DE69130438T2

DE69130438T2 - Graphischer Computer und Verfahren zum Darstellen von Bewegung eines Multi-Gelenkobjekts

Info

Publication number: DE69130438T2
Application number: DE69130438T
Authority: DE
Inventors: Ryozo Hitachi-Shi Takeuchi; Munetoshi Hitachi-shi Unuma
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1990-07-12
Filing date: 1991-07-11
Publication date: 1999-04-08
Anticipated expiration: 2011-07-12
Also published as: DE69130438D1; EP0466154A3; KR100207131B1; EP0466154B1; US5483630A; US20020003540A1; EP0466154A2; KR920002280A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Computergrafikvorrichtung und ein Computergrafikverfahren zur Darstellung einer Bewegung, bei denen eine Bewegung eines Objekts mit mehreren Gelenken, wie eines Menschen oder eines Tiers, dargestellt wird.
Zur Darstellung von Bewegungen, wie der Aktion des Gehens und Rennens eines Menschen, und von Bewegungen eines Pferds und einer Spannerraupe durch eine Computergrafik wurde im allgemeinen ein Schlüsselrahmenverfahren verwendet. Gemäß dem Schlüsselrahmenverfahren definiert der Benutzer zur Erzeugung von Bewegungen eines Objekts mit mehreren Gelenken, wie eines Menschen oder eines Pferds, zunächst jeweils zu einem Zeitpunkt und zu einem nachfolgenden Zeitpunkt dessen Kontouren. Die Kontouren zwischen diesen Zeitpunkten werden auf der Grundlage einer Interpolation derart bestimmt, daß die jeweiligen derart ermittelten Kontouren bzw. Formen in Form einer zeitlichen Abfolge nacheinander angezeigt werden, um dadurch ein bewegtes Bild zu erzeugen, in dem das Objekt mit mehreren Gelenken eine tatsächliche Aktion auszuführen scheint. Bei dem Schlüsselrahmenverfahren tritt jedoch das Problem auf, daß eine derartige Bestimmung von Kontouren für die Bewegung des Objekts in Form einer zeitlichen Abfolge einen langen Zeitraum erfordert, wodurch folglich ein erhebliches Maß an Verarbeitungszeit erforderlich ist und dem Bediener eine schwere Belastung auferlegt wird. Bisher wurde zur Überwindung dieses Problems, wie in einem in "Proceedings of IECE of Japan", Jan. 1980, Bd. J63- D, Nr. 1 veröffentlichten Artikel mit dem Titel "A Study of Computer Animation Composed of Animation Primitives by Trigonometric Motion Approximation" beschrieben, eine Aktion eines Menschen mit einer Kamera aufgenommen, um zur Messung von Bewegungen repräsentativer Punkte von Gelenken auf einem 16- Millimeter-Film ein bewegtes Bild von ihr zu erhalten. Für jeden der vorstehend genannten Gelenkabschnitte werden in bezug auf Bezugspositionen in Form einer Funktion der Zeit T horizontale und vertikale Positionen X und Y in Zentimetern ermittelt, wodurch eine Position der Bewegung jedes Gelenkabschnitts bestimmt wird. Anschließend erfolgt eine Näherung der Position der Bewegung durch eine gerade Linie und eine trigonometrische Kurve, so daß das Computersystem Berechnungen auf der angenäherten Kurve ausführt, um jeweilige Kontourdatenelemente in einer zeitlichen Abfolge zu erhalten, die dann in dem Grafiksystem nacheinander als bewegtes Bild angezeigt werden.
Gemäß dem vorstehend beschriebenen Stand der Technik wird die derart durch den Vorgang der Aufnahme auf einem 16- Millimeter-Film erhaltene Bewegung jedes Gelenks analysiert, um zu jedem Zeitpunkt Veränderungen der Positionen in der X- Richtung und der Y-Richtung in bezug auf die jeweiligen Bezugspositionen zu extrahieren und dadurch die durch Näherung ermittelte Kurve der Bewegung des Menschen zu bestimmen. Dementsprechend wird ein zufriedenstellendes bewegtes Bild entwickelt, wenn die Aktion durch die durch Näherung ermittelte Kurve auszudrücken ist. Die durch Näherung ermittelte Kurve kann jedoch nicht angewendet werden, wenn beispielsweise die Größe des Objekts verändert wird oder wenn die Dimensionsverhältnisse zwischen den jeweiligen Gelenken bei der Bewegung verändert werden. In diesen Fällen tritt das Problem auf, daß tatsächlich eine erneute Ausführung des Aufnahmevorgangs des Objekt in der betreffenden Größe und/oder mit dem entsprechenden Verhältnis zwischen den Gelenken erforderlich ist, was zu einem eingeschränkten Grad an Freiheit bei der Darstellung der bewegten Bilder führt. Dies bedeutet, daß gemäß der herkömmlichen Technik bei der Erzeugung eines bewegten Bilds eines Objekts mit mehreren Gelenken in einem Computergrafiksystem das Bild nur als Analogie des einem derartigen Aufnahmevorgang unterzogenen wirklichen Objekts dargestellt werden kann. Dies bedeutet, daß in der Computergrafik verschiedene Aktionen nicht entwickelt werden können. Es kann beispielsweise nur die Aktion eines gewöhnlichen Gehens eines von der Kamera aufgenommenen Menschen in dem grafischen Bild dargestellt werden. Selbst bei einer Modifikation der normalen oder Standardaktion kann nämlich kein bewegtes Bild beispielsweise einer ungestümen Gehaktion oder einer freudigen oder fröhlichen Gehbewegung erhalten werden. Dementsprechend war bisher zum Ausdrücken einer derartigen vorstehend genannten Aktion das Aufnehmen beispielsweise eines tatsächlich ungestüm gehenden menschlichen Modells durch eine Kamera erforderlich, um ein Bild des ungestümen Gehens zu erhalten, das dann zur Implementation eines objektiven bewegten Bilds analysiert wurde. Anders ausgedrückt können bei der Erzeugung eines bewegten Bilds von Tieren, Insekten und imaginären Objekten, bei denen verschiedene Aktionen nicht wirklich durch eine Kamera aufgenommen werden können, verschiedene Bewegungen in einer Computergrafik nicht leicht dargestellt werden.
Zudem war bei der herkömmlichen Technik die Erzeugung einer Aktion mit einem Gefühlsausdruck eines Menschen unmöglich, der normalerweise beispielsweise durch ein Merkmal ausgedrückt wird. Dies bedeutet, daß eine charakteristische Ak tion bei einer menschlichen Emotion in einem bewegten Bild des Objekts mit mehreren Gelenken nicht wiedergegeben werden kann.
In der WO-A-8 909 458 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung für eine Computeranimation dargestellt, bei denen ein Arbeitsplatz einen Computer und eine Peripherieanlage zur Erzeugung einer grafischen Bewegungsabfolge für eine Trickfigur durch Kompilieren einer Aufzeichnung von Meßdaten von strategischen Teilen eines Darstellers und zur Speicherung von die zu bewegende Figur betreffenden Informationen in einem Speicher umfaßt. Die Figur wird in mehrere Abschnitte unterteilt, die in bezug aufeinander bewegt werden können. Die Meßdatenaufzeichnung für jeden Abschnitt wird in Form eines Raumwinkels erhalten. Überdies ist eine Gruppierung eines vorgegebenen Elements aus perspektivischen Zeichnungen in digitalisierter Form in einem jeweiligen Bereich des Speichers gespeichert, wobei jede Gruppierung in mehreren unterschiedlichen Raumwinkelpositionen gespeichert ist.
Gemäß dieser bekannten Technik ist es erforderlich, für jede Bewegungsänderung eine vollständigen Satz von Daten zu berechnen, so daß eine hohe Speicherkapazität erforderlich ist.
In den Druckschriften US-A-4 600 919 und "Systems and Computers in Japan", Bd. 19, Nr. 5, Mai 1988, New York, USA, Seiten 82-88, I. Agui et al., "Tree-Dimensional Computer Animation by Trigonometric Approximation to Aperiodic Motion" sind weitere, eine dreidimensionale Computeranimation betreffende, bekannte Techniken beschrieben.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Computergrafikvorrichtung und ein Verfahren zur Darstellung einer Bewegung eines Objekts zu schaffen, bei denen mit einem vergleichsweise kleinen Speicher und einer geringen erforderlichen Anzahl an Eingangsinformationen verschiedene Bewegungen ausgeführt werden können.
Die Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Die abhängigen Ansprüche zeigen vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterentwicklungen der Erfindung.
Wird eine Bewegung eines Objekts mit mehreren Gelenken durch Steuern einer Aktion jedes Gelenks des Objekts auf einem Bildschirm dargestellt, kann ein Biegewinkel jedes Gelenks durch eine von einem Abstand zwischen den Gelenken unabhängige Funktion derart ausgedrückt werden, daß anhand der Funktion Daten einer Kontour des bewegten Objekts mit mehreren Gelenken erhalten werden, wodurch ein Bild des Objekts entsprechend einer Veränderung der Größe und/oder eines Dimensionsverhältnisses zwischen seinen Gelenken angezeigt wird.
Überdies kann bei einer Darstellung einer Bewegung eines Objekts mit mehreren Gelenken auf einem Bildschirm durch Steuern einer Aktion jedes Gelenks des Objekts ein Biegewinkel jedes Gelenks durch die folgende, von einem Abstand zwischen den Gelenken unabhängige Funktion ausgedrückt werden.
θm(t) = Dm + Amn · sin(n · t + Ψmn - Φm·n) ... (1),
wobei
Dm : Gleichstromkomponente
Amn : Amplitude jeder Frequenzkomponente
Ψmn : Phase
m : Nummer des Gelenks
n : höhere Harmonie n-ter Ordnung
Φm : Phasendifferenz von höheren Harmonien erster Ordnung zwischen einem Bezugsgelenk und einem m-ten Gelenk (wobei für das Bezugsgelenk Φm = 0 gilt).
Daten bezüglich einer Kontour des bewegten Objekts mit mehreren Gelenken werden anhand von Werten der Funktion θm(t) für jedes Gelenk ermittelt.
Wenn eine Bewegung eines Objekts mit mehreren Gelenken durch Steuern einer Aktion jedes Gelenks des Objekts auf einem Bildschirm dargestellt wird, kann ein Biegewinkel jedes Gelenks durch eine von dem Abstand zwischen den Gelenken unabhängige Funktion ausgedrückt werden, und bei der Darstellung der Bewegung des Objekts werden Komponenten der jeweiligen Funktionen verändert.
In der Funktion (1) wird mindestens einer der Parameterwerte Dm, Amn und Ψmn verändert.
Bei einem Robotersteuerungsvorgang, bei dem einem Roboter mit mehreren Gelenken Anweisungen bezüglich Operationen zugeführt werden, um den Roboter anzuweisen, eine bestimmte Bewegung auszuführen, kann ein Biegewinkel jedes Gelenks durch eine von einem Abstand zwischen den Gelenken unabhängige Funktion derart ausgedrückt werden, daß auf der Grundlage der Funktion Positionsdaten für jedes Gelenk des Roboters berechnet werden, wodurch die Betriebsanweisungen erzeugt werden.
Ein Biegewinkel jedes Gelenks eines Objekts mit mehreren Gelenken kann durch eine von einem Abstand zwischen Gelenken unabhängige Funktion derart ausgedrückt werden, daß durch die Funktion ein Merkmal einer Bewegung, wie ein durch ein Element einer menschlichen Emotion ausgedrücktes, das sprachlich durch ein Merkmal repräsentiert werden kann, wiedergegeben wird.
Bei der Darstellung einer Bewegung eines Objekts mit mehreren Gelenken auf einem Bildschirm durch Steuern einer Aktion jedes Gelenks des Objekts kann die Aktion des Objekts durch eine Funktion der Zeit ausgedrückt werden. Eine Einrichtung zur Veränderung von Parametern, die derart beschaffen ist, daß sie verschiedene Arten von Bewegungen entwickelt, umfaßt zumindest eine der folgenden Einrichtungen: eine Einrichtung zur Ermittlung eines Mittelwerts von Parametern jeder mehrere Aktionen repräsentierenden Funktion der Zeit, eine Einrichtung zur Steuerung einer Richtung bzw. einer Ausrichtung des Objekts mit mehreren Gelenken, eine Einrichtung zur Erzeugung eines Wegs einer Bewegung, eine Einrichtung zur Veränderung einer Schrittlänge zwischen einer Innenseite und einer Außenseite einer Kurve, eine Einrichtung zur Berücksichtigung eines Einflusses einer Zentrifugalkraft, eine Einrichtung zur Steuerung einer Schrittlänge bei der Bewegung, eine Einrichtung zur Interpolation der Funktion der Zeit in bezug auf einen Raum, eine Einrichtung zur Kombination einer durch das Schlüsselrahmenverfahren erzeugten Aktion mit einer anhand der Funktion der Zeit erzeugten Aktion, eine Einrichtung zur Erzeugung einer Funktion der Zeit anhand der gemessenen Daten, eine Einrichtung zur Erzeugung einer Funktion der Zeit anhand der durch das Schlüsselrahmenverfahren erzeugten Aktion oder eine Einrichtung zur Korrektur der Funktion der Zeit.
Wenn, wie vorstehend ausgeführt, ein Biegewinkel jedes Gelenks eines Objekts mit mehreren Gelenken durch eine Funktion ausgedrückt wird, kann der Winkel unabhängig von einem Abstand zwischen den Gelenken sein. Dementsprechend kann, wenn eine Kontour eines darzustellenden Objekts mit mehreren Gelenken abhängig von dem Biegewinkel jedes Gelenks berechnet wird, die Berechnung unabhängig von der Größe des Objekts ausgeführt werden; die Funktion muß nämlich für die Berechnung nicht erneut erstellt werden. Dementsprechend kann selbst bei einer Änderung der Größe des Objekts mit mehreren Gelenken die Berechnung seiner Kontour unter Verwendung der vorab erstellten Funktionen ausgeführt werden. Überdies muß der Benutzer zum Verändern der Darstellung der Bewegung lediglich Parameter der zu verändernden Funktion, beispielsweise eine Änderungsrate des Biegewinkels jedes Gelenks, verändern.
Überdies kann bei der Berechnung von Mittelwerten der jeweiligen Parameter der bei der Darstellung einer Bewegung mehrere Aktionen repräsentierenden Funktionen der Zeit die Bewegung abhängig von einem Mittelwert mehrerer Funktionen der Zeit dargestellt werden.
Der Benutzer kann die Richtung der Fortsetzung der Bewegung durch Einstellen der Richtung des Objekts mit mehreren Gelenken steuern.
Das Objekt kann auf der Grundlage eines vorab erstellten Wegs der Bewegung beliebig in einem Raum bewegt bzw. verschoben werden.
Die Weite der millimeterweisen Bewegung wird zwischen der Innen- und der Außenseite einer Kurve variiert, und dadurch wird das Rutschen eines Fußes verhindert.
Aufgrund der Berücksichtigung des Einflusses der Zentrifugalkraft kann bei einer kreisförmigen Bewegung eine Neigung eines Körpers dargestellt werden.
Die Anzahl der Schritte in einem Intervall kann abhängig von einer bei einer Bewegung überwachten Schrittweite gesteuert werden.
Auf der Grundlage einer Interpolation einer Funktion der Zeit in bezug auf einen Raum kann die Bewegung bei der Bewegung des Objekts verändert werden. Abhängig von einer Interpolation einer Funktion der Zeit in bezug auf die Zeit kann die Bewegung abhängig von der verstrichenen Zeit verändert werden.
Durch Kombinieren einer durch das Schlüsselrahmenverfahren erzeugten Bewegung mit einer durch eine Funktion der Zeit erzeugten kann eine Bewegung wiedergegeben werden, die allein durch die Funktion der Zeit nicht dargestellt werden kann.
Zur Erzeugung einer Funktion der Zeit, die eine Erzeugung einer tatsächlichen Bewegung abhängig von der Funktion der Zeit ermöglicht, werden Meßdaten verarbeitet.
Eine Funktion der Zeit wird anhand einer durch das Schlüsselrahmenverfahren erhaltenen Bewegung erzeugt, und daher kann anhand der Funktion der Zeit eine Aktion erzeugt werden, die in der verfügbaren Umgebung nicht wirklich existiert.
Eine Funktion der Zeit kann durch eine Interpolation der Funktion der Zeit korrigiert werden.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist ein schematisches Diagramm, das den Aufbau einer Computergrafikvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 2 ist ein Diagramm, das die Konstruktion des Bildschirms der Computergrafikvorrichtung zeigt;
Fig. 3 ist ein Diagramm, das ein Bild eines Menschen in einer Linienzeichnung zeigt;
Fig. 4 ist ein Diagramm, das Meßwerte einer Veränderung der Biegewinkel primärer Gelenke des Menschen darstellt;
Fig. 5 ist ein Diagramm, das ein eine Kurve 3a gemäß Fig. 4 betreffendes Spektrum zeigt;
Fig. 6 ist ein schematisches Diagramm, das den Aufbau einer Computergrafikvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 7A ist ein mit der Kurve 3a gemäß Fig. 4 identisches Diagramm, das eine Veränderung des Biegewinkels eines Kniegelenks bei der Aktion eines gewöhnlichen Gehens darstellt;
Fig. 7B ist ein Diagramm, das eine Veränderung des Biegewinkels eines Kniegelenks bei der Aktion eines freudigen Gehens darstellt;
Fig. 8 ist ein Diagramm, das ein die Kurve gemäß Fig. 7B betreffendes Spektrum zeigt;
Fig. 9 ist ein Diagramm, das eine Differenz zwischen den jeweiligen Spektren gemäß den Fig. 5 und 8 zeigt;
Fig. 10 ist ein schematisches Diagramm, das den Aufbau einer Computergrafikvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 11 ist ein schematisches Diagramm, das den Aufbau einer Computergrafikvorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 12 ist ein Diagramm, das den Aufbau eines Steuerungssystems für ein Objekt mit mehreren Gelenken gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 13 ist ein Diagramm, das den Aufbau eines Steuerungssystems für ein Objekt mit mehreren Gelenken gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 14 ist ein Diagramm, das den Aufbau eines Steuerungssystems für ein Objekt mit mehreren Gelenken gemäß einer siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 15 ist ein Diagramm, das den Aufbau eines Steuerungssystems für ein Objekt mit mehreren Gelenken gemäß einer achten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 16 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen einem Durchgangspunkt und einer Bewegungsrichtung anschaulich darstellt;
Fig. 17 ist ein Diagramm, das den Aufbau eines Steuerungssystems für ein Objekt mit mehreren Gelenken gemäß einer neunten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 18 ist ein Diagramm, das Beziehungen zwischen Durchgangspunkten und einer Bewegungsrichtung zeigt;
Fig. 19 ist ein Diagramm, das den Aufbau eines Steuerungssystems für ein Objekt mit mehreren Gelenken gemäß einer zehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 20 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen Schrittweiten bei einer Bewegung entlang einer Kurve zeigt;
Fig. 21 ist ein Diagramm, das den Aufbau eines Steuerungssystems für ein Objekt mit mehreren Gelenken gemäß einer elften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 22 ist ein Diagramm, das schematisch bei einer kreisförmigen Bewegung auf einen Menschen einwirkende Kraftkomponenten zeigt;
Fig. 23 ist ein Diagramm, das eine Korrektur einer menschlichen Haltung zeigt;
Fig. 24 ist ein Diagramm, das den Aufbau eines Steuerungssystems für ein Objekt mit mehreren Gelenken gemäß einer zwölften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 25 ist ein Diagramm, das den Aufbau eines Steuerungssystems für ein Objekt mit mehreren Gelenken gemäß einer dreizehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 26 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen dem Weg einer Bewegung und einer Schrittlänge zeigt;
Fig. 27 ist ein Diagramm, das den Aufbau eines Steuerungssystems für ein Objekt mit mehreren Gelenken gemäß einer vierzehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 28 ist ein Diagramm, das schematisch Beziehungen zwischen Zeitspannen und Schrittlängen zeigt;
Fig. 29 ist ein Diagramm, das den Aufbau eines Steuerungssystems für ein Objekt mit mehreren Gelenken gemäß einer fünfzehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 30 ist ein Diagramm, das den Aufbau eines Steuerungssystems für ein Objekt mit mehreren Gelenken gemäß einer sechzehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 31 ist ein Diagramm, das den Aufbau eines Steuerungssystems für ein Objekt mit mehreren Gelenken gemäß einer siebzehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 32 ist ein Diagramm, das eine Interpolation eines Bilds bei einer Verschiebung desselben anschaulich darstellt;
Fig. 33 ist ein Diagramm, das den Aufbau eines Steuerungssystems für ein Objekt mit mehreren Gelenken gemäß einer achtzehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 34 ist ein Diagramm, das eine Interpolation einer Bewegung in bezug auf die Zeit zeigt;
Fig. 35 ist ein Diagramm, das den Aufbau eines Steuerungssystems für ein Objekt mit mehreren Gelenken gemäß einer neunzehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 36 ist ein Diagramm, das den Aufbau eines Steuerungssystems für ein Objekt mit mehreren Gelenken gemäß einer zwanzigsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 37 ist ein Diagramm, das den Aufbau eines Systems zeigt, bei dem anhand gemessener Daten eine Funktion der Zeit erstellt wird;
Fig. 38 ist ein schematisches Diagramm, das ein Verfahren zur Erzeugung einer eine Bewegung darstellenden Funktion der Zeit zeigt;
Fig. 39 ist ein Diagramm, das ein weiteres System zeigt, bei dem anhand gemessener Daten eine Funktion der Zeit erstellt wird;
Fig. 40 ist ein Diagramm, das ein weiteres System zeigt, bei dem anhand von mittels des Schlüsselrahmenverfahrens gemessenen Daten eine Funktion der Zeit erstellt wird;
Fig. 41 ist ein Diagramm, das den Aufbau eines Systems zur Korrektur einer Datenbank zeigt;
Fig. 42 ist ein Diagramm, das den Aufbau eines Steuerungssystems für ein Objekt mit mehreren Gelenken gemäß einer einundzwanzigsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 43 ist ein Diagramm, das die Funktionsweise eines Aufbereitungsabschnitts der vorstehend genannten Ausführungsformen zeigt, in dem verschiedene Parameter von einem Bildschirm zugeführt werden;
Fig. 44 ist ein Diagramm, das ein zur Spezifikation von Ausdrücken einer Bewegung verwendetes Bildschirmbeispiel anschaulich darstellt;
Fig. 45 ist ein Diagramm, das ein Beispiel eines zur Spezifikation eines Wegs und einer Geschwindigkeit einer Aktion in der Bewegungsaufbereitungseinheit verwendeten Bildschirms zeigt;
Fig. 46 ist ein Diagramm, das ein zur Korrektur einer durch das Schlüsselrahmenverfahren erhaltenen Bewegung in der Bewegungsaufbereitungseinheit verwendetes Bildschirmbeispiel zeigt;
Fig. 47 ist ein Blockdiagramm, das den Aufbau eines Steuerungssystems für ein Objekt mit mehreren Gelenken gemäß einer zweiundzwanzigsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt; und
Fig. 48 ist eine schematische perspektivische Ansicht, die den Aufbau eines Roboters zeigt.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erfolgt nun eine Beschreibung von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
Fig. 1 zeigt den Aufbau einer Computergrafikvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Bei diesem System wird, wie in Fig. 2 dargestellt, ein Beispiel eines Objekts mit mehreren Gelenken, d. h. ein Mensch, als bewegtes Bild eines Objekts 1 mit mehreren Gelenken auf einem Bildschirm, wie einem CRT, dargestellt. Beim Betrieb der Computergrafikvorrichtung wird das Objekt 1 mit mehreren Gelenken, wie in Fig. 3 gezeigt, als Objekt mit mehreren Gelenken in Form eines Linienwerks dargestellt. In dieser Linienzeichnung wird der Biegewinkel jedes Gelenks (eins Hüftgelenks 2, eines Kniegelenks 3, eines Ellenbogengelenks 4 und eines Schultergelenks 5 bei dem Beispiel gemäß Fig. 3) gesteuert, um verschiedene Arten von Kontouren zu erhalten. Anschließend wird der Körperabschnitt zu der Linienzeichnung hinzugefügt, um ein bewegtes Bild eines Menschen anzuzeigen (Fig. 2).
Die Computergrafikvorrichtung gemäß Fig. 1 umfaßt einen Speicher 10 für die Funktionen für Grundbewegungen zur Speicherung einer einen Biegewinkel jedes Gelenks ausdrückenden periodischen Funktion für jede Grundbewegung, eine Einrichtung 11 zur Auswahl einer Grundbewegung zur Auswahl einer gewünschten Funktion aus den verschiedenen in den Speicher 10 geladenen Funktionen, eine Einheit 12 zur Berechnung der Gelenkwinkel zum Empfangen der von der Auswahleinrichtung 11 aus dem Speicher 10 ausgewählten Funktion und zur Berechnung eines Biegewinkels des betreffenden Gelenks in Form einer zeitlichen Abfolge anhand derselben, eine Einrichtung 13 zur Steuerung der Geschwindigkeit zur Steuerung einer Geschwindigkeit, mit der die Berechnungseinheit 12 die Berechnung des Gelenkwinkels in Form einer zeitlichen Abfolge, nämlich der Geschwindigkeit einer von dem Gelenk ausgeführten Bewegung, ausführt, einen Speicher 15 für die Kontour eines Objekts mit mehreren Gelenken zur Speicherung von zum Zeichnen von Linienwerke der verschiedenen Objekte mit mehreren Gelenken betreffenden Körpern verwendeten Kontouren, eine Einrichtung 16 zur Auswahl einer Kontour zur Auswahl der Kontour eines Ob jekts mit mehreren Gelenken, eine Wiedergabeeinheit 14 zum Zeichnen eines Körpers für die Bewegung des Objekts mit mehreren Gelenken, das nur durch von der Berechnungseinheit 12 berechnete Gelenkbiegewinkel ausgedrückt ist, auf der Grundlage der aus dem Speicher 15 gelesenen Kontour, wodurch Bildinformationen zur zweidimensionalen Anzeige des Bilds erzeugt werden, und eine Anzeige 17 zur Darstellung des Bilds in Abhängigkeit von den Bildinformationen.
In den Speicher 10 für die Funktionen für Grundbewegungen werden für jede Grundaktion, wie die Aktion des Gehens, die Aktion des Rennens oder die Aktion des Sitzens, zu einer Bewegung jedes Gelenks gehörige Informationen geladen. Unter dieser Voraussetzung wählt der Bediener zur Auswahl einer Grundbewegung ein, wie in Fig. 2 gezeigt, auf dem Bildschirm dargestelltes Icon 30 zur Spezifikation einer Grundoperation. Im folgenden Absatz wird die Aktion des Gehens des Bilds eines Menschen als durch eine eine darzustellende Bewegung repräsentierende Funktion auszudrückendes Beispiel herangezogen.
Fig. 4 ist ein Diagramm, das Kurven zeigt, die Veränderungen gemessener Biegewinkel primärer Gelenke einer aus einer horizontalen Richtung (der Richtung der X-Achse) betrachteten gehenden Person in bezug auf die Zeit darstellen. Die Kurven 2a, 3a, 4a und 5a drücken jeweils Veränderungen gemessener Biegewinkel des Hüftgelenks, des Kniegelenks, des Ellenbogengelenks und des Schultergelenks in bezug auf die Zeit aus. Die Winkeländerungen werden für zwei Perioden (Schrittweiten oder Schritte) gemessen. Die Kurven zeigen zwischen den Aktionen der jeweiligen Gelenke vorliegende Wechselbeziehungen. Fig. 5 ist ein durch Ausführen einer Fourier-Analyse an den Meßwerten 3a des Kniegelenks gemäß Fig. 4 erhaltenes Spektraldiagramm. Entscheidende Spektrenbestand teile können unter Verwendung einer Funktion höchstens fünften oder sechsten Grads ausgedrückt werden. Es muß nämlich kein komplizierter Ausdruck verwendet werden, der Hochfrequenzkomponenten enthält. Dementsprechend kann die Veränderung Θm(t) des Biegewinkels des Gelenks in bezug auf die Zeit durch die folgende Gleichung verhältnismäßig niederen Grads ausgedrückt werden. Wie in Fig. 5 dargestellt, sind zum Ausdrücken der Winkelveränderung Θm(t) beispielsweise nur sieben Spektrenelemente erforderlich. Die folgende Funktion (1) ist mit der vorstehend beschriebenen identisch, da die Ausführung jedoch klar beschrieben wird, wird die Funktion (1) wie folgt erneut verwendet;
Θm(t) = Dm + Amn · sin(n · t + ψmn - Φm·n) (1)
wobei:
Dm : Gleichstromkomponente
Amn : Amplitude jeder Frequenzkomponente
ψmn : Phase
m : Nummer des Gelenks
n : höhere Harmonie n-ter Ordnung
Φn : Phasendifferenz einer höheren Harmonie erster Ordnung zwischen einem Bezugsgelenk und einem m-ten Gelenk (für das Bezugsgelenk gilt Φm = 0)
In diesem Zusammenhang wird die Harmonisierung zwischen den Aktionen der jeweiligen Gelenke unter Verwendung einer Differenz zwischen den Phasen der Gelenke ausgedrückt. Die Phasendifferenzen werden über die Bewegung gehalten.
Die Einheit 12 zur Berechnung der Gelenkwinkel gemäß Fig. 1 führt Berechnungen auf der Grundlage der Funktion (1) aus, um bei einer derartigen Veränderung des Werts der Variablen t, daß die Position des Gelenks zu dem Zeitpunkt t nacheinander angezeigt wird, eine Aktion des Kniegelenks zu erhalten, wodurch ein bewegtes Bild des Knies dargestellt wird. Gleichzeitig verwendet der Bediener zur Einstellung der Geschwindigkeit der Aktion ein Icon 33 zur Spezifikation der Bewegung gemäß Fig. 2. Wird nämlich das Anzeigeelement eines vertikalen Balkens 40 in dem Icon 33 durch einen Maus-Cursor oder dergleichen horizontal verschoben, wird die Einheit 13 zur Steuerung der Geschwindigkeit gemäß Fig. 1 aktiviert, um ihre Operation zu entwickeln. Die Einheit 12 zur Berechnung der Gelenkwinkel, die auf der Grundlage der Funktion (1) die Werte von Θm (t&sub1;), Θm(t&sub2;), Θm(t&sub3;), etc. in Form einer zeitlichen Abfolge berechnet, steigert den Wert von t&sub2; - t&sub1; = t&sub3; - t&sub2; = ... = Δt vor der Ausführung der Berechnungen, wenn der Bediener eine höhere Bewegungsgeschwindigkeit spezifiziert.
Da die vorstehend aufgeführte Funktion (1) selbst dann keinen eine Länge angebenden Parameter enthält, wenn eine Größe und/oder ein Dimensionsverhältnis zwischen den Gelenken des Objekts verändert wird/werden, muß die Funktion (1) nicht verändert werden. Daher wird, selbst wenn eine Veränderung der Größe eines anzuzeigenden Objekts mit mehreren Gelenken gewünscht wird, die dem Bediener auferlegte Belastung nicht erhöht. Überdies kann nach der Veränderung der Größe das bewegte Bild des Objekts mit mehreren Gelenken mit hoher Geschwindigkeit angezeigt werden. Dies bedeutet, daß gemäß der vorstehend beschriebenen Ausführungsform der Bediener lediglich eine Art jeder Grundbewegung, eine Bewegungsgeschwindigkeit für diese und eine Kontour jedes Gelenks für ein bewegtes Bild auswählen muß. Eine Bewegung eines Objekts mit mehreren Gelenken kann nämlich mit einer verhältnismäßig kleinen Menge an Informationen und durch eine kleine Anzahl an Operationsschritten entwickelt werden.
Nun wird unter Bezugnahme auf die Bilddarstellungsvorrichtung gemäß Fig. 1 die Funktionsweise der ersten Ausführungsform beschrieben. Zunächst werden beispielsweise ein Bild einer Person in aufrecht stehendem Zustand betreffende Kontourdaten und Kontourdaten einer Grundstellung eines fliegenden Schmetterlings in den Kontourenspeicher 15 geladen. Die Einrichtung 16 zur Auswahl von Kontouren wählt daraus gewünschte Kontourdaten aus. Werden beispielsweise die Kontourdaten des Bilds einer Person ausgewählt, werden die ausgewählten Daten der Wiedergabeeinheit 14 zugeführt. Andererseits werden in den Speicher 10 für die Funktionen für Grundbewegungen beispielsweise Funktionen geladen, für die jeweils Parameter von Grundaktionen einer Person, beispielsweise eine Gehaktion, eine Rennaktion und eine Sitzaktion, spezifiziert sind. Von der Einrichtung 11 zur Auswahl von Grundbewegungen wird eine der Grundbewegungen ausgewählt. Wird beispielsweise die Aktion des Rennens ausgewählt, wird die zu der Aktion des Rennens gehörige Funktion an die Einheit 12 zur Berechnung der Gelenkwinkel übertragen, die wiederum eine Berechnung der Funktion (1) ausführt, um Daten bezüglich der Winkel zu erzeugen. Das Ergebnis der Berechnung wird zusammen mit einer von der Einheit 13 zur Steuerung der Geschwindigkeit angegebenen Änderungsrate für die Geschwindigkeit an die Wiedergabeeinheit 14 übertragen. Auf der Grundlage der Kontourdaten aus dem Kontourenspeicher 15 und den derart erhaltenen Winkeldaten erzeugt die Wiedergabeeinheit 14 an die Anzeige 17 zu sendende Bilddaten, auf der dementsprechend ein Bild der Bilddaten dargestellt wird.
Fig. 6 zeigt den Aufbau einer Computergrafikvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Er findung. Im Vergleich zum Aufbau der ersten Ausführungsform gemäß Fig. 1 umfaßt die zweite Ausführungsform einen Speicher 20 für Merkmalskomponenten und eine Einrichtung 21 zur Auswahl von Merkmalskomponenten. Die Einheit 12 zur Berechnung der Gelenkwinkel ist derart aufgebaut, daß sie auf der Grundlage einer ausgewählten Funktion für eine Grundoperation und einer ausgewählten Merkmalskomponente Berechnungen ausführt. Die Merkmalskomponente betrifft hier ein Merkmal und wird zur Qualifikation einer Aktion oder Bewegung verwendet. Dies bedeutet, daß die Merkmalskomponente ein Merkmal, wie freudig, traurig oder fröhlich, ist. Bei dieser Ausführungsform sind die Merkmalskomponenten in Form von Funktionen ausgedrückt, so daß der Bediener eine auszuwählende Merkmalskomponente spezifiziert. Wie aus Fig. 2 hervorgeht, muß der Bediener lediglich ein Icon 31 zur Auswahl eines Merkmals auf dem Bildschirm auswählen, um eine Merkmalskomponente auszuwählen. Wird beispielsweise der Maus-Cursor oder dergleichen über dem Icon 31 angeordnet, werden bei jeder Betätigung der linken Taste nacheinander die Merkmale, wie "freudig", "fröhlich", "wie betrunken" und "ruhig", angezeigt. Wenn ein gewünschtes Merkmal auf dem Bildschirm angezeigt wird, betätigt der Bediener zur Auswahl des Merkmals die rechte Taste. Werden "Gehen" als Grundbewegung und "freudig" als Merkmalselement ausgewählt, führt das angezeigte Objekt 1 in Form des Bilds eines Menschen eine angegebene Aktion aus, das Objekt 1 geht nämlich freudig bzw. fröhlich. Als nächstes erfolgt eine Beschreibung einer Operation zur Steuerung des Merkmalselements.
Fig. 7A ist ein Diagramm, das eine Veränderung des gemessenen Biegewinkels eines Kniegelenks bei der Aktion eines normalen Gehens in bezug auf die Zeit darstellt, wogegen Fig. 7B ein Diagramm ist, das eine Veränderung des gemessenen Bie gewinkels eines Kniegelenks bei der Aktion des freudigen Gehens (d. h. die Person geht freudig) in bezug auf die Zeit darstellt. Fig. 8 zeigt das Ergebnis einer an den Daten der freudigen Gehbewegung gemäß Fig. 7B ausgeführten Spektralanalyse. In diesem Zusammenhang ist das Ergebnis der an den gemessenen Werten der Aktion des normalen Gehens gemäß Fig. 7A ausgeführten Spektralanalyse in dem Diagramm gemäß Fig. 5 dargestellt. Dementsprechend bezeichnet eine Differenz zwischen den Spektralanalysen, wie in Fig. 9 dargestellt, die das Merkmal "freudig" betreffende Komponente. Die Diagramme gemäß den Fig. 5, 8 und 9 stellen lediglich die Leistungsspektrenkomponenten mit jeweils unterschiedlichen Phasen dar. Wie aus dem Spektraldiagramm gemäß Fig. 9 ersichtlich, kann das den Ausdruck "freudig" als Merkmalselement repräsentierende primäre Spektrum durch eine Funktion höchstens fünften oder sechsten Grads ausgedrückt werden. Unter Berücksichtigung des Merkmals "freudig" wird der Biegewinkel des Knies wie folgt durch eine Funktion Θm(t) ausgedrückt.
Θm(t) = (Dm + dm) + [(Amn + amn) · sin{n · t + (Ψmn + ψmn) - φmn·n}] ... (2)
wobei
dm: Gleichstrombestandteil von "freudig",
amn: Komponente von "freudig" in jeder Frequenzkomponente,
ψmn: Phasenkomponente von "freudig".
Wenn der Bediener mittels der Auswahleinrichtung 21 (Fig. 6) "freudig" als Merkmalskomponente auswählt, werden die Werte von dm, am und ψmn aus dem Speicher 20 für die Merkmalskomponenten gelesen, um in die Funktion (1) eingesetzt zu werden, wodurch eine Funktion (2) zur Zufuhr zu der Berechnungseinheit 12 erhalten wird. Als Ergebnis zeigt das System eine bewegtes Bild einer freudig gehenden Person auf dem Bildschirm an.
Gemäß der zweiten Ausführungsform wird zu den Operationen gemäß der ersten Ausführungsform nur die Auswahl von Merkmalen hinzugefügt, damit das Objekt mit mehreren Gelenken eine durch das ausgewählte Merkmal qualifizierte Aktion ausführen kann.
Da die Funktionsweise der Vorrichtung zur Darstellung von Bewegungen gemäß der in Fig. 6 dargestellten zweiten Ausführungsform anhand der vorstehenden Beschreibungen der ersten Ausführungsform gemäß Fig. 1 sowie der zweiten Ausführungsform verstanden werden kann, wird eine überflüssige Erläuterung derselben hier ausgelassen.
Fig. 10 zeigt den Aufbau einer Computergrafikvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Im Vergleich zu der zweiten Ausführungsform gemäß Fig. 6 umfaßt dieser Aufbau zusätzlich eine Einheit 22 zur Steuerung von Merkmalen und eine Einheit 23 zur Bestimmung der Merkmalsgröße. Bei dieser Ausführungsform führt die Einheit 12 zur Berechnung der Gelenkwinkel auf der folgenden Funktion (3) basierende Berechnungen aus.
Θm(T)=(Am + αm · dm) + βm · [(Amn + αm · amn) · sin{n · t + (Ψmn + αm · ψmn) -φmn·n}]
... (3)
wobei αm und βm jeweils eine Größe einer Merkmalskomponente und eine Größe bzw. einen Wert einer Amplitude bezeichnen. Bei diesem System wird zur Spezifikation von Bewegungen mit Ausdrücken einschließlich beispielsweise "normales Gehen", "freudiges Gehen" und "ziemlich freudiges Gehen" die Merkmalsgröße αm verändert. Alternativ können als Merkmal "traurig" im Gegensatz zu "freudig" Bewegungen mit Ausdrücken wie "ziemlich traurig", "normal" und "ziemlich freudig" spezifiziert werden. Wenn bei dieser Operation das Anzeigeelement des vertikalen Balkens 40 in dem die Merkmalsgröße bezeichnenden Icon 34 gemäß Fig. 2 horizontal verschoben wird, spezifiziert die Einheit 23 zur Zuweisung der Größe des Merkmals die gewünschte Größe der Merkmalskomponente. Der Amplitudenwert βm betrifft eine Schrittlänge, die einen größeren Wert annimmt, wenn sich die Angabe auf dem vertikalen Balken 40 dem rechten Ende des Icon 32 gemäß Fig. 2 nähert. Das Objekt mit mehreren Gelenken in dem erhaltenen bewegten Bild geht nämlich mit einer größeren Schrittweite.
Gemäß der dritten Ausführungsform können lediglich durch Hinzufügen der Operation der Spezifikation der Größe zu den Operationen gemäß der zweiten Ausführungsform der Grad einer Merkmalskomponente und eine Schrittlänge verändert werden; überdies können die Größe eines Merkmals und die Schrittlänge kontinuierlich verändert werden.
Fig. 11 zeigt den Aufbau einer Computergrafikvorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Im Vergleich zur dritten Ausführungsform, in der lediglich eine Art des Merkmals einer Aktion spezifiziert werden kann, kann der Benutzer bei dieser Ausführungsform mehrere Merkmale einer Aktion spezifizieren. Zu diesem Zweck werden eine Einrichtung 24 zur Steuerung der Merkmale und eine Einheit 25 zur Zuweisung der Größe eines Merkmals verwendet. Gemäß der vierten Ausführungsform können mit der Aktion des Gehens beispielsweise Spezifikationen wie "freudig" und "langsam" einhergehen. Hierbei werden die Berechnungen mit der folgenden Funktion (4) ausgeführt. Es wird davon ausgegangen, daß bei dieser Funktion der Wert jedes Parameters verändert werden kann.
Qm(t) =
Amo + (αmi · dmi) + βm · [(Amn + αmi · ami) · sin{n · t + (Ψmn + αmi · ψmni) - φmn·n}]
...(4)
Da mehrere Merkmalskomponenten für eine Aktion spezifiziert werden können, wird die objektive Aktion mit einer breiteren Vielfalt an emotionalen Ausdrücken ausgeführt.
Wie vorstehend beschrieben, können gemäß der vierten Ausführungsform die Werte von Parametern der Funktion (4) sukzessive verändert werden; überdies können die Ausdrücke der von einem Bild einer Person ausgeführten Aktion abhängig von dem modifizierten Parametern in Echtzeit und über eine interaktive Operation verändert werden.
Gemäß der Beschreibung der vierten Ausführungsform steuert die Vorrichtung die für eine Bewegung eines Computergrafikbilds veränderten Funktionen. Wenn jedoch ein von der Einheit 12 zur Berechnung der Gelenkwinkel erhaltenes Berechnungsergebnis als Betriebsanweisung zur Steuerung einer Operation eines Roboters mit mehreren Gelenken von der tatsächlichen Größe des betreffenden Objekts verwendet wird, kann eine unabhängig von der Größe des Roboters arbeitende Robotersteuereinheit implementiert werden. Da überdies die als Anweisungen an den Roboter zu sendenden Aktionen mit den Merkmalen qualifiziert werden können, kann der Roboter verschiedene Arten von Aktionen mit gewünschten Funktionen ausführen.
Gemäß den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen 1 bis 4 können Objekte und/oder Roboter verschiedener Größen und mit mehreren Gelenken in Echtzeit betätigt werden, da die Kontour eines Objekts und/oder eines Roboters mit mehreren Gelenken an einem Zwischenpunkt einer Bewegung unter Verwen dung einer von seiner Größe unabhängigen Funktion berechnet werden kann. Zudem kann die Aktion durch ein Merkmal der Aktion qualifiziert werden. Überdies kann der Grad des Merkmals verändert werden. Dementsprechend kann die Bewegung mit einer verhältnismäßig großen Anzahl an Funktionen ausgeführt werden.
Obwohl im Zusammenhang mit den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen 1 bis 4 ein menschliches Modell beschrieben wurde, kann eine ähnliche Wirkung wie bei den Ausführungsformen selbstverständlich auch für ein Objekt wie eine Spannerraupe entwickelt werden.
Als nächstes erfolgt unter Bezugnahme auf Fig. 12 eine Beschreibung einer Computergrafikvorrichtung gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Aufbau gemäß Fig. 12 umfaßt eine Datenbank 51 zur Speicherung von Ausdrücke von Bewegungen repräsentierenden Funktionen der Zeit, eine Einheit 52 zur Berechnung der Gelenkwinkel, eine Wiedergabeeinheit 53, eine Anzeige 54 und eine Steuereinheit 55. Es wird hier davon ausgegangen, daß zur Aktivierung des Bilds einer Person auf der Grundlage der folgenden Funktion ein Biegewinkel jedes Gelenks in bezug auf die Zeit verändert wird.
θm(t) = A&sub0; + {An · sin(nt + Ψn)} ... (5)
Diese einen Biegewinkel eines Gelenks in bezug auf die Zeit ausdrückende Funktion wird anhand einer Fourier-Reihenexpansion einer periodischen Funktion erhalten, wobei das Bezugszeichen m eine Gelenknummer bezeichnet. Zur Darstellung einer Bewegung des gesamten menschlichen Körpers ist eine Funktion θm(t) für jedes der Gelenke erforderlich. In der Funktion bezeichnen i den maximalen Grad der Reihenexpansion, A&sub0; einen Mittelwert des Biegewinkels, An eine Spektralintensität einer höheren Harmonie n-ter Ordnung und Ψn, eine Phase der höheren Harmonie n-ter Ordnung.
In die Datenbank 51 werden für jede Art von Bewegung Koeffizienten A&sub0;, A&sub1;, ..., Ai, Ψ&sub1;, Ψ&sub2;, ..., Ψi für die zu jedem Gelenk des Bilds einer Person gehörige Funktion θm(t) der Zeit geladen. Die Einheit 52 zur Berechnung der Gelenkwinkel berechnet auf der Grundalge der Koeffizienten A&sub0;, A&sub1;, ..., Ai, Ψ&sub1;, Ψ&sub2;, ... und Ψi, eine objektive Bewegung, einen Biegewinkel jedes menschlichen Gelenks zu einem Zeitpunkt. Die Wiedergabeeinheit 53 empfängt die berechneten Ergebnisse von der Einheit 52 zur Berechnung der Gelenkwinkel, um zur Projektion der erhaltenen Bilddaten auf einen zweidimensionalen Raum auf der Grundlage dieser ferner dreidimensional eine Position und eine Stellung des Bilds der Person zu berechnen. Die Anzeige 54 stellt das resultierende Bild auf ihrem Bildschirm dar. Die Steuereinheit 55 wählt Funktionen der Zeit aus der Datenbank 51 aus, verändert die Koeffizienten A&sub0;, A&sub1;, ..., Ai, Ψ&sub1; Ψ&sub2;, ... und Ψi jeder ausgewählten Funktion θm(t) der Zeit und steuert eine Variable t der Zeit.
Dadurch kann gemäß der fünften Ausführungsform eine gewünschte Aktion ausgewählt werden, Ausdrücke von anderen als den in der Datenbank 51 gespeicherten Operationen können entwickelt werden, und die Geschwindigkeit der Aktion kann abhängig von der Variable t der Zeit gesteuert werden.
Fig. 13 zeigt den Aufbau einer Computergrafikvorrichtung gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das System umfaßt eine Datenbank 51 zur Speicherung von Ausdrücke von Bewegungen repräsentierenden Funktionen der Zeit, eine Einrichtung 61 zur Auswahl von Funktionen der Zeit, Speicher 62, 63 und 64 zur vorübergehenden Speiche rung der ausgewählten Funktionen, eine Einheit 65 zur Berechnung eines Mittelwerts zur Berechnung eines Mittelwerts von Funktionen der Zeit, eine Einheit 52 zur Berechnung der Gelenkwinkel, eine Wiedergabeeinheit 53 und eine Anzeige 54. Nachdem die Einrichtung 61 zur Auswahl der Funktionen Bewegungen ausgewählt hat, werden die Komponenten der die Bewegungen repräsentierenden Funktionen der Zeit für jede Bewegung in dem temporären Speicher 62 gespeichert. Es wird hier davon ausgegangen, daß die Anzahl der ausgewählten Bewegungen j und die Amplituden und Phasendifferenzen der jeweiligen Funktionen wie folgt sind; nämlich A&sub1;&sub0;, A&sub1;&sub1;, ...,A1i, Ψ&sub1;&sub1;, Ψ&sub1;&sub2;, ..., Ψ1i für die Bewegung 1; A&sub2;&sub0;, A&sub2;&sub1;, ..., A2i, Ψ&sub2;&sub1;, Ψ&sub2;&sub2;, ..., Ψ2i für die Bewegung 2; und Aj0, Aj1, ..., Aji, Ψj1, Ψj2, ..., Ψji für die Bewegung j. Die Amplituden und die Phasen der ausgewählten Funktionen der Zeit werden von der Einheit 65 zur Berechnung des Mittelwerts der Funktionen verarbeitet, die zur Ermittlung eines Mittelwerts jeder Frequenzkomponente wie folgt Berechnungen daran ausführt.
Unter Verwendung der folgenden Funktion (8) berechnet die Einheit 52 zur Berechnung der Gelenkwinkel für jeden Winkel des Bilds einer Person auf der Grundlage der Amplitude und der Phase, die sich jeweils aus den Funktionen (6) und (7) ergeben, einen Biegewinkel zu einem Zeitpunkt.
q*m(t) = A*&sub0; + {A*n · sin(nt + Ψ*n)} ...(8)
Die Wiedergabeeinheit 53 verarbeitet zum Erhalt von Informationen bezüglich einer dreidimensionalen Darstellung einer Position und Stellung des Bilds der Person die von der Berechnungseinheit 52 ermittelten Daten, um die Informationen auf einen zweidimensionalen Raum zu projizieren. Auf der Grundlage des projizierten Ergebnisses stellt die Anzeige 54 das Bild einer Person auf ihrem Bildschirm dar.
Kurz ausgedrückt ist das System wie folgt zur Erzeugung von anderen als den in die Funktionsdatenbank 51 geladenen Bewegungen geeignet. Es wird nämlich auf die Datenbank 51 zugegriffen, um aus dieser mehrere Ausdrücke von Bewegungen repräsentierende Funktionen der Zeit zu erhalten, so daß die Funktionen den vorstehend beschriebenen Berechnungen unterzogen werden, wodurch eine gewünschte Bewegung erzeugt wird.
Fig. 14 zeigt den Aufbau einer Computergrafikvorrichtung gemäß einer siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Aufbau umfaßt eine Datenbank 51 zur Speicherung von Ausdrücke von Bewegungen repräsentierenden Funktionen der Zeit, eine Einrichtung 61 zur Auswahl von Funktionen, temporäre Speicher 62 bis 64 zur temporären Speicherung der jeweiligen Komponenten der ausgewählten Funktionen der Zeit, eine Einheit 71 zur Berechnung eines gewichteten Mittelwerts der Funktionen der Zeit, eine Einheit 52 zur Berechnung der Gelenkwinkel, eine Wiedergabeeinheit 53, feine Anzeige 54 und eine Steuereinheit 55. Die Komponenten der die von der Einrichtung 61 zur Auswahl der Funktionen derart ausgewählten Bewegungen repräsentierenden Funktionen der Zeit werden für jede Bewegung in dem zugehörigen temporären Speicher 62 gespeichert. Es wird hier davon ausgegangen, daß die Anzahl der ausgewählten Bewegungen j und die Amplituden und Phasendiffe renzen der jeweiligen Funktionen wie folgt sind; d. h. A&sub1;&sub0;, A&sub1;&sub1;, ..., A1i, Ψ&sub1;&sub1;, Ψ&sub1;&sub2;, ..., Ψ1i für die Bewegung 1; A&sub2;&sub0;, A&sub2;&sub1;, ..., A2i, Ψ&sub2;&sub1;, Ψ&sub2;&sub2;, ..., Ψ2i für die Bewegung 2 und Aj0, Aj1, ..., Aji, Ψj1, Ψj2, ..., Ψji für die Bewegung j. Die Amplituden und Phasen der ausgewählten Funktionen der Zeit werden der Einheit 65 zur Berechnung des Mittelwerts der Funktionen zugeführt, die zum Erhalt eines Mittelwerts jeder Frequenzkomponente auf der Grundlage derselben wie folgt Berechnungen ausführt.
wobei αk eine Gewichtung einer Funktion der Zeit bezeichnet.
Gemäß der folgenden Funktion (11) berechnet die Einheit 52 zur Berechnung der Gelenkwinkel unter Verwendung der Amplitude und der Phase, die jeweils durch die Funktionen (9) und (10) ermittelt wurden, für jeden Winkel der Person einen Biegewinkel zu einem Zeitpunkt.
θ**m(t) = A**&sub0; + {An**n · sin(nt +Ψ**n)} ... (11)
Anschließend verarbeitet die Wiedergabeeinheit 53 zum Erhalt von dreidimensionalen Informationen bezüglich einer Position und einer Stellung des Bilds der Person die von der Berechnungseinheit 52 erhaltenen Daten, um die Informationen auf einen zweidimensionalen Bereich zu projizieren. Auf der Grundlage des projizierten Ergebnisse stellt die Anzeige 54 das Bild eines Menschen auf ihrem Bildschirm dar.
Aufgrund der vorstehend beschriebenen Verarbeitung ist die Vorrichtung wie folgt zur Erzeugung von anderen als den in die Funktionsdatenbank 51 geladenen Bewegungen geeignet. Es wird auf die Datenbank 51 zugegriffen, um mehrere Ausdrücke von Bewegungen repräsentierende Funktionen der Zeit aus ihr zu erhalten, so daß auf der Grundlage der Funktionen die vorstehend beschriebenen Funktionen ausgeführt werden, wobei die Gewichtungen für die ausgewählten Bewegungen berücksichtigt werden, wodurch eine gewünschte Bewegung erzeugt wird.
Fig. 15 zeigt den Aufbau einer Computergrafikvorrichtung gemäß einer achten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das System umfaßt eine Datenbank 51 zur Speicherung von Ausdrücke von Bewegungen repräsentierenden Funktionen der Zeit, eine Einheit 81 zur Spezifikation von Durchgangspunkten, eine Einrichtung 82 zur Steuerung einer Bewegungsrichtung, eine Einheit 52 zur Berechnung der Gelenkwinkel, eine Wiedergabeeinheit 53 und eine Anzeige 54. Fig. 16 zeigt eine Beziehung zwischen einem Durchgangspunkt und einer Bewegungsrichtung eines Objekts 1 mit mehreren Gelenken. Bei diesem Diagramm wird davon ausgegangen, daß eine durch die x- und die y-Achse definierte Ebene eine Bodenoberfläche ist, auf der ein Mensch als Objekt 1 mit mehreren Gelenken steht. Gemäß diesem grafischen Bild steht die Person in einer vertikalen Richtung, d. h. entlang der z-Achse, auf dem Boden. Zunächst bestimmt die Einheit 81 zur Spezifikation von Durchgangspunkten einen Durchgangspunkt 401 der Person gemäß Fig. 16. Die Einheit 82 zur Steuerung der Bewegungsrichtung dreht dann das Objekt 1 um die y-Achse, so daß seine Vorderseite dem Durchgangspunkt 401 zugewandt ist. Zur Verschiebung des Objekts 1 wählt der Benutzer bei der Bewegung Ausdrücke der Bewegung aus der Datenbank 51 aus. Anschließend wird die Einheit 52 zur Berechnung der Gelenkwinkel betätigt, um Gelenke des Objekts 1 mit mehreren Gelenken zu aktivieren. Da das Objekt 1 aufgrund der von der Einrichtung 82 zur Steuerung der Bewegungsrichtung ausgeführten Operation dem Durchgangspunkt 401 zugewandt ist, wird das Objekt 1 zu dem Durchgangspunkt 401 bewegt bzw. verschoben. Die Wiedergabeeinheit 53 verarbeitet zur dreidimensionalen Erzeugung von Informationen bezüglich einer Position und einer Stellung des Objekts 1 die Daten von der Berechnungseinheit 52, um die Informationen auf einen zweidimensionalen Raum zu projizieren. Abhängig von dem projizierten Ergebnis stellt die Anzeige 54 ein Bild des Objekts 1 mit mehreren Gelenken auf ihrem Bildschirm dar.
Bei der vorstehend beschriebenen Anordnung kann das System die Bewegungsrichtung eines Menschen steuern, dessen Bewegungen durch die Funktionen der Zeit repräsentiert werden.
Fig. 17 zeigt den Aufbau einer Computergrafikvorrichtung gemäß einer neunten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das System umfaßt eine Datenbank 5 zur Speicherung von Ausdrücke von Bewegungen repräsentierenden Funktionen der Zeit, eine Einheit 81 zur Spezifikation von Durchgangspunkten, eine Einrichtung 82 zur Steuerung der Bewegungsrichtung, eine Einheit 52 zur Berechnung der Gelenkwinkel, eine Wiedergabeeinheit 53 und eine Anzeige 54. Fig. 18 zeigt ein Beispiel eines Bildschirms, das eine Beziehung zwischen einem Durchgangspunkt und einer Bewegungsrichtung eines Objekts 1 mit mehreren Gelenken darstellt. Bei diesem Diagramm wird davon ausgegangen, daß eine von der x- und der y-Achse definierte Ebene eine Bodenfläche ist, auf der das Objekt 1 mit mehreren Gelenken, nämlich die Person, steht. Gemäß diesem graphischen Bild nimmt das Objekt 1 eine stehende Stellung in vertikaler Richtung, d. h. entlang der z-Achse des Koordinatensystems, auf dem Boden ein. Zunächst spezifiziert die Einheit 81 zur Spezifikation von Durchgangspunkten Durchgangs punkte 601 bis 605 des Objekts 1 auf der Ebene. Die spezifizierten Durchgangspunkte werden zur Erzeugung eines durch eine Position 601 und eine Kurve 606 bestimmten Bewegungswegs durch eine Kurve, wie eine freie Kurve, miteinander verbunden. Die Einrichtung 82 zur Steuerung der Bewegungsrichtung dreht das Objekt 1 um die y-Achse, so daß seine Vorderseite an einer Position des sich auf der Kurve 606 bewegenden Objekts 1 in der Richtung einer Tangente der Kurve 606 ausgerichtet ist. Zur Verschiebung des Objekts 1 wählt der Benutzer während der Bewegung Ausdrücke der Bewegung aus der Datenbank 51 aus. Auf der Grundlage der ausgewählten Daten aktiviert die Einheit 52 zur Berechnung der Gelenkwinkel die Gelenke des Objekts 1 mit mehreren Gelenken. Da das Objekt 1 aufgrund der von der Einrichtung 82 zur Steuerung der Bewegungsrichtung ausgeführten Operation an dem aktuell durchlaufenen Punkt auf der Kurve 606 entlang der Richtung der Tangente ausgerichtet ist, wird das Objekt 1 entlang der erzeugten Kurve 606 angezeigt. Die Wiedergabeeinheit 53 verarbeitet zur dreidimensionalen Erzeugung von Informationen bezüglich einer Position und einer Stellung des Objekts 1 von der Berechnungseinheit 52 empfangene Daten, um die Informationen auf einen dreidimensionalen Raum zu projizieren. Auf der Grundlage des projizierten Ergebnisses stellt die Anzeige 54 ein Bild des Objekts 1 auf ihrem Bildschirm dar.
Durch die vorstehend beschriebene Operation kann die Vorrichtung ein Bild eines Menschen auf der Ebene durch Steuern der Ausdrücke von Bewegungen des Menschen repräsentierenden Funktionen der Zeit beliebig bewegen.
Es kann, wie folgt, auch ein weiteres Steuerverfahren zur Steuerung der Bewegungen eines Objekts mit mehreren Gelenken verwendet werden. Der Benutzer führt nämlich dem System über eine (nicht dargestellte) Eingabeeinrichtung eine einen Anfangspunkt einer Bewegung des Objekts 1 mit mehreren Gelenken repräsentierende Position 601, eine zumindest entweder eine Geschwindigkeit des Objekts 1 am Anfangspunkt der Bewegung oder eine Richtung der Bewegung des Objekts 1 an diesem repräsentierende Tangentenrichtung (Vektorinformationen) 607, eine einen Endpunkt der Bewegung des Objekts 1 angebende Position 603 und zumindest entweder eine Geschwindigkeit des Objekts 1 am Endpunkt der Bewegung oder eine Richtung der Bewegung des Objekts 1 an diesem repräsentierende (nicht dargestellte) Vektorinformationen zu. Die eingegebenen Informationselemente werden gespeichert und auf dem Bildschirm angezeigt. Zum Erhalt von einen Weg der Bewegung des Objekts 1 von der Ausgangsposition 601 zu der Endposition 603 betreffenden Informationen führt das System auf der Grundlage dieser Datenelemente Berechnungen aus. Anschließend werden auf ähnliche Weise nacheinander die von der Bewegung durchlaufenen Abschnitte zwischen den Positionen 603 und 604, 604 und 605 und 605 und 606 berechnet.
Überdies werden dem System gemäß einem weiteren Verfahren zur Steuerung von Bewegungen eine eine Position des bewegten Objekts 1 mit mehreren Gelenken betreffende Position 601 und eine eine Richtung der Bewegung des Objekts 1 angebende Tangentenrichtung 607 zugeführt. Die eingegebenen Informationselemente werden dann in einem Speicher gespeichert und auf einem Bildschirm angezeigt. Abhängig von diesen Datenelementen führt die Vorrichtung Berechnungen zum Erhalt von einen Weg der Bewegung des Objekts 1 mit mehreren Gelenken angebenden Informationen aus. In diesem Zusammenhang ist das die Richtung des bewegten Objekts 1 angebende Informationselement entweder eine eine Richtung desselben in bezug auf einen gewünschten Punkt in dem betreffenden Koordinatensystem oder auf ein weiteres Objekt mit mehreren Gelenken an gebende Information oder eine eine Richtung desselben in bezug auf eine gewünschte Linie in dem betreffenden Koordinatensystem angebende Information oder eine eine Richtung desselben in bezug auf eine gewünschte Ebene in dem betreffenden Koordinatensystem angebende Information oder eine eine Richtung desselben in bezug auf die aktuelle Richtung der Bewegung des Objekts 1 angebende Information.
Fig. 19 zeigt den Aufbau einer Computergrafikvorrichtung gemäß einer zehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das System umfaßt eine Datenbank 51 zur Speicherung von Ausdrücke von Bewegungen repräsentierenden Funktionen der Zeit, eine Einheit 81 zur Spezifikation eines Durchgangspunkts, eine Einrichtung 91 zur Erzeugung eines Wegs einer Bewegung, eine Einrichtung 82 zur Steuerung einer Bewegungsrichtung, eine Steuereinheit 101 zur Einstellung einer Schrittweite bei einer Bewegung entlang einer Kurve, eine Einheit 102 zur Korrektur der Funktionen, eine Einheit 52 zur Berechnung der Gelenkwinkel, eine Wiedergabeeinheit 53 und eine Anzeige 54. Fig. 20 zeigt eine Beziehung zwischen einer Schrittweite eines Fußes des Objekts 1 auf der Seite einer Mitte des Radius einer Krümmung und einer Schrittweite eines Fußes auf einer dieser gegenüberliegenden Seite des Radius der Krümmung bei einer Bewegung des Objekts 1 als Objekt mit mehreren Gelenken entlang einer Kurve 701. Es wird hier davon ausgegangen, daß ein kleines Intervall ΔL bzw. 702 an einem Punkt P bzw. 709 auf der Kurve 701, auf der sich das Objekt 1 bewegt, eine Mitte 0 bzw. 703 einer Krümmung und einen Radius R bzw. 704 der Krümmung aufweist, der Abstand zwischen dem Fuß auf der Seite der Mitte der Krümmung und der Mitte 0 der Krümmung durch Ri bzw. das Bezugszeichen 705 und der Abstand zwischen dem Fuß auf der der Seite der Mitte der Krümmung gegenüberliegenden Seite und der Mitte 0 der Krümmung durch Ro bzw. durch das Bezugszeichen 706 bezeichnet wird. Der Durchgangsweg bzw. die Kurve 701 des Objekts 1 wird dann durch die Einheit 81 zur Spezifikation des Durchgangspunkts und die Einrichtung 91 zur Erzeugung des Wegs der Bewegung gemäß Fig. 19 erzeugt. Die Einrichtung 82 zur Steuerung der Bewegungsrichtung stellt die Stellung des Objekts 1 derart ein, daß seine Vorderseite am Punkt P entlang einer Tangentenrichtung ausgerichtet ist. Die Einrichtung 101 zur Steuerung der Schrittweite erzeugt bei einer Bewegung des Objekts 1 mit mehreren Gelenken entlang der Kurve auf der Grundlage der folgenden Funktionen (12) und (13) eine Schrittlänge Si bzw. 707 auf der Seite der Mitte der Krümmung und eine Schrittlänge So bzw. 708 auf der dieser entgegengesetzten Seite. In diesem Zusammenhang bezeichnet das Bezugszeichen S eine Schrittlänge des sich entlang einer geraden Linie bewegenden Objekts 1.
Zum Bewegen des Objekts 1 greift der Benutzer auf die Datenbank 51 zu, um aus dieser gewünschte Ausdrücke von bei der Bewegung des Objekts 1 auszuführenden Bewegungen repräsentierende Funktionen zu erhalten. Als Ergebnis aktiviert die Einheit 52 zur Berechnung der Gelenkwinkel die Gelenke des Objekts 1. Die Differenz zwischen den Schrittweiten auf der inneren und auf der äußeren Seite werden von der Einrichtung 101 zur Steuerung der Schrittweiten überwacht, und anschließend korrigiert die Einheit 102 zur Korrektur der Funktionen die die Bewegungen repräsentierenden Funktionen der Zeit. Da das Bild des Objekts 1 aufgrund der von der Einrichtung 82 zur Steuerung der Richtung der Bewegung ausgeführten Operation an dem aktuell passierten Punkt entlang der Richtung der Tangente ausgerichtet ist, bewegt sich das Objekt 1 entlang der gekrümmten Linie 701, ohne daß ein Rutschen eines Fußes auf dem Boden verursacht wird. Die Wiedergabeeinheit 53 berechnet auf der Grundlage der Ergebnisse der Berechnung der Einheit 52 zur Berechnung der Gelenkwinkel dreidimensional Informationen bezüglich einer Position und einer Stellung des Objekts 1, um die Informationen auf einen zweidimensionalen Bereich zu projizieren. Die resultierenden Informationen werden dann auf der Anzeige 54 dargestellt.
Bei der vorstehend beschriebenen Anordnung kann die Vorrichtung das Bild eines Menschen, dessen Bewegungen durch Funktionen der Zeit repräsentiert werden, frei auf einer Ebene bewegen, ohne daß ein Rutschen eines Fußes auf dem Boden verursacht wird.
Fig. 21 zeigt den Aufbau einer Computergrafikvorrichtung gemäß einer elften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das System umfaßt eine Datenbank 51 zur Speicherung von Ausdrücke von Bewegungen repräsentierenden Funktionen der Zeit, eine Einheit 81 zur Spezifikation eines Durchgangspunkts, eine Einrichtung 91 zur Erzeugung eines Wegs einer Bewegung, eine Einrichtung 82 zur Steuerung einer Bewegungsrichtung, eine Einheit 201 zur Erfassung eines Radius einer Krümmung, einen Detektor 202 für die Bewegungsgeschwindigkeit, eine Einheit 203 zur Berechnung einer Zentrifugalkraft, eine Einheit 102 zur Korrektur der Funktionen, eine Einheit 52 zur Berechnung der Gelenkwinkel, eine Wiedergabeeinheit 53 und eine Anzeige 54. Der Weg der Bewegung eines Objekts mit mehreren Gelenken, beispielsweise eines Menschen, wird von der Einheit 81 zur Spezifikation von Durchgangspunkten und der Einrichtung 91 zur Erzeugung eines Wegs der Bewegung erzeugt. Die Einrichtung 82 zur Steuerung der Bewegungsrichtung stellt eine Stellung des Bilds einer Person derart ein, daß seine Vorderseite entlang der Richtung einer Tangente einer Krümmung des Wegs der Bewegung ausgerichtet ist. Fig. 22 zeigt eine Beziehung zwischen auf das Bild einer Person aufgebrachten Kräften bei einer Veränderung des Zustands des Bilds der Person von einer in bezug auf die Bodenfläche aufrechten Stellung in eine Kreisbewegung. Das Diagramm umfaßt ein Objekt 1 mit mehreren Gelenken, eine Mitte 0 einer Krümmung, einen Radius R einer Krümmung, eine Schwerkraft g, eine Zentrifugalkraft ar und eine aus der Zentrifugalkraft ar und der Schwerkraft g resultierende Kraft F. In diesem Zustand fällt das Objekt 1 aufgrund der Zentrifugalkraft ar nach außen um. Konkreter scheint das Objekt 1 für den Betrachter nach außen umzufallen. In dieser Situation wird die Stellung des Objekts 1 wie folgt gesteuert. Gemäß dem System werden ein Radius der Krümmung der von dem Objekt 1 gerade durchlaufenen Kurve von dem Detektor 201 und die aktuelle Bewegungsgeschwindigkeit von dem Detektor 202 für die Bewegungsgeschwindigkeit erfaßt. Die Einheit 203 zur Berechnung der Zentrifugalkraft führt unter Verwendung des Radius der Krümmung und der Bewegungsgeschwindigkeit Berechnungen zur Ermittlung einer auf das Objekt 1 einwirkenden Zentrifugalkraft ar aus. Anschließend korrigiert die Einheit 102 zur Korrektur der Funktionen zur derartigen Anordnung der Stellung der Person, daß sie parallel zu der aus der Zentrifugalkraft ar und der Schwerkraft g resultierenden Kraft F ist, die Ausdrücke von Bewegungen repräsentierenden Funktionen der Zeit, um die Stellung des Objekts 1 um einen Winkel θf zu neigen. Dadurch wird ein Gleichgewichtszustand zwischen der Zentrifugalkraft ar und der Schwerkraft g erzeugt, die auf das Objekt 1 mit mehreren Gelenken einwirken, das dadurch nicht auf den Boden fällt. Durch die Einheit 52 zur Berechnung der Gelenkwinkel werden dann Aktionen der betreffenden Gelenke erzeugt. Die Wiedergabeeinheit 53 berechnet abhängig von den Ergebnissen der Berechnung der Einheit 52 zur Berechnung der Gelenkwinkel dreidimensional Informationen bezüglich einer Position und einer Stellung des Objekts 1, um die Informationen auf einen zweidimensionalen Bereich zu projizieren. Die Anzeige 54 stellt dann die erhaltenen Informationen auf ihrem Bildschirm dar.
Kurz ausgedrückt berücksichtigt die Vorrichtung bei einer Bewegung eines Bilds einer Person, deren Bewegungen durch Funktionen der Zeit repräsentiert werden, entlang einer gekrümmten Linie den Einfluß der Zentrifugalkraft. Dementsprechend kann eine unnatürliche Aktion verhindert werden, bei der das Bild einer Person beispielsweise auf den Boden zu fallen scheint.
Fig. 24 zeigt den Aufbau einer Computergrafikvorrichtung gemäß einer zwölften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das System umfaßt eine Datenbank 51 zur Speicherung von Ausdrücke von Bewegungen repräsentierenden Funktionen der Zeit, eine Einheit 81 zur Spezifikation von Durchgangspunkten, eine Einrichtung 91 zur Erzeugung eines Wegs der Bewegung, eine Einrichtung 82 zur Steuerung der Bewegungsrichtung, eine Einheit 201 zur Erfassung eines Radius einer Krümmung, einen Detektor 202 für die Bewegungsgeschwindigkeit, eine Einheit 301 zur Korrektur der Schwerkraft, eine Einheit 203 zur Berechnung einer Zentrifugalkraft, eine Einheit 102 zur Korrektur der Funktionen, eine Einheit 52 zur Berechnung der Gelenkwinkel, eine Wiedergabeeinheit 53 und eine Anzeige 54. Der Weg der Bewegung des Bilds eines Menschen wird von der Einheit 81 zur Spezifikation von Durchgangspunkten und der Einrichtung 91 zur Erzeugung des Wegs der Bewegung erzeugt. Die Einrichtung 82 zur Steuerung der Bewegungsrichtung ordnet eine Stellung des Bilds einer Person derart an, daß die seine Vorderseite entlang der Richtung einer Tangente einer Kurve des Wegs der Bewegung angeordnet ist. Anschließend werden ein Radius der Krümmung der Kurve, auf der sich das Objekt 1 gerade bewegt, von dem Detektor 201 und die aktuelle Bewegungsgeschwindigkeit von dem Detektor 202 für die Bewegungsgeschwindigkeit erfaßt. Auf der Grundlage des Radius der Krümmung und der Bewegungsgeschwindigkeit führt die Einheit 203 zur Berechnung der Zentrifugalkraft Berechnungen zum Erhalt einer auf die Person einwirkenden Zentrifugalkraft ar aus. Zur Herstellung eines Gleichgewichtszustands zwischen der Zentrifugalkraft ar und der Schwerkraft g, die auf das Objekt mit mehreren Gelenken einwirken, wird die Stellung des Bilds einer Person durch die Einheit 102 zur Korrektur der Funktionen korrigiert. Die Einrichtung 301 zur Korrektur der Schwerkraft ist zur Korrektur der Größe der zu der Schwerkraft gehörigen Informationen vorgesehen. Wenn die Informationen bezüglich der Schwerkraft verändert werden, beispielsweise wenn die auf das Bild der Person einwirkende Schwerkraft verringert wird, wird seine Stellung erheblich geneigt; wird hingegen die Schwerkraft gesteigert, wird das Bild der Person stabil, wodurch Aktionen des Bilds der Person beliebig dargestellt werden können. Anschließend werden die Bewegungen der zugehörigen Gelenke durch die Einheit 52 zur Berechnung der Gelenkwinkel erzeugt. Die Wiedergabeeinheit 53 berechnet auf der Grundlage der von der Einheit 52 zur Berechnung der Gelenkwinkel erhaltenen Ergebnisse dreidimensional Informationen bezüglich einer Position und einer Stellung der Person, um die Informationen auf einen zweidimensionalen Raum zu projizieren. Die Anzeige 54 stellt die resultierenden Informationen auf ihrem Bildschirm dar.
Kurz ausgedrückt kann die Vorrichtung bei der Bewegung eines Bilds einer Person, deren Bewegungen durch Funktionen der Zeit repräsentiert werden, entlang einer Kurve die Größe der auf das Bild der Person einwirkenden Schwerkraft derart verändern, daß die Veränderung der Stellung des Bilds der sich entlang der gekrümmten Linie bewegenden Person mit einem hervorgehobenen Ausdruck oder einem gemäßigten Ausdruck dargestellt wird.
Fig. 25 zeigt den Aufbau einer Computergrafikvorrichtung gemäß einer dreizehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Aufbau umfaßt eine Datenbank 51 zur Speicherung von Ausdrücke von Bewegungen repräsentierenden Funktionen der Zeit, eine Einheit 501 zur Spezifikation einer Position, eine Einheit 502 zur Berechnung von Abständen, eine Vorrichtung 503 zur Eingabe von Informationen bezüglich der Schrittweite, eine Einrichtung 504 zur Steuerung der Schrittweite, eine Einheit 102 zur Korrektur der Funktionen, eine Einheit 52 zur Berechnung der Gelenkwinkel, eine Wiedergabeeinheit 53 und eine Anzeige 54. Fig. 26 zeigt ein Anzeigebeispiel einer Beziehung zwischen dem Weg einer Bewegung und einer Schrittweite des Bilds einer Person. Das Diagramm umfaßt eine gekrümmte Linie 1001, die einen Weg der Bewegung des Bilds einer Person darstellt. Die Einheit 501 zur Spezifikation der Positionen wird zur Spezifikation von zwei Punkten x&sub1; und x&sub2; auf der Kurve 1001 verwendet, und anschließend bestimmt die Einheit 502 zur Berechnung des Abstands eine Länge L eines Abschnitts x&sub1;x&sub2; der Kurve 1001. Die Vorrichtung 503 zur Eingabe der Schrittweite ist zur Eingabe einer bei einer. Bewegung des Bilds einer Person entlang der Kurve 1001 vom Punkt x&sub1; zum Punkt x&sub2; erforderlichen Schrittweitenzählung n vorgesehen. Die Einrichtung 504 zur Steuerung der Schrittweite ermittelt die Schrittlänge S auf der Grundlage der folgenden Gleichung, um den Wert S an die Einheit 102 zur Korrektur der Funktionen zu senden.
S = L/n ... (14)
Die Einheit 102 zur Korrektur der Funktionen korrigiert die aus der Datenbank 51 ausgewählten Funktionen der Zeit derart, daß die Schrittweite S wird. Unter Verwendung der korrigierten Funktionen der Zeit erzeugt die Einheit 52 zur Berechnung der Gelenkwinkel Aktionen der jeweiligen Gelenke. Auf der Grundlage der Ergebnisse der Berechnungen ermittelt die Wiedergabeeinheit 53 dreidimensional Informationen bezüglich einer Position und einer Stellung des Bilds einer Person. Die Informationen werden dann auf einen zweidimensionalen Raum projiziert, um von der Anzeige 54 auf einem Bildschirm angezeigt zu werden.
Zusammenfassend kann die Vorrichtung das Bild einer Person mit einer vorgegebenen Anzahl an Schritten längs einem vorab eingestellten Intervall auf einer Kurve bewegen.
Fig. 27 zeigt den Aufbau einer Computergrafikvorrichtung gemäß einer vierzehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Aufbau umfaßt eine Datenbank 51 zur Speicherung von Ausdrücke von Bewegungen repräsentierenden Funktionen der Zeit, eine Einheit 511 zur Spezifikation der Zeit, eine Einheit 512 zur Berechnung der Zeit, eine Vorrichtung 503 zur Eingabe einer Zählung der Schrittweite, eine Steuereinheit 514 zur Überwachung einer für eine Schrittweite oder einen Schritt erforderlichen Zeitspanne, eine Einheit 102 zur Korrektur der Funktionen, eine Einheit 52 zur Berechnung der Gelenkwinkel, eine Wiedergabeeinheit 53 und eine Anzeige 54. Fig. 28 zeigt ein Anzeigebeispiel der Anzeige 54, das eine Beziehung einer Schrittweite (auf einer horizontalen Linie oder einer Abszisse) in bezug auf die Zeit bei einer Bewegung des Bilds einer Person darstellt. Die Einheit 511 zur Spezifikation der Zeit wird zur Spezifikation von zwei Zeitpunkten t&sub1; und t&sub2; auf der die verstrichene Zeit anzeigenden Linie 1101 verwendet. Die Einheit 512 zur Berechnung der Zeit ermittelt ein Zeitintervall zwischen den Zeitpunkten t&sub1; und t&sub2; auf der Linie 1101. Die Vorrichtung 503 zur Eingabe der Schrittweitenzählung ist zur Eingabe einer bei einer Bewegung der Person während des Zeitintervalls von t&sub1; bis t&sub2; erforderlichen Schrittweitenzählung n vorgesehen. Die Einrichtung 514 zur Steuerung der Periode der Schrittweite ermittelt die für einen Schritt erforderliche Periode TS auf der Grundlage der folgenden Gleichung, wobei der ermittelte Wert TS an die Einheit 102 zur Korrektur der Funktionen gesendet wird.
TS = T/n ... (15)
Die Einheit 102 zur Korrektur der Funktionen führt eine Korrektur an den aus der Datenbank 51 ausgewählten Funktionen der Zeit aus, so daß die Schrittweitenperiode TS wird. Abhängig von den korrigierten Funktionen der Zeit erzeugt die Einheit 52 zur Berechnung der Gelenkwinkel Bewegungen der jeweiligen Gelenke. Beim Empfang der Ergebnisse der Berechnungen berechnet die Wiedergabeeinheit 53 auf der Grundlage derselben dreidimensional Informationen bezüglich einer Position und einer Stellung der Person. Die Informationen werden dann zur Darstellung auf einem Bildschirm durch die Anzeige 54 auf einen zweidimensionalen Raum projiziert.
Dadurch kann das System ein Bild einer Person in einem vorgegebenen Zeitintervall mit einer vorgegebenen Anzahl an Schritten entlang einer Linie bewegen.
Fig. 29 zeigt den Aufbau einer Computergrafikvorrichtung gemäß einer fünfzehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Aufbau umfaßt eine Datenbank 51 zur Speicherung von Ausdrücke von Bewegungen repräsentierenden Funktionen der Zeit, eine Einheit 522 zur Spezifikation einer Stel lung, eine Einheit 521 zur Spezifikation einer Position, eine Einheit 102 zur Korrektur der Funktionen, eine Einheit 52 zur Berechnung der Gelenkwinkel, eine Wiedergabeeinheit 53 und eine Anzeige 54. Die Einheit 522 zur Spezifikation der Stellung wird zur Bestimmung einer gewünschten Stellung des Bilds einer Person (in einem stationären Zustand) verwendet. Die Einheit 521 zur Spezifikation der Position wird zur Bestimmung einer Position in dem Raum verwendet, in dem der Mensch die Stellung einnimmt. In dieser Situation bewegt sich das Bild der Person mit zu aus der Datenbank 51 ausgewählten Funktionen der Zeit gehörigen Bewegungen. Wenn sich das Bild der Person der durch die Einheit 521 zur Spezifikation der Position spezifizierten Position nähert, korrigiert die Einheit 102 zur Korrektur der Funktionen zur Entwicklung der von der Einheit 522 zur Spezifikation der Stellung bestimmten Stellung die Funktionen der Zeit. An der spezifizierten Position nimmt das Bild der Person die angegebene Stellung ein. Abhängig von den korrigierten Funktionen der Zeit erzeugt die Einheit 52 zur Berechnung der Gelenkwinkel die Bewegungen der jeweiligen Gelenke. Auf der Grundlage der Ergebnisse der Berechnungen ermittelt die Wiedergabeeinheit 53 dreidimensional Informationen bezüglich einer Position und einer Stellung des Bilds der Person. Die Informationen werden daraufhin auf einen zweidimensionalen Raum projiziert, um von der Anzeige 54 auf einem Bildschirm dargestellt zu werden.
Dementsprechend kann der Aufbau ein Bild eines Objekts mit mehreren Gelenken in einer spezifizierten Stellung darstellen, wobei das Objekt auf der Grundlage von Funktionen der Zeit agiert.
Fig. 30 zeigt den Aufbau einer Computergrafikvorrichtung gemäß einer sechzehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Aufbau umfaßt eine Datenbank 51 zur Speiche rung von Ausdrücke von Bewegungen repräsentierenden Funktionen der Zeit, eine Einheit 522 zur Spezifikation einer Stellung, eine Einheit 531 zur Spezifikation der Zeit, eine Einheit 102 zur Korrektur der Funktionen, eine Einheit 52 zur Berechnung der Gelenkwinkel, eine Wiedergabeeinheit 53 und eine Anzeige 54. Die Einheit 522 zur Spezifikation einer Stellung wird zur Bestimmung einer gewünschten Stellung des Bilds einer Person (in einem stationären Zustand) verwendet. Die Einheit 531 zur Spezifikation der Zeit wird zur Bestimmung eines Zeitpunkts verwendet, zu dem das Bild der Person die Stellung einnimmt. Das Bild der Person bewegt sich mit durch aus der Datenbank 51 ausgewählten Funktionen der Zeit repräsentierenden Bewegungen. Zu einem Zeitpunkt in der Nähe des durch die Einheit 531 zur Spezifikation der Zeit spezifizierten Zeitpunkts korrigiert die Einheit 102 zur Korrektur der Funktionen zur Entwicklung der von der Einheit 522 zur Spezifikation einer Stellung bestimmten Stellung die Funktionen der Zeit. Zu dem spezifizierten Zeitpunkt nimmt das Bild der Person die bestimmte Stellung ein. Unter Verwendung der korrigierten Funktionen der Zeit erzeugt die Einheit 52 zur Berechnung der Gelenkwinkel Bewegungen der jeweiligen Gelenke. Auf der Grundlage der Ergebnisse der Berechnung ermittelt die Wiedergabeeinheit 53 dreidimensional Informationen bezüglich einer Position und einer Stellung des Bilds der Person, die dann zur Anzeige auf einem Bildschirm durch die Anzeige 54 auf eine zweidimensionalen Bereich projiziert werden.
Durch die vorstehend beschriebenen Operationen kann das System ein Bild eines Objekts mit mehreren Gelenken zu einem vorgegebenen Zeitpunkt in einer spezifizierten Stellung darstellten, wobei sich das Objekt auf der Grundlage von Funktionen der Zeit bewegt wird.
Fig. 31 zeigt den Aufbau einer Computergrafikvorrichtung gemäß einer siebzehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Aufbau umfaßt eine Datenbank 51 zur Speicherung von Ausdrücke von Bewegungen repräsentierenden Funktionen der Zeit, eine Einrichtung (A) 542 zur Auswahl von Funktionen, einen Speicher (A) 545 für Positionen und Funktionen, eine Einheit (B) 543 zur Spezifikation von Positionen, eine Einrichtung (B) 544 zur Auswahl von Funktionen, einen Speicher (B) 546 für Positionen und Funktionen, eine Einheit 547 zur Berechnung eines Abstands, eine Einheit 548 zur Interpolation der Funktionen, eine Einheit 52 zur Berechnung der Gelenkwinkel, eine Wiedergabeeinheit 53 und eine Anzeige 54. Fig. 32 zeigt ein Beispiel einer Bildschirmanzeige der Anzeige 54, die zur Erläuterung eines Verfahrens zur Interpolation von Ausdrücken von Bewegungen des Bilds einer Person bei der Bewegung des Bilds einer Person nützlich ist. Das Bild der Person bewegt sich entlang einer geraden Linie 1401 von der linken Seite zur rechten Seite. Die Einheit (A) 541 zur Spezifikation der Position wird zur Spezifikation eines Punkts Xm bzw. 1402 auf der Geraden Linie 1401 verwendet, und anschließend wird die Einrichtung (A) 542 zur Auswahl der Funktionen initialisiert, um einen Ausdruck der Bewegung am Punkt 1402 betreffende Funktionen der Zeit aus der Datenbank 51 auszuwählen. Es wird hier davon ausgegangen, daß "die Person geht normal" ausgewählt wurde (1403 gemäß Fig. 32) und daß jede Frequenzkomponente der Funktion der Zeit eine Spektralintensität Amn und eine Phase Ψmn aufweist. Die Position Xm auf der geraden Linie 1401 und die Spektralintensität Amn sowie die Phase Ψmn der die Aktion repräsentierenden Funktion der Zeit werden in den Speicher (A) 545 für Positionen und Funktionen geladen. Als nächstes wird die Einheit (B) 543 zur Spezifikation der Position verwendet, um einen Punkt Xm+1 bzw. 1404 zu spezifizieren, und anschließend wählt die Einrichtung (B) 544 zur Auswahl der Funktionen einen Ausdruck der Bewegung an dem Punkt 1404 betreffende Funktionen der Zeit aus der Datenbank 51 aus. Es wird hier davon ausgegangen, daß "die Person geht fröhlich" (1405 gemäß Fig. 32) ausgewählt wurde und daß jede Frequenzkomponente der Funktion der Zeit die Spektralintensität Am+1n und die Phase Ψm+1n aufweist. Die spezifizierte Position Xm+1 auf der geraden Linie 1401 und die Spektralintensität Am+1n sowie die Phase Ψm+1n der die Bewegung repräsentierenden Funktion der Zeit werden in dem Speicher (B) 546 für Positionen und Funktionen gespeichert. Die Einheit 547 zur Berechnung des Abstands wird zur Bestimmung einer aktuellen Position des Bilds der Person verwendet. Es wird hier davon ausgegangen, daß die aktuelle Position durch x bzw. das Bezugszeichen 1406 bezeichnet ist. Die Einheit 548 zur Interpolation der Funktionen verarbeitet die die beiden Punkte und die aktuelle Position betreffenden Funktionen der Zeit, um auf der Grundlage der folgenden Gleichungen eine Spektralintensität An(x) und eine Phase Ψn(x) der Funktion der Zeit an der aktuellen Position x zu ermitteln.
Unter Verwendung der Spektralintensität An(x) und einer Phase Ψn(x) der Funktion der Zeit, die anhand der Gleichungen (16) und (17) bestimmt wurden, löst die Einheit 52 zur Berechnung der Gelenkwinkel die folgende Funktion, um die Gelenkwinkel zu erhalten.
qn(t) = Ao(x) + {An(x) · sin(nt + Yn(x))} ... (18)
Auf der Grundlage der einer Interpolation unterzogenen Funktionen der Zeit erzeugt die Einheit 52 zur Berechnung der Gelenkwinkel Bewegungen der jeweiligen Gelenke. Gemäß diesem Beispiel wird eine Zwischenaktion 1403 zwischen dem normalen Gehen und dem fröhlichen Gehen erzeugt. Auf der Grundlage der Ergebnisse der Berechnungen erzeugt die Wiedergabeeinheit 53 dreidimensional Informationen bezüglich einer Position und einer Stellung des Bilds der Person. Die Informationen werden dann auf einen zweidimensionalen Raum projiziert, der dann von der Anzeige 54 auf einem Bildschirm dargestellt wird.
Dadurch kann das System ein Bild eines Objekts mit mehreren Gelenken darstellten, wobei sich das Bild mit einem durch eine Interpolation von Bewegungen zwischen zwei spezifizierten Positionen entwickelten Ausdruck bewegt.
Fig. 33 zeigt den Aufbau einer Computergrafikvorrichtung gemäß einer achtzehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Aufbau umfaßt eine Datenbank 51 zur Speicherung Ausdrücke von Bewegungen repräsentierender Funktionen der Zeit, eine Einheit (A) 551 zur Spezifikation der Zeit, eine Einrichtung (A) 522 zur Auswahl von Funktionen, einen Speicher (A) 555 für eine Zeit und eine Funktion, eine Einheit (B) 553 zur Spezifikation der Zeit, eine Einrichtung (B) 554 zur Auswahl einer Zeit und einer Funktion, einen Speicher (B) 556 für eine Zeit und eine Funktion, eine Einheit 557 zur Berechnung der Zeit, eine Einheit 548 zur Interpolation der Funktionen, eine Einheit 52 zur Berechnung der Gelenkwinkel, eine Wiedergabeeinheit 53 und eine Anzeige 54. Fig. 34 zeigt ein Beispiel einer von der Anzeige 54 erzeugten Bildschirmanzeige zur Erläuterung eines Verfahrens zur Interpolation von Ausdrücken von Bewegungen des angezeigten Bilds einer Person.
Gemäß diesem Diagramm repräsentiert eine gerade Linie 1501 eine Achse der Zeit. Die Einheit (A) 551 zur Spezifikation der Zeit wird zur Spezifikation eines Zeitpunkts Tm bzw. 1502 auf der Zeitachse 1501 verwendet, und darauf wählt die Einrichtung (A) 552 zur Auswahl der Funktionen zu einem Ausdruck der Bewegung zum Zeitpunkt 1502 gehörige Funktionen der Zeit aus der Datenbank 51 aus. Es wird hier davon ausgegangen, daß "die Person geht normal" (1503 gemäß Fig. 34) ausgewählt wurde und daß jede Frequenzkomponente der Funktion der Zeit eine Spektralintensität Amn und eine Phase Ψmn aufweist. Der auf der Zeitachse 1501 spezifizierte Zeitpunkt Tm und die Spektralintensität Amn, sowie die Phase Ψmn der die Aktion repräsentierenden Funktion der Zeit werden in dem Speicher (A) 555 für die Zeit und die Funktion gespeichert. Anschließend wird die Einheit (B) 553 zur Spezifikation der Zeit zur Spezifikation eines Zeitpunkts Tm+1 bzw. 1504 verwendet, und danach wählt die Einrichtung (B) 554 zur Auswahl der Funktionen einen Ausdruck der Bewegung zum Zeitpunkt 1504 betreffende Funktionen der Zeit aus der Datenbank 51 aus. Es wird hier davon ausgegangen, daß die Bewegung "die Person geht fröhlich" (1505 gemäß Fig. 34) ausgewählt wurde und daß jede Frequenzkomponente eine Spektralintensität Am+1 und eine Phase Ψm+1n aufweist. Die spezifizierte Position Tm+1 auf der Zeitachse 1501 und die Spektralintensität Am+1n sowie die Phase Ψm+1n der die Bewegung repräsentierenden Funktion der Zeit werden in dem Speicher (B) 556 für die Zeit und die Funktion gespeichert. Darauf wird die Einheit 577 zur Berechnung der Zeit aktiviert, um einen aktuellen Zeitpunkt zu bestimmen, von dem hier angenommen wird, daß er durch t bzw. das Bezugszeichen 1506 bezeichnet wird. Die Einheit 558 zur Interpolation der Funktionen verarbeitet die zu den beiden Punkten und dem aktuellen Zeitpunkt gehörigen Funktionen der Zeit, um auf der Grundlage der folgenden Gleichungen eine Spektralintensität An(t) und eine Phase Ψn(t) der Funktion der Zeit zum aktuellen Zeitpunkt t zu erhalten.
Unter Verwendung der Spektralintensität An(t) und der Phase Ψn(t) der Funktion der Zeit, die anhand der Gleichungen (16) und (17) bestimmt wurden, löst die Einheit 52 zur Berechnung der Gelenkwinkel die folgende Funktion, um die Gelenkwinkel zu erhalten.
θn(t) = Ao(t) + {An(t) · sin(nt + Ψn(t))} ... (21)
Auf der Grundlage der durch die Interpolation bestimmten Funktionen der Zeit erzeugt die Einheit 52 zur Berechnung der Gelenkwinkel Aktionen der jeweiligen Gelenke. Bei diesem Beispiel wird eine Zwischenaktion zwischen dem normalen Gehen und dem fröhlichen Gehen erzeugt. Abhängig von den Ergebnissen der Berechnungen erzeugt die Wiedergabeeinheit 53 dreidimensional Informationen bezüglich einer Position und einer Stellung des Bilds der Person, die dann auf einen zweidimensionalen Raum projiziert werden, um von der Anzeige 54 auf einem Bildschirm angezeigt zu werden.
Bei der vorstehend beschriebenen Anordnung kann die Vorrichtung ein Bild eines Objekts mit mehreren Gelenken darstellen, wobei sich das Bild mit einem durch Interpolation ermittelten Ausdruck bewegt, der durch eine Interpolation von Bewegungen zwischen zwei spezifizierten Positionen entwickelt wurde.
Fig. 35 zeigt den Aufbau einer Computergrafikvorrichtung gemäß einer neunzehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Aufbau umfaßt eine Datenbank 51 zur Speicherung Ausdrücke von Bewegungen repräsentierender Funktionen der Zeit, eine Einheit 561 zur Spezifikation von Winkeln, eine Einrichtung 562 zur Trennung von Ausdrücken von Funktionen, eine Einrichtung 563 zur Erzeugung von Schlüsselrahmenbewegungen, eine Einheit 564 zur Kombination von Bewegungen, eine Einrichtung 52 zur Berechnung von Gelenkwinkeln, eine Wiedergabeeinheit 53 und eine Anzeige 54. In einigen Fällen können nicht sämtliche Aktionen des Bilds einer Person unter Verwendung von in der Datenbank 51 gespeicherten Funktionen der Zeit dargestellt werden. Wird beispielsweise die Erzeugung der Bewegung "eine gehende Person winkt mit der Hand" gewünscht, kann die gewünschte Aktion selbst bei bereits in die Datenbank 51 geladener Aktion "eine Person geht" nicht erhalten werden, wenn die Bewegung "Winken mit der Hand" darin fehlt. Als nächstes erfolgt eine Beschreibung eines Verfahrens zur Erzeugung einer Bewegung, beispielsweise "eine gehende Person winkt mit der Hand" in der Computergrafikvorrichtung gemäß der neunzehnten Ausführungsform. Zunächst werden die eine Aktion "Gehen" repräsentierenden Funktionen der Zeit aus der Datenbank 51 ausgewählt. Hier wird davon ausgegangen, daß das Bild der Person mit der linken Hand winkt. In dieser Situation müssen die Gelenke im Bereich von der linken Schulter bis zu dem Gelenk an der Spitze der Hand von den vorstehend beschriebenen, durch die Funktionen der Zeit repräsentieren getrennt werden. Diese Operation wird von der Einheit 561 zur Spezifikation der Gelenke ausgeführt. Die Einrichtung 562 zur Trennung von Ausdrücken von Funktionen trennt dementsprechend die spezifizierten Gelenke von dem Ausdruck der Funktion. Die Aktionen der verbleibenden Gelenke werden dann von der Einheit 52 zur Berechnung der Gelenkwin kel erzeugt. Für die ausgesonderten Gelenke werden die Bewegungen von der Einrichtung 563 zur Erzeugung von Schlüsselrahmenbewegungen erzeugt, die Bewegungen durch das Schlüsselrahmenverfahren erzeugt. Die Einheit 564 zur Kombination der Bewegungen kombiniert die durch das Schlüsselrahmenverfahren erzeugten Bewegungen mit den abhängig von den Funktionen der Zeit erzeugten. Unter Verwendung der kombinierten Ergebnisse erzeugt die Wiedergabeeinheit 53 dreidimensional Informationen bezüglich einer Position und einer Stellung des Bilds der Person. Die Informationen werden dann zur Darstellung auf einem Bildschirm durch die Anzeige 54 auf einen zweidimensionalen Raum projiziert.
Dadurch kann die Vorrichtung ein Bild eines Objekts mit mehreren Gelenken darstellen, bei dem das Bild eine nicht vorab in der Datenbank registrierte Aktion ausführt.
Fig. 36 zeigt den Aufbau einer Computergrafikvorrichtung gemäß einer zwanzigsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Aufbau umfaßt eine Datenbank 51 zur Speicherung von Ausdrücke von Bewegungen repräsentierenden Funktionen der Zeit, eine Einheit 561 zur Spezifikation der Winkel, eine Einrichtung 562 zur Trennung von Ausdrücken von Funktionen, eine Einrichtung 563 zur Erzeugung von Schlüsselrahmenbewegungen, eine Einrichtung 571 zur Transformation von Funktionen, eine Einheit 564 zur Kombination von Bewegungen, eine Einrichtung 52 zur Berechnung von Gelenkwinkeln, eine Wiedergabeeinheit 53 und eine Anzeige 54. Der Aufbau dieser Ausführungsform wird durch zusätzliches Anordnen einer Einrichtung 571 zur Transformation von Funktionen vor der Einrichtung 563 zur Erzeugung der Schlüsselrahmenbewegungen der Vorrichtung gemäß der in Fig. 35 dargestellten neunzehnten Ausführungsform implementiert. Eine durch die Einrichtung 563 zur Erzeugung von Schlüsselrahmenbewegungen erzeugte Aktion wird von der Einrichtung 571 zur Transformation von Funktionen in eine Funktion der Zeit, wie die durch die Funktion (5) repräsentierte, umgewandelt. Die von dem Ergebnis der Transformation repräsentierte Bewegung wird zur erneuten Verwendung bei einer weiteren, späteren Verarbeitung in der Datenbank 51 registriert.
Kurz ausgedrückt wird gemäß der zwanzigsten Ausführungsform eine nicht in der Datenbank registrierte Bewegung durch das Schlüsselrahmenverfahren erzeugt und anschließend in eine Funktion der Zeit umgewandelt, die zur erneuten Verwendung bei einer späteren Operation in der Datenbank registriert wird.
Fig. 37 zeigt eine Vorrichtung zur Erzeugung einer eine Aktion repräsentierenden Funktion der Zeit. Der Aufbau umfaßt eine Einheit 581 zur Messung einer Bewegung, eine Einrichtung 582 zur Transformation von Funktionen und eine Datenbank 51 zur Speicherung von Ausdrücke von Bewegungen repräsentierenden Funktionen der Zeit. Fig. 38 zeigt ein Beispiel einer zur Erzeugung einer einen Ausdruck einer Bewegung repräsentierenden Funktion der Zeit verwendeten Prozedur. Zuerst mißt die Einheit 581 zur Messung von Bewegungen eine Aktion (einen Winkel) jedes Gelenks des Bilds einer Person als Objekt 1 mit mehreren Gelenken. Bei dem Beispiel gemäß Fig. 38 wird eine Videokamera 1802 zur derartigen Aufnahme eines Bilds des bewegten Objekts 1 verwendet, daß auf der Grundlage eines für jeden Rahmen auf einem Bildschirm dargestellten Bilds 1803 die Bewegung jedes Gelenks gemessen wird, der beispielsweise wie in einem Diagramm 1804 dargestellt ermittelt wird. Die Einrichtung 582 zur Transformation von Funktionen führt dann eine Fourier-Reihenexpansion an den gemessenen Daten aus, um eine der Funktion (5) ähnliche (einen Ausdruck einer Bewegung repräsentierende) Funktion zu erhalten. Die resultierende Funktion der Zeit wird dann in die Datenbank 51 geladen.
Durch die vorstehend beschriebene Operation kann die Vorrichtung zur Erzeugung einer einen Ausdruck einer Aktion repräsentierenden Funktion der Zeit eine tatsächliche Aktion eines Bilds einer Person verarbeiten.
Fig. 39 zeigt eine Vorrichtung zur Erzeugung einer einen Ausdruck einer Bewegung repräsentierenden Funktion der Zeit. Der Aufbau umfaßt eine Einheit 581 zur Messung von Bewegungen, eine Einheit 591 zur Korrektur der gemessenen Daten, eine Einrichtung 582 zur Transformation von Funktionen und eine Datenbank 51 zur Speicherung von Ausdrücke von Bewegungen repräsentierenden Funktionen der Zeit. Das System wird durch Hinzufügen der Einheit 591 zur Korrektur der gemessenen Daten zu der Vorrichtung gemäß Fig. 37 realisiert. Die gemessenen Daten weisen aufgrund eines Meßfehlers und einer ungeeigneten Messung eine Differenz in bezug auf die tatsächlichen Daten auf. Zur Minimierung der Diskrepanz zwischen diesen führt die Einheit 591 zur Korrektur der gemessen Daten eine Filteroperation und eine Korrektur an den gemessenen Daten aus.
Als Ergebnis der Operation kann bei der Vorrichtung gemäß Fig. 39 bei der Messung einer tatsächlichen Bewegung des Bilds einer Person zur geeigneten Erzeugung einer einen Ausdruck der Bewegung repräsentierenden Funktion der Zeit jeder bei der Meßoperation auftretende Fehler entfernt werden.
Fig. 40 zeigt den Aufbau einer alternativen Vorrichtung zur Erzeugung einer einen Ausdruck einer Bewegung repräsentierenden Funktion der Zeit. Der Aufbau umfaßt eine Einrichtung 801 zur Erzeugung von Schlüsselrahmenbewegungen, eine Einrichtung 582 zur Transformation von Funktionen und eine Datenbank 51 zur Speicherung von Ausdrücke von Bewegungen repräsentierenden Funktionen der Zeit. Gemäß diesem System wird zunächst von der Einrichtung 801 zur Erzeugung von Bewegungen durch das Schlüsselrahmenverfahren eine Bewegung eines Bilds einer Person erzeugt. Die erzeugte Bewegung (eine Veränderung des Biegewinkels jedes Gelenks in bezug auf die Zeit) wird in eine die Bewegung repräsentierende Funktion der Zeit umgewandelt, die dann in der Datenbank 51 registriert wird.
Als Ergebnis kann die Vorrichtung auf der Grundlage der gemäß dem Schlüsselrahmenverfahren erzeugten Bewegung eine einen Ausdruck der Bewegung repräsentierende Funktion der Zeit erzeugen.
Fig. 41 zeigt den Aufbau einer weiteren Vorrichtung zur Erzeugung einer einen Ausdruck einer Bewegung repräsentierenden Funktion der Zeit. Der Aufbau umfaßt eine Datenbank 51, in die Ausdrücke von Bewegungen repräsentierende Funktionen der Zeit geladen sind, und eine Einheit 811 zur Korrektur der Funktionen. Bei diesem System ist die Einheit 811 zur Korrektur der Funktionen zur Modifikation einer die aus der Datenbank 51 ausgewählte Bewegung repräsentierenden Funktion der Zeit vorgesehen. Die Modifikationsoperation umfaßt hierbei eine Filteroperation an einer eine Aktion repräsentierenden Funktion, eine Interpolation an einer Bewegungsfunktion und eine Operation zur Ermittlung eines Mittelwerts mehrerer Bewegungsfunktionen. Die modifizierten Funktionen werden zur erneuten Verwendung bei einer späteren Operation in der Datenbank 51 gespeichert.
Durch diese Anordnung modifiziert die Vorrichtung gemäß Fig. 41 eine die aus der Datenbank 51 ausgewählte Bewegung repräsentierende Funktion der Zeit und speichert anschließend die modifizierte Funktion in der Datenbank, wodurch eine er neute Verwendung der resultierenden Funktion zu einem späteren Zeitpunkt ermöglicht wird.
Fig. 42 zeigt den Aufbau einer Computergrafikvorrichtung gemäß einer einundzwanzigsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Aufbau gemäß dieser Ausführungsform umfaßt eine Datenbank 51 zur Speicherung von Ausdrücke von Bewegungen repräsentierenden Funktionen der Zeit, eine Einrichtung 821 zur Auswahl von Funktionen zur Auswahl einer Funktion der Zeit für ein einen Körper eines Objekts mit mehreren Gelenken bildendes Gelenk, temporäre Speicher 822 bis 824 zur vorübergehenden Speicherung ausgewählter Funktionen der Zeit für die zugehörigen Gelenke, eine Einheit 825 zur Zusammensetzung von Funktionen, eine Einheit 52 zur Berechnung der Gelenkwinkel, eine Wiedergabeeinheit 53 und eine Anzeige 54. Das System gemäß dieser Ausführungsform wird zur Darstellung einer Aktion des Bilds einer Person als Objekt mit mehreren Gelenken verwendet, bei der die obere Hälfte des Körpers des Bilds der Person die Aktion des Gehens und die untere Hälfte des Körpers desselben die Aktion des Rennens ausführt. Gemäß diesem Beispiel führt das System die Operationen wie folgt aus. Die Einrichtung 821 zur Auswahl der Funktionen wählt aus der Datenbank 51 Funktionen der Zeit für die Aktion des Gehens der oberen Hälfte des Körpers aus, die dann in dem temporären Speicher 822 gespeichert werden. Anschließend wählt die Einrichtung 821 zur Auswahl der Funktionen auf ähnliche Weise Funktionen der Zeit für die Aktion des Rennens der unteren Hälfte des Körpers aus, die daraufhin in dem temporären Speicher 823 gespeichert werden. Die Einheit 825 zur Zusammensetzung der Funktionen kombiniert dann die Funktionen der oberen Hälfte des Körpers mit denen seiner unteren Hälfte. Auf der Grundlage der resultierenden Funktion der Zeit führt die Einheit 52 zur Berechnung der Gelenkwinkel Berechnungen zur Bestimmung von Aktionen der jeweiligen Gelenke aus. Die Wiedergabeeinheit 53 verarbeitet zur dreidimensionalen Ermittlung einer Position und einer Stellung des Bilds der Person die resultierenden Daten. Die Informationen bezüglich der Position und der Stellung werden dann zur Anzeige auf einem Bildschirm der Anzeige 54 auf einen zweidimensionalen Raum projiziert.
Dadurch kann gemäß der einundzwanzigsten Ausführungsform eine Funktion der Zeit für jedes Gelenk des Bilds einer Person ausgewählt werden, so daß zum Erhalt einer Bewegung des Bilds einer Person Aktionen der jeweiligen Gelenke miteinander kombiniert werden.
Fig. 43 zeigt einen als Aufbereitungsabschnitt der Konstruktionen gemäß den Fig. 12 bis 42 verfügbaren Bewegungseditor 305. Der Bewegungseditor 305 wird zur Eingabe verschiedener Parameter und dergleichen gemäß der jeweiligen Ausführungsform beispielsweise von einem Bildschirm verwendet. Der Aufbau des Editors 305 umfaßt einen Teil 951 zur Spezifikation von Ausdrücken von Bewegungen, einen Teil 952 zur Spezifikation eines Wegs und einer Geschwindigkeit und einen Teil 953 zur Korrektur von Schlüsselrahmenbewegungen.
Bei dem Bildschirmbeispiel gemäß Fig. 44 wird der Teil 951 zur Spezifikation von Ausdrücken von Bewegungen beispielsweise zur Auswahl einer einen Ausdruck einer Bewegung gemäß den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen repräsentierenden Funktion und zur Einstellung von den ausgewählten Funktionen zugewiesenen Gewichtungen verwendet. Der Teil 951 zur Spezifikation von Ausdrücken von Bewegungen gibt eine eine vom Benutzer gewünschte Bewegung repräsentierende (eine Spektralintensität und einen Phasenwinkel für eine Bewegung jedes Gelenks betreffende) Funktion aus.
Fig. 45 zeigt ein Beispiel einer Bildschirmanzeige des Teils 952 zur Spezifikation des Wegs und der Geschwindigkeit, bei dem ein Weg einer Bewegung, eine Geschwindigkeit einer Bewegung und ein Ausdruck einer Bewegung für ein Bild einer Person gemäß den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen spezifiziert werden. Das Teil 952 erzeugt Daten, die einen Biegewinkel jedes Gelenks des Bilds der Person für jeden Rahmen des Bilds angeben.
Bei einem Bildschirmbeispiel des Teils 953 zur Korrektur von Schlüsselrahmenbewegungen gemäß Fig. 46 wird ein Abschnitt eines durch Funktionen der Zeit repräsentierten Ausdrucks einer Bewegung von der ausdrückenden Funktion getrennt, um gemäß dem Schlüsselrahmenverfahren erzeugt zu werden.
Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen erfolgte die Beschreibung von Beispielen, bei denen ein Computergrafiksystem zur Darstellung eines Bilds einer Person verwendet wird, um eine Aktion des Bilds der Person zu steuern. Die von der Einheit 12 zur Berechnung der Gelenkwinkel erhaltenen Ergebnisse können jedoch als Anweisungen für Aktionen, nämlich als Signale zur Steuerung von Aktionen eines Roboters mit mehreren Gelenken und einer tatsächlichen Größe des zugehörigen Objekts, verwendet werden, wodurch ein den Roboter antreibendes Robotersteuerungssystem implementiert wird.
Im folgenden erfolgt eine Beschreibung eines derartigen Beispiels. Fig. 47 zeigt den Aufbau einer einen Roboter steuernden Vorrichtung gemäß einer zweiundzwanzigsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Im Vergleich zu der Steuervorrichtung gemäß Fig. 1 erübrigt sich der Speicher 15 für die Kontour eines Objekts. Der Kontourenspeicher 15 wird nämlich durch einen in Fig. 48 dargestellten Roboter 2000 ersetzt; überdies wird die Wiedergabeeinheit 14 durch Stell glieder A ersetzt. Jedes Stellglied A ist zum Biegen eines zugehörigen Gelenks des Roboters 2000 in Abhängigkeit von einem durch die Einheit 12 zur Berechnung der Biegewinkel der Gelenke berechneten Biegewinkel des Gelenks vorgesehen. Dadurch werden, wie bei den Ausführungsformen, die jeweiligen Gelenke auf der Grundlage einer von der Einrichtung 11 zur Auswahl einer Grundbewegung ausgewählten Grundfunktion für eine Aktion, wie "Gehen" oder "Rennen" harmonisiert betätigt. Wie bereits im Zusammenhang mit den Ausführungsformen beschrieben, kann der Roboter 2000 überdies mit einer Bewegung, wie "fröhlich Gehen" oder "betrübt Rennen" betätigt werden, wenn in den Speicher 10 für die Funktionen für die Grundbewegungen zusätzlich zu den Aktionen, wie "Gehen" oder "Rennen", Merkmalskomponenten, beispielsweise ein einen emotionalen Ausdruck einer Person repräsentierendes charakteristisches Element, geladen werden.

Claims

1. Computergrafikvorrichtung zur Darstellung einer Bewegung eines Objekts (1) mit mehreren Gelenken (3, 4, 5) auf einem Bildschirm (17), wobei eine Aktion jedes Gelenks (3, 4, 5) des Objekts (1) derart gesteuert wird, daß seine Bewegung auf dem Bildschirm (17) dargestellt wird, mit

einer Speichereinrichtung (10) zur Speicherung von Parametern eines Satzes periodischer Funktionen θm(t), wobei jeder Satz eine Näherung eines Biegewinkels eines entsprechenden Gelenks darstellt;

einer Einrichtung (10, 11; 20, 21) zur Einstellung und/ oder Veränderung der Werte der Parameter mindestens eines der Sätze periodischer Funktionen θm(t), wobei jeder Parameter eine Grundfunktionskomponente (Dm, Amn), die eine Grundaktion, beispielsweise Gehen, qualifiziert, und eine Qualifikationskomponente (dm, amn) umfaßt, die ein Merkmal der Grundaktion, beispielsweise freudiges Gehen, qualifiziert; und

einer Einrichtung (14, 17) zur Berechnung eines Werts des Biegewinkels jedes der Gelenke auf der Grundlage der periodischen Funktionen, zum Erhalten von Daten einer Kontour des bewegten Objekts und zum Anzeigen der Kontourdaten auf dem Bildschirm (17).

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Bewegung eines Objekts mit mehreren Gelenken eine Gehbewegung umfaßt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Grundfunktionskomponenten zumindest eine Gleichstromkomponente Dm und eine Amplitude Amn, der periodischen Funktion des Biegewinkels der Gelenke und eine Phasendifferenz ψmn der Gelenke umfassen.

4. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die periodischen Funktionen θm(t) des Biegewinkels jedes Gelenks von einem Abstand zwischen den Gelenken unabhängige Funktionen sind.

5. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die Qualifikationskomponenten zumindest eine Gleichstromkomponente dm, eine Amplitudenkomponente amn und eine Phasenkomponente ψmn einschließen.

6. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die periodischen Funktionen θm(t) des Biegewinkels jedes der Gelenke wie folgt dargestellt werden:

θm(t) = (Dm + dm) + [(Amn + αmn) · sin{n · t + (ψmn + ψmn) - φmn·n}],

wobei

Dm : Gleichstromkomponente,

Amn : Amplitude jeder Frequenzkomponente,

ψmn : Phase,

m : Nummer des Gelenks,

n : höhere Harmonien n-ter Ordnung,

fm : Phasendifferenz von Harmonien erster Ordnung zwischen einem Bezugsgelenk und einem m-ten Gelenk (für das Bezugsgelenk gilt φm = 0),

dm : Gleichstromkomponente der Qualifikationskomponente,

amn : Qualifikationskomponente jeder Frequenzkomponente,

ψmn : Phasenkomponente einer Qualifikationskomponente.

7. Verfahren zur Darstellung der Bewegung eines Objekts (1) mit mehreren Gelenken (3, 4, 5) auf einem Bildschirm (17), wobei eine Aktion jedes Gelenks (3, 4, 5) des Objekts (1) derart gesteuert wird, daß seine Bewegung auf dem Bildschirm (17) dargestellt wird, mit den Schritten Speicherung von Parametern eines Satzes periodischer Funktionen θm(t) für jedes Gelenk, wobei jeder Satz eine Näherung eines Biegewinkels eines entsprechenden Gelenks darstellt;

Einstellung und/oder Veränderung der Werte der Parameter mindestens eines der Sätze periodischer Funktionen θm(t), wobei jeder Parameter mindestens eine Grundfunktionskomponente (Dm, Amn), die eine Grundaktion, beispielsweise Gehen, qualifiziert, und eine Qualifikationskomponente (dm, amn) umfaßt, die ein Merkmal der Grundaktion, beispielsweise freudiges Gehen, qualifiziert; und

Berechnung eines Werts des Biegewinkels jedes der Gelenke auf der Grundlage der periodischen Funktionen, Erhalten von Daten einer Kontour des bewegten Objekts und Darstellen der Kontourdaten auf dem Bildschirm (17).

8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die Bewegung eines Objekts mit mehreren Gelenken eine Gehbewegung einschließt.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, bei dem die Grundfunktionskomponenten zumindest eine Gleichstromkomponente Dm und eine Amplitude Amn der periodischen Funktion des Biegewinkels der Gelenke und eine Phasendifferenz ψmn der Gelenke umfassen.

10. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 7 bis 9, bei dem die periodischen Funktionen θm(t) des Biegewinkels jedes Gelenks von einem Abstand zwischen den Gelenken unabhängige Funktionen sind.

11. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 7 bis 10, bei dem die Qualifikationskomponenten zumindest eine Gleichstromkomponente dm, eine Amplitudenkomponente amn und eine Phasenkomponente ψmn einschließen.

12. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 7 bis 11, bei dem die periodischen Funktionen θm(t) des Biegewinkels jedes der Gelenke wie folgt ausgedrückt werden:

θm(t)(Dm + dm) + [(Amn + amn) · sin{n · t + (ψmn + ψmn) - φmn·n}],