JP3109738B2

JP3109738B2 - コンピュータグラフィック表示方法およびその装置

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Publication number: JP3109738B2
Application number: JP02182632A
Authority: JP
Inventors: 宗利鵜沼; 良三武内
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1990-07-12
Filing date: 1990-07-12
Publication date: 2000-11-20
Anticipated expiration: 2015-11-20
Also published as: JPH0471078A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明はコンピュータグラフィックにて人間や動物等
の多関節物体を動かすコンピュータグラフィック表示方
法に係り、特に、多関節物体の大きさを変えるときの動
作の設定変更が容易で且つ豊富な動作表現を可能にする
に好適なコンピュータグラフィック表示方法及びコンピ
ュータグラフィック装置に関する。

［従来の技術］人間の歩行動作，駆け足動作や馬，尺取り虫の動き等
をコンピュータグラフィックにて表現する場合、一般的
にキーフレーム法が用いられる。このキーフレーム法
は、動作対象とする人間や馬等の多関節物体の或る時刻
での形状と、次の時刻での形状とを決め、その間の時刻
での形状を補間法にて決定し、各形状を時系列的に順次
表示することで、全体的にその多関節物体が動いている
ように表現するものである。このキーフレーム法は、動
作対象の動きを決める時系列的な各形状を決定するのに
時間がかかり、処理時間が膨大となりオペレータに負担
を強いるという問題がある。

そこで従来は、電子通信学会論文誌'80/1,Vol.J63−D
No.1の87頁「アニメーションプリミティブの合成による
３角関数近似式動画像」に記載されているように、人間
の動きを16mmフィルムで撮影して代表的な関節部分の動
きを計測し、各関節部分の水平方向，垂直方向の位置X,
Yが時間Ｔの関数として基準位置から何cmのところにあ
るかにより、各関節部分の運動軌跡を求めている。そし
て、その運動軌跡を直線と３角関数曲線にて近似し、コ
ンピュータは、この近似曲線から時系列上の各形状デー
タを算出しこれを順次表示するようにしている。

［発明が解決しようとする課題］上述した従来技術は、撮影して求めた各関節の動き
を、各時点での基準位置からのＸ位置,Y位置の変化とし
て近似曲線を求めている。このため、この近似曲線を用
いて動作を表現する場合は良いが、動作対象の寸法が変
わる場合や、各関節間の寸法の比率を変えて動作させる
場合に適用できず、その大きさ，寸法比率のものについ
て再度撮影から繰り返さなければならず、自由度が小さ
いという問題がある。つまり、この従来技術は、撮影し
た実物のアナロジーとしてしかコンピュータグラフィッ
ク上で多関節物体を動かすことができない。このこと
は、コンピュータグラフィック上で、豊富な動作をさせ
ることができないことを意味する。つまり、例えば撮影
した標準的な歩行動作をコンピュータグラフィック上で
表現できるだけで、この標準的な動作に変更を加えて例
えば「荒々しい歩行動作」や「楽しそうな歩行動作」を
表現できない。このため従来は、斯かる動作を表現した
い場合には、実際に「荒々しい歩行動作」等を人間に行
わせこれを撮影してその動作を解析しなければならな
い。換言すれば、豊富な動作表現を実際に撮影すること
ができない動物や昆虫，想像上の物体は、コンピュータ
グラフィックにて様々な動作形態で動かすことが困難で
あることを示す。

本発明の第１の目的は、動作対象の大きさや各部の寸
法比率の変更が生じた場合でも容易にコンピュータグラ
フィックにおいて動作を変更させることが可能なコンピ
ュータグラフィック表示方法及びコンピュータグラフィ
ック装置を提供することにある。

本発明の第２の目的は、コンピュータグラフィックに
おいて動作対象に対し様々な動作形態をとらせることが
容易なコンピュータグラフィック表示方法及びコンピュ
ータグラフィック装置を提供することにある。

［課題を解決するための手段］上記第１の目的は、多関節物体の各関節の動きを制御
することで多関節物体の動作を表示画面上で表現する場
合に、各関節の曲げ角度を関節間の長さとは独立の関数
で表し動作中の多関節物体の形状データをこの関数によ
り求め表示することで、達成される。

上記第２の目的は、好適には、多関節物体の各関節の
動きを制御することで多関節物体の動作を表示画面上で
表現する場合に、各関節の曲げ角度Θ_ｍ（ｔ）を関節間
の長さとは独立の蛎関数で表し、 D_m :直流成分 A_mn :各周波数成分の振幅 Ψ_mn:位相 m :関節番号 n :n次の高調波 Φ_m :基準関節の第１高調波と第ｍ関節との位相差（基
準関節ではΦ_ｍ＝０となる。）各関節における上記の関数Θ_ｍ（ｔ）の値から動作中
の多関節物体の形状データを求め表示することで、達成
される。

上記第２の目的は、多関節物体の各関節の動きを制御
することで多関節物体の動作を表示画面上で表現する場
合に、各関節の曲げ角度を関節間の長さとは独立の関数
で表すと共に、各関数の成分を変更し表示することで、
達成される。

上記第２の目的は、好適には、上記第（１）式におい
て、D_m,A_mn,Ψ_mnの少なくとも１つのパラメータの値を
変更することで、達成される。

［作用］多関節物体の各関節の曲げ角度を関数で表す場合、関
節間の長さとは独立に表すことができる。従って、表示
する多関節物体の形状を関節の曲げ角度を用いて算出す
る場合、モデルの大きさに依存せずに、つまり関数を作
り直さずに算出することができる。このため、モデルの
大きさに変更が生じた場合でも、既に設定してある関数
を用いて計算することが可能となる。また、この関数の
パラメータを変更して各関節での曲げ角度の変化速さ等
を変更することで、動作表現の変更が可能となる。

［実施例］以下、本発明の一実施例を図面を参照して説明する。

第１図は、本発明の第１実施例に係るコンピュータグ
ラフィック装置の構成図である。このコンピュータグラ
フィック装置は、第２図に示す様に、多関節物体の一例
である人間が動作する画像１をCRT等の表示画面に表示
するものである。この例において、人間１を、第３図に
示す様に、多関節の線画として表現し、この線画の各関
節（この第３図の例では、２が股の関節、３が膝の関
節、４が肘の関節、５が肩の関節を示す。）の曲げ角度
を制御して各種の形状をとらせ、この線画に人間として
の肉付けをすることで、第２図の様に人間の動作画像を
表示する。

第１図に示すコンピュータグラフィック装置は、各関
節の曲げ角度を表す周期関数を基本動作毎に格納した基
本動作関数記憶装置10と、該記憶装置10内の種々の関数
のうちから所望の関数を選択する基本動作選択装置11
と、該装置11にて選択され記憶装置10から読み出された
関数を読み込み該関数にて時系列に該当関節の曲げ角度
を算出する関節角演算装置12と、該演算装置12における
前記時系列に算出する速度つまり当該関節の動作速度を
制御する速度制御装置13と、各種の多関節物体の線画に
肉付けする形状を格納した多関節物体形状記憶装置15
と、多関節物体の形状を選択する形状選択装置16と、演
算装置12で算出された関節曲げ角度だけで表現されてい
る多関節物体の動作を記憶装置15から読み出した形状で
肉付けし二次元に表示する画像情報を生成するレンダリ
ング装置14と、該画像情報を表示する表示装置17とを備
えて成る。

基本動作関数記憶装置10には、「歩行動作」，「駆け
足動作」，「座る動作」等の基本動作毎に各関節の動き
を関数化した関数が格納されている。そして、オペレー
タは、第２図に示す様に、表示画面に表示されている基
本動作指定アイコン30をピックすることで基本動作を選
択する。以下、人間の「歩行動作」についての関数を例
に説明する。

第４図は、歩く人間を真横（Ｘ軸方向）から見たとき
の主要関節の曲げ角度の実測値の時間変化を示す曲線で
ある。2aが腰関節の変化曲線であり、3aが膝関節の変化
曲線であり、4aが肘関節の変化曲線であり、5aが肩関節
の変化曲線である。この実測値は、２周期（２歩）につ
いてとったものであるが、各関節間の動きに相関関係が
あることが判る。第５図は、第４図に示す膝関節実測値
3aをフーリエ解析した結果である。主要スペクトルは高
々数次である。よって、関節の曲げ角度の時間変化Θ_ｍ
（ｔ）は、非常に低い次数の次の関数で表すことができ
る。

ここで、D_m:直流成分 A_mn :各周波数成分の振幅 Ψ_mn :位相 m :関節番号 n :n次の高調波 Φ_m :基準関節の第１高調波と第ｍ関節との位
相差（基準関節ではΦ_ｍ＝０となる。）尚、各関節の動きの間の調和は、各関節間の位相差Φ
_ｍで表現され、この位相差は保存される。

第１図の関節角演算装置12は、この関数（１）を用い
て膝関節の動きを変数ｔの値を変えながら演算し、各ｔ
での膝関節の位置を順次表示することで、動いてる膝が
表示される。尚、動作速度であるが、第２図に示す動作
指定アイコン33にてそのアイコン中の縦バー40の表示を
マウスカーソル等で左右に移動させることで第１図の速
度制御装置13が作動する。関数角演算装置12は、第
（１）式を用いて、時系列的に、Θ_ｍ（t₁），Θ
_ｍ（t₂），Θ_ｍ（t₃）…を演算するが、オペレータが動
作速度を速く指定したとき、t₂−t₁＝t₃−t₂＝…＝Δｔ
の値を大きくして演算する。

上記の第（１）式で表される関数は、長さを示すパラ
メータを持たないので、モデルの大きさや寸法比率等が
変化しても、関数を変更する必要は無い。このため、表
示対象のモデルの大きさを変更する場合でも、オペレー
タへの負担は軽くまた、変更後のモデルの動作表示も迅
速にできるようになる。つまり、本実施例では、基本動
作の種別，動作速度，多関節物体の形状を選択するだけ
で、非常に少ない情報量，操作量で多関節物体の動作を
表現できる。

第６図は、本発明の第２実施例に係るコンピュータグ
ラフィック装置の構成図である。第１図に示す第１実施
例に比べ、副詞成分記憶装置20と副詞成分選択装置21が
新たに設けられており、関節角演算装置12は、選択され
た基本動作関数と選択された副詞成分とを用いて演算を
行うようになっている。ここでいう副詞成分と、日本語
文法上の「副詞」に該当し、動作を修飾するものであ
る。つまり、「うれしそうに」とか「悲しそうに」とか
「楽しく」等である。本実施例では、この副詞を関数化
し、どのような副詞を選択するかをオペレータに指定さ
せる。第２図に示す様に、本実施例では、画面上の副詞
選択アイコン31をピックすることで選択するようにす
る。例えばアイコン31にマウスカーソル等を合わせ、左
ボタンをピックする毎に、「愉快に」，「楽しく」，
「酔ったように」，「おっとりと」，…と順次表示さ
れ、該当する副詞が現われたとき右ボタンをピックして
選択する。基本動作として「歩行動作」を選択し、副詞
として「楽しく」を選択した場合、表示されている人間
画像１は、「楽しく歩く」動作を行う。以下、副詞の制
御について説明する。

第７図（ａ）は「標準的に歩く」ときの膝関節曲げ角
度実測値の時間変化を示すグラフであり、第７図（ｂ）
は「楽しく歩く」ときの膝関節曲げ角度実測値の時間変
化を示すグラフである。この第７図（ｂ）に示す「楽し
く歩く」グラフのスペクトル解析の結果が第８図であ
り、「標準的に歩く」ときのスペクトル解析の結果が前
記第５図である。この両スペクトル解析の差が「楽し
く」の成分ということになり、これを第９図に示す。
尚、第５図，第８図，第９図にはパワースペクトルのみ
表示してあり、また夫々の位相も異なる。この第９図に
よれば、「楽しく」主要スペクトルも高々数次というこ
とになる。この「楽しく」の副詞まで勘案した膝曲げ角
度を示す関数Θ_ｍ（ｔ）は次式（２）のようになる。

ここで、d_m:「楽しく」の直流成分 a_mn :各周波数成分の「楽しく」の成分 φ_mn:「楽しく」の位相成分オペレータが副詞として「楽しく」を選択装置21（第
６図）にて選択した場合には、副詞成分記憶装置20から
d_m,a_mn,φ_mnの値が読み出され、この値が前記第（１）
と合成され第（２）式となって演算装置12にて計算され
る。これにより、「楽しく歩行」する人間の画像が画面
上に表示される。

本実施例では、第１実施例の操作に副詞選択操作を加
えるだけで、副詞で修飾される動作を多関節物体に行わ
せることが可能となる。

第10図は、本発明の第３実施例に係るコンピュータグ
ラフィック装置の構成図である。本実施例では、第６図
の第２実施例の構成に比べて、副詞制御装置22と副詞重
み指示指示装置23を付加してある。本実施例では、関節
角演算装置12が演算する関数式として、次の第（３）式
を用いる。

この式において、α_ｍは副詞の重みであり、β_ｍは振
幅の重みである。副詞の重みα_ｍは、これを変化させる
ことで、「標準的に歩く」〜「楽しく歩く」〜「非常に
楽しく歩く」までを指定できるようにする。或いは、
「楽しく」の反対の副詞「悲しそうに」の「非常に悲し
そうに」〜「標準的に」〜「非常に楽しく」までを指定
するようにしてもよい。副詞重み指示装置23によるこの
指定は、第２図の副詞の強さを指定するアイコン34の縦
バー40の表示を左右に移動させることで行う。振幅の重
みβ_ｍは歩幅に相当し、第２図のアイコン32の縦バー40
の表示を右にするほど大きな値をとるようにする。つま
り、大きな歩幅で歩くようにする。

本実施例によれば、第２実施例の操作に重み指定操作
を付加するのみで、副詞の程度や歩幅を変化させること
が可能となり、また、その変化を連続的に行わせること
が可能となる。

第11図は、本発明の第４実施例に係るコンピュータグ
ラフィック装置の構成図である。第３実施例では、副詞
として一種類のみを指定できる構成としたが、本実施例
では複数の副詞を指定できる副詞制御装置24と副詞重み
指示装置25を用いている。この実施例によれば、例えば
「楽しく」「ゆっくり」とした「歩行動作」を行わせる
ことができる。この場合の関数式は、次式（４）で表さ
れる。尚、この第（４）式では、各パラメータの重みを
変化できるようにしてある。

このように副詞を複数指定できる構成とすることで、
より豊富な動作表現が可能となる。

上述した様に、本実施例によれば、関数式のパラメー
タを連続的に変化させることができ、更に変化させたパ
ラメータによって対話形式で且つリアルタイムに人間の
動作表現を変えることが可能である。

尚、上述した実施例は、コンピュータグラフィックで
の動作表示であるが、関数角演算装置の演算結果を動作
指令として実物の多関節ロボットの動作制御信号とする
と、ロボットの大きさに依存しないロボット制御装置を
作ることができ、また、ロボットに副詞で表現される豊
富な動作をさせることが可能となる。

［発明の効果］本発明によれば、モデルやロボットの大きさに依存し
ない関数式を用いて動作途中の形状を算出するので、様
々な大きさのモデルやロボットをリアルタイムに動かす
ことが可能となる。また、副詞で修飾される動作を行わ
せ且つその副詞で表現される程度を変更できるので、豊
富な動作を表現することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図，第６図，第10図，第11図は夫々本発明の第1,第
2,第3,第４実施例に係るコンピュータグラフィック装置
の構成図、第２図はコンピュータグラフィック装置の表
示画面構成図、第３図は人間を線画として示した図、第
４図は人間の主要関節の曲げ角度変化の実測値を示すグ
ラフ、第５図は第４図の曲線3aのスペクトル図、第７図
（ａ）は第４図の曲線3aと同じで標準的な歩行動作にお
ける膝関節の曲げ角度変化を示すグラフ、第７図（ｂ）
は「楽しく歩く」ときの膝関節の曲げ角度変化を示すグ
ラフ、第８図は第７図（ｂ）のスペクトル図、第９図は
第５図と第８図のスペクトル差を示すスペクトル図であ
る。 10……基本動作関数記憶装置、11……基本動作選択装
置、12……関節角演算装置、13……速度制御装置、14…
…レンダリング装置、17……表示装置、20……副詞成分
記憶装置、21……副詞成分選択装置、22,24……副詞制
御装置、23,25……副詞重み指示装置。

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G06T 1/00 - 17/50 G06F 17/50 G05B 19/18 - 19/46 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】多関節物体の動作を表示画面上に表現する
コンピュータグラフィックの表示方法において、位相及
び振幅を変数とする関節の曲げ角度を表す関数の解から
多関節物体の形状を求め、その形状を表示画面上に表示
することを特徴とするコンピュータグラフィック表示方
法。
【請求項２】請求項１において、前記関数は、時間を変
数に含むことを特徴とするコンピュータグラフィック表
示方法。
【請求項３】請求項１において、前記振幅の重みを変更
することを特徴とするコンピュータグラフィック表示方
法。
【請求項４】多関節物体の動作を表示画面上に表現する
コンピュータグラフィックの表示方法において、記憶装
置に記憶されている関節の曲げ角度を表す周期関数の変
数に値を入力し、求めた曲げ角度の関節を含む多関節物
体の画像を表示画面上に表示することを特徴とするコン
ピュータグラフィック表示方法。
【請求項５】請求項１乃至請求項４の少なくとも１項に
おいて、前記変数の変更幅と、動作を修飾する副詞とを
対応付けておき、前記副詞を特定する入力を受けた場合
に、前記変更幅内の値を前記変数に入力することを特徴
とするコンピュータグラフィック表示方法。
【請求項６】請求項１乃至請求項４の少なくとも１項に
おいて、前記パラメータに対して入力される値は、前記
動作に応じた値であることを特徴とするコンピュータグ
ラフィック表示方法。
【請求項７】請求項６において、前記動作は、歩行、駆
け足、座るのいずれかであることを特徴とするコンピュ
ータグラフィック表示方法。
【請求項８】請求項１乃至請求項７の少なくとも１項に
おいて、前記曲げ角度を求めた関節は、脚の関節である
ことを特徴とするコンピュータグラフィック表示方法。
【請求項９】請求項１乃至請求項８の少なくとも１項に
おいて、前記多関節物体の形状は、前記関節に肉付けを
行った形状であることを特徴とするコンピュータグラフ
ィック表示方法。
【請求項１０】複数の脚を有する多関節物体の各関節の
動き制御することで多関節物体の歩行動作動を表示画面
上に表示するコンピュータグラフィックの表示法におい
て、歩行動作を表現する多関節物体の各関節の曲げ角度
の周期関数を少なくとも一つ記憶装置に記憶しておき、
前記表示画面上に表示されるべき歩行動作の種類の情報
に基づいて前記周期関数のパラメータを変更し、歩行動
作中の多関節物体の形状データを変更された前記周期関
数から求め表示装置に表示することを特徴とするコンピ
ュータグラフィック表示方法。
【請求項１１】請求項10において、歩行動作中の多関節
物体の形状データを表示画面上に表示している最中に、
前記歩行動作の種類の情報の入力を受け付け、歩行動作
の種類の種類の入力に基づいて前記周期関数のパラメー
タを変更し、表示装置に表示する多関節物体の歩行動作
を変化させることを特徴とするコンピュータグラフィッ
ク表示方法。
【請求項１２】多関節物体の動作を表示画面上に表現す
るコンピュータグラフィックの表示装置において、位相
及び振幅を変数とする関節の曲げ角度を表す関数の解か
ら多関節物体の形状を求める手段と、前記多関節物体の
形状を表示画面上に表示する手段とを備えることを特徴
とするコンピュータグラフィック表示装置。
【請求項１３】請求項12において、前記関数は、時間を
変数に含むことを特徴とするコンピュータグラフィック
表示装置。
【請求項１４】請求項12において、前記振幅の重みを変
更することを特徴とするコンピュータグラフィック表示
装置。
【請求項１５】多関節物体の動作を表示画面上に表現す
るコンピュータグラフィックの表示装置において、記憶
装置に記憶されている関節の曲げ角度を表す周期関数の
変数に値を入力する手段と、求めた曲げ角度の関節を含
む多関節物体の画像を表示画面上に表示する手段とを備
えることを特徴とするコンピュータグラフィック表示装
置。
【請求項１６】請求項12乃至請求項15の少なくとも１項
において、前記変数の変更幅と、動作を修飾する副詞と
を対応付けておき、前記副詞を特定する入力を受けた場
合に、前記変更幅内の値を前記変数に入力することを特
徴とするコンピュータグラフィック表示装置。
【請求項１７】請求項12乃至請求項15の少なくとも１項
において、前記パラメータに対して入力される値は、前
記動作に応じた値であることを特徴とするコンピュータ
グラフィック表示装置。
【請求項１８】請求項17において、前記動作は、歩行、
駆け足、座るのいずれかであることを特徴とするコンピ
ュータグラフィック表示装置。
【請求項１９】請求項12乃至請求項18の少なくとも１項
において、前記曲げ角度を求めた関節は、脚の関節であ
ることを特徴とするコンピュータグラフィック表示装
置。
【請求項２０】請求項12乃至請求項19の少なくとも１項
において、前記多関節物体の形状は、前記関節に肉付け
を行った形状であることを特徴とするコンピュータグラ
フィック表示装置。
【請求項２１】複数の脚を有する多関節物体の各関節の
動き制御することで多関節物体の歩行動作動を表示画面
上に表示するコンピュータグラフィックの表示装置にお
いて、歩行動作を表現する多関節物体の各関節の曲げ角
度の周期関数を記憶する記憶装置と、前記表示画面上に
表示されるべき歩行動作の種類の情報に基づいて前記周
期関数のパラメータを変更する手段と、歩行動作中の多
関節物体の形状データを変更された前記周期関数から求
めて表示する手段とを備えることを特徴とするコンピュ
ータグラフィック表示装置。
【請求項２２】請求項21において、歩行動作中の多関節
物体の形状データを表示画面上に表示している最中に、
前記歩行動作の種類の情報の入力を受け付け、歩行動作
の種類の種類の入力に基づいて前記周期関数のパラメー
タを変更し、表示装置に表示する多関節物体の歩行動作
を変化させることを特徴とするコンピュータグラフィッ
ク表示装置。