训练时，不仅需要训练一些成熟的已有运动动作，还需要设计一些创新的三维运动动作，尤其在体操运动中，这些创新的动作往往是比赛中得分的重点。这些创新的三维运动动作往往是反应教练员一些新的想法，是现有的运动中不曾出现或者不成熟的运动动作。现有技术中没有提供一种方法能够用计算机去仿真教练员所设计的创新动作，教练员通常只能通过语言描述，将他们的想法和创意讲授给运动员，再由运动员实施出来。但教练在进行动作创新时，往往有一个深思熟虑、反复推敲的过程，而这个过程一般不容易让运动员去表现出来，因为这些创新不一定适合运动员的动作，或者运动员不一定能理解到教练的想法。
因此，就需要有一种方法能够使用计算机创建教练员所设计的创新运动动作，这样就能将教练员的创新思想在计算机上利用三维虚拟运动员可视化的表现出来，以便对这些动作进行具体地分析。当创新的动作达到一定的成熟程度时，再让运动员比照这些运动进行训练，就能够使训练到达事半功倍的效果。
事实上，对于其它的一些领域，也需要有一种方法能够用计算机去创建那些未曾实现的新的三维运动动作。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术无法对未实现动作进行三维仿真的缺点，从而提供一种三维运动的创建方法，利用现有的运动对象的三维运动数据，实现对运动对象的未完成动作的三维仿真。
为了实现上述目的，本发明提供了一种三维运动的创建方法，其具体操作步骤如下：
1)将已有运动动作分割为运动片段并建立运动片段库，在分割运动片段时采用手工法和/或加速度判别法；
2)根据所需要创建的新的三维运动动作选取运动片段；
3)对所选取的运动片段进行拼接，得到所述新的三维运动动作，所述拼接包括对所选取的运动片段进行时间的拼接和运动重心的拼接；
4)、将步骤3)得到的新的三维运动动作的三维运动数据驱动一个虚拟三维运动对象模型，将该虚拟三维运动对象模型的三维运动动作显示在计算机屏幕上；
5)、对计算机屏幕上显示的新的三维运动进行可视化的修改和编辑。
上述技术方案中，步骤2)中，所述的运动片段的选取采用自动获取或手工获取的方法。
上述技术方案中，在步骤2)和步骤3)之间还包括一预处理步骤，用于对所选取的运动片段进行预处理。
所述的预处理步骤包括对所选取的运动片段进行仿射变换和镜像变换。本发明的优点在于：
1、本发明的方法有良好的通用性，对不同类型的运动对象的三维运动都可以采用本发明方法来创建。
2、采用可视化的方法，使得对运动对象的运动的创建更为直观、更简单。
3、本发明可以快速实现新的运动动作的创新。
4、三维的运动数据可视化地反映出来，符合人们的视角习惯。
5、可以利用交互设备对三维的运动数据的某个部分进行操作，例如鼠标等。
附图说明
图1是本发明的一个优选实施方式的流程图；
图2是蹦床项目中运动片段示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
图1示出了本发明的用计算机创建三维运动的方法的一个优选实施方式，包括如下步骤：
步骤10：利用现有的三维运动捕获设备，例如Vicon 612等，得到运动对象的三维运动数据。这里获取的三维运动是指那些已有的三维运动，是运动对象(例如运动员)已经可以实现或者说已经可以完成的三维运动动作。而且，这里的三维运动数据的获取一般是在同一个运动领域内进行的，也就是说这里的三维运动数据通常是与将要仿真的创新运动动作属于相同的运动领域，例如，同属于蹦床运动或者同属于体操运动。进一步的，在该步骤中，还要尽可能多地获取该运动领域中各种不同的运动动作，以便为步骤20作准备。最后将这些三维运动数据存储在计算机中。
步骤20：获取运动片段，建立运动片段库。将步骤10获取的三维运动数据分解成多个运动片段，每一个运动片段由一个或者多个基本运动单元组成。基本运动单元是指在体育运动或其它的运动过程中具有最基本运动意义的一个动作，比如跳，翻转等。在很多体育运动中，如蹦床运动，一套完整的运动动作都是由这些运动单元组成。在将三维运动分解为运动片段时，可以采用手工的方法和加速度判别法结合进行。加速度判别法是指：当运动对象的运动内容发生改变的时候，运动对象的某部分的加速度会产生转折性的变化，所以可以根据加速度的变化来判断运动片段的开始和结束，从而切分出运动片段。最后，将所分解出来的运动片段组成一个运动片段库，存储在计算机中。图2示出了在一个实施例中对蹦床运动进行运动切分以后得到的运动片段，所有这些运动片段组成了一个运动片段库。
步骤30：根据要创新的动作选取运动片段。使用者根据自己对一个创新动作的构想，从运动片段库中选取所需要的运动片段。运动片段的选取可以采用自动选取或手工选取的方法。其中，自动选取是根据运动片段的相似性，由计算机程序自动选取满足一定条件的某些运动片段进行排列组合，该选取条件可以由用户自行设定。例如，设定某一翻转的动作，则计算机程序会在运动片段库中自动查找与该翻转动作相类似或者可衔接的动作。而手工选取则完全根据作者的需要，从运动片段库中查找他所需要的运动片段。
步骤40：对选取的运动片段进行拼接的预处理。由于所选取的多个运动片段可能是从不同时间、不同捕获系统获得的三维运动中分割出来的，这些运动片段或者说运动对象在大小、角度和/或视角上会存在一定的差异，因此需要对这些运动片段分别进行预处理，使得这些运动片段保持一致。此外，所选取的运动片段与要创新的运动动作所实际需要的运动片段也可能存在差异，因此也需要对所选取的运动片段进行预处理。通常可采用仿射变换和镜像变换对所选取的运动片段进行预处理，可实现运动片段的平移、缩放和旋转，以得到符合需要的运动片段。
步骤50：将预处理后的运动片段进行拼接成一个完整的新的三维运动动作。在拼接过程中主要需要实现各运动片段时间的拼接和运动重心的拼接。时间的拼接需要使得相邻的两个运动片段在时间上连续，也就是说下一个运动片段的开始帧的时间要在前一运动片段的末尾帧的时间的基数上开始。运动重心的拼接就是要将下一个运动片段的开始帧的重心位置平移到前一运动片段的末尾帧的重心位置上去。在这里，各运动片段时间的拼接和运动重心的拼接可采用仿射变换完成。
将各个运动片段拼接起来以后，各个运动片段中的运动之间不可避免地存在运动不连续的问题，因此优选还要对运动片段间的过渡进行插值。在一个实施例中所采用的插值方法为四元数插值法，四元数插值法是一种现有的成熟技术。
步骤60：将拼接好的可视化的方法对拼接后的运动动作进行修改和编辑。在步骤50的拼接完成之后，最好还利用本步骤60对拼接好的运动动作的三维运动数据的局部或者全局进行调整，使整体运动变得更协调，或者实现创新性的动作。在步骤60中，首先用拼接好的运动动作的三维运动数据驱动一个虚拟的三维运动对象模型，将该运动动作直观地反映到计算机屏幕上，然后使用者可以选定运动对象上所需要编辑的部位或关节，直观地托动鼠标或者输入相应的命令，改变该部位或关节的位置或旋转方向，同时，计算机中所存储的与该运动动作相关联的三维运动数据也产生相应的改变，也就实现了对运动动作的修改与编辑。
在步骤60中，虚拟三维运动对象模型为根据运动对象的特点建立起来的三维模型，以人为例，虚拟三维运动员模型是根据运动员身材的特点所建立的三维模型，它的格式可以是3DS或VRML，这些虚拟三维运动员模型能够根据用户输入的三维运动数据产生各种运动。上述模型都是成熟的现有技术。
在步骤60中，主要是对拼接好的运动动作中的关键帧进行编辑和修改，但修改结果可以平滑影响到附近的多帧；也可以对关键帧附近的多帧进行整体修改，比如将N帧运动都位移同一个距离。
Claims (4)
1、一种用计算机创建三维运动的方法，用于利用已有运动动作的三维运动数据创建新的三维运动动作；该方法包括：
1)将已有运动动作分割为运动片段并建立运动片段库，在分割运动片段时采用手工法和/或加速度判别法；
2)根据所需要创建的新的三维运动动作选取运动片段；
3)对所选取的运动片段进行拼接，得到所述新的三维运动动作，所述拼接包括对所选取的运动片段进行时间的拼接和运动重心的拼接；
4)将步骤3)得到的新的三维运动动作的三维运动数据驱动一个虚拟三维运动对象模型，将该虚拟三维运动对象模型的三维运动动作显示在计算机屏幕上；
5)对计算机屏幕上显示的新的三维运动进行可视化的修改和编辑。
2、根据权利要求1所述的用计算机创建三维运动的方法，其特征在于，步骤2)中，所述的运动片段的选取采用自动获取或手工获取的方法。
3、根据权利要求1所述的用计算机创建三维运动的方法，其特征在于，在步骤2)和步骤3)之间还包括一预处理步骤，用于对所选取的运动片段进行预处理。
4、根据权利要求3所述的用计算机创建三维运动的方法，其特征在于，所述预处理步骤包括对所选取的运动片段进行仿射变换和镜像变换。
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