JP3380158B2 - スケルトンモデルのデータ表現方法 - Google Patents
スケルトンモデルのデータ表現方法Info
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- JP3380158B2 JP3380158B2 JP09829198A JP9829198A JP3380158B2 JP 3380158 B2 JP3380158 B2 JP 3380158B2 JP 09829198 A JP09829198 A JP 09829198A JP 9829198 A JP9829198 A JP 9829198A JP 3380158 B2 JP3380158 B2 JP 3380158B2
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、コンピュータグラ
フィックスで人や動物などのキャラクタを扱う際に用い
る多関節構造のスケルトンモデルのデータ表現方法に関
する。
フィックスで人や動物などのキャラクタを扱う際に用い
る多関節構造のスケルトンモデルのデータ表現方法に関
する。
【０００２】
【従来の技術】従来より、コンピュータグラフィックス
で人や動物などのキャラクタを扱う際には多関節構造の
スケルトンモデルを用いることがあった。スケルトンモ
デルでは、キャラクタを、幾つかの骨とそれらの骨を連
結する関節点とで表す。キャラクタの１つのポーズは、
そのスケルトンモデル中で、まずルート（根）となる関
節点を１個設定し、このルートから順に隣り合う骨の間
の関節角度値を決定していき、それらの角度データで１
つのスケルトン形状（ポーズ）を表す。また、上述した
ポーズのデータを所定時間ごと（例えば、１／６０秒ご
と）に定義することにより、キャラクタの一連のモーシ
ョン（アニメーション）を定義する。このようなキャラ
クタの形状のモデリングおよびアニメーションの表示技
術に関しては、例えば「人体の形状モデリングとアニメ
ーション」、福井一夫著、情報処理学会「人物のモデリ
ングと表示技術」セミナー資料、平成３年９月などに記
載されている。
で人や動物などのキャラクタを扱う際には多関節構造の
スケルトンモデルを用いることがあった。スケルトンモ
デルでは、キャラクタを、幾つかの骨とそれらの骨を連
結する関節点とで表す。キャラクタの１つのポーズは、
そのスケルトンモデル中で、まずルート（根）となる関
節点を１個設定し、このルートから順に隣り合う骨の間
の関節角度値を決定していき、それらの角度データで１
つのスケルトン形状（ポーズ）を表す。また、上述した
ポーズのデータを所定時間ごと（例えば、１／６０秒ご
と）に定義することにより、キャラクタの一連のモーシ
ョン（アニメーション）を定義する。このようなキャラ
クタの形状のモデリングおよびアニメーションの表示技
術に関しては、例えば「人体の形状モデリングとアニメ
ーション」、福井一夫著、情報処理学会「人物のモデリ
ングと表示技術」セミナー資料、平成３年９月などに記
載されている。
【０００３】図６は、人体の骨格構造を示すスケルトン
モデルの例である。白丸の点が関節位置を示し、関節か
ら伸びた線分が骨を示す。例えば、６０１は首横の関
節、６１１は左鎖骨、６０２は左肩の関節、６１２は左
腕の上腕の骨、６０３は左肘の関節、６１３は左腕の下
腕の骨、６０４は左手首の関節に、それぞれ相当する。
これらは人体の首から左手の手の先までの左手部に相当
する部分であるが、この左手部の形状は、関節６０１を
基準としてそこから先を考えるとすると、関節６０１の
関節角度値により左鎖骨６１１の位置が決定され、左鎖
骨６１１の端の左肩関節６０２の関節角度値により上腕
６１２の位置が決定され、上腕６１２の端の左肘関節６
０３の関節角度値により下腕６１３の位置が決定され、
…というようにして、各関節点の角度データを決定して
いくことにより全体の形状を表すことができる。なお、
関節角度値は、例えばx，y，ｚの各軸回りの回転角で表
現する。
モデルの例である。白丸の点が関節位置を示し、関節か
ら伸びた線分が骨を示す。例えば、６０１は首横の関
節、６１１は左鎖骨、６０２は左肩の関節、６１２は左
腕の上腕の骨、６０３は左肘の関節、６１３は左腕の下
腕の骨、６０４は左手首の関節に、それぞれ相当する。
これらは人体の首から左手の手の先までの左手部に相当
する部分であるが、この左手部の形状は、関節６０１を
基準としてそこから先を考えるとすると、関節６０１の
関節角度値により左鎖骨６１１の位置が決定され、左鎖
骨６１１の端の左肩関節６０２の関節角度値により上腕
６１２の位置が決定され、上腕６１２の端の左肘関節６
０３の関節角度値により下腕６１３の位置が決定され、
…というようにして、各関節点の角度データを決定して
いくことにより全体の形状を表すことができる。なお、
関節角度値は、例えばx，y，ｚの各軸回りの回転角で表
現する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】ところが、上述した手
法で各関節の角度値データからスケルトン形状を再現す
る場合、ルートから順に角度値データを使って形状を構
成するため、骨格の先端に行くほど誤差が集積すること
になる。また、ルート位置からより遠く離れた先端部の
ほうが、位置の誤差がより大きくなる。この誤差がある
ため、ゲーム中で表示したキャラクタのポーズやモーシ
ョンが損なわれることがある。特に先端部の誤差が大き
くなるため、キャラクタの手の先端や足の先端がふるえ
るような挙動を示すことがある。さらに、データが圧縮
・伸張の過程を経たものである場合、圧縮の程度が大き
くなるほど伸張後のデータの誤差も大きくなるため、上
述した問題の影響が大きく出るという不都合があった。
法で各関節の角度値データからスケルトン形状を再現す
る場合、ルートから順に角度値データを使って形状を構
成するため、骨格の先端に行くほど誤差が集積すること
になる。また、ルート位置からより遠く離れた先端部の
ほうが、位置の誤差がより大きくなる。この誤差がある
ため、ゲーム中で表示したキャラクタのポーズやモーシ
ョンが損なわれることがある。特に先端部の誤差が大き
くなるため、キャラクタの手の先端や足の先端がふるえ
るような挙動を示すことがある。さらに、データが圧縮
・伸張の過程を経たものである場合、圧縮の程度が大き
くなるほど伸張後のデータの誤差も大きくなるため、上
述した問題の影響が大きく出るという不都合があった。
【０００５】本発明は、上述の従来形における問題点に
鑑み、多関節構造のスケルトンモデルの形状を数値デー
タで表現する際に、各関節における角度値データの誤差
が集積して、特に先端部などで誤差の影響が大きく出る
ことを防止し、データを圧縮・伸張する場合でも誤差の
影響を極力抑えたスケルトンモデルのデータ表現方法を
提供することを目的とする。
鑑み、多関節構造のスケルトンモデルの形状を数値デー
タで表現する際に、各関節における角度値データの誤差
が集積して、特に先端部などで誤差の影響が大きく出る
ことを防止し、データを圧縮・伸張する場合でも誤差の
影響を極力抑えたスケルトンモデルのデータ表現方法を
提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１に係る発明は、多関節構造のスケルトンモ
デルのデータ表現方法であって、前記スケルトンモデル
が備えている、ルートに近い第１の骨、先端に近い第２
の骨、および該第１の骨と第２の骨とを接続する関節に
対し、該第１の骨および第２の骨の位置を表すデータ
を、第２の骨の先端側端点の位置座標、および第１の骨
のルート側端点と第２の骨の先端側端点とを結ぶ軸の回
りの回転角である捻り角により表現することを特徴とす
る。
め、請求項１に係る発明は、多関節構造のスケルトンモ
デルのデータ表現方法であって、前記スケルトンモデル
が備えている、ルートに近い第１の骨、先端に近い第２
の骨、および該第１の骨と第２の骨とを接続する関節に
対し、該第１の骨および第２の骨の位置を表すデータ
を、第２の骨の先端側端点の位置座標、および第１の骨
のルート側端点と第２の骨の先端側端点とを結ぶ軸の回
りの回転角である捻り角により表現することを特徴とす
る。
【０００７】請求項２に係る発明は、請求項１におい
て、捻り角０状態の向きを定める際に、あらかじめ定め
られた基準座標系の座標軸ベクトルのうちの１つから、
第１の骨のルート側端点と第２の骨の先端側端点とを結
ぶベクトルへの単純回転マトリクスを求めるステップ
と、前記基準座標系に前記単純回転マトリクスをかけて
得られる座標系の向きを捻り角０状態の向きと定めるス
テップとを備えたことを特徴とする。
て、捻り角０状態の向きを定める際に、あらかじめ定め
られた基準座標系の座標軸ベクトルのうちの１つから、
第１の骨のルート側端点と第２の骨の先端側端点とを結
ぶベクトルへの単純回転マトリクスを求めるステップ
と、前記基準座標系に前記単純回転マトリクスをかけて
得られる座標系の向きを捻り角０状態の向きと定めるス
テップとを備えたことを特徴とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】以下、図面を用いて本発明の実施
の形態を説明する。
の形態を説明する。
【０００９】上述の従来技術およびその課題の欄で述べ
た問題点は、ルートから隣り合う関節点における角度値
で次々に位置を決定していくという手法を採ったために
発生する問題点である。そこで本発明では、先端部は３
次元座標でその位置を表現し、その先端部の一つ手前の
関節点の位置は「捻り角」のデータで位置を決定するよ
うにした。なお、「先端」とは必ずしもそれ以上骨が接
続されていない点のみを表すものではない。例えば以下
では、人体の腕の上腕部と下腕部とからなる骨格に本発
明を適用した例や、人体の足の腿と脛とからなる骨格に
本発明を適用した例を説明するが、下腕部や脛より先に
手首以降の手の部分や足首以降の足の部分が接続されて
いても、下腕部や脛の先端に近い方の端部（すなわち、
着目している骨格の中で、より先端に近い端部）を先端
あるいは先端部と呼ぶものとする。
た問題点は、ルートから隣り合う関節点における角度値
で次々に位置を決定していくという手法を採ったために
発生する問題点である。そこで本発明では、先端部は３
次元座標でその位置を表現し、その先端部の一つ手前の
関節点の位置は「捻り角」のデータで位置を決定するよ
うにした。なお、「先端」とは必ずしもそれ以上骨が接
続されていない点のみを表すものではない。例えば以下
では、人体の腕の上腕部と下腕部とからなる骨格に本発
明を適用した例や、人体の足の腿と脛とからなる骨格に
本発明を適用した例を説明するが、下腕部や脛より先に
手首以降の手の部分や足首以降の足の部分が接続されて
いても、下腕部や脛の先端に近い方の端部（すなわち、
着目している骨格の中で、より先端に近い端部）を先端
あるいは先端部と呼ぶものとする。
【００１０】以下、本発明のデータ表現手法について説
明する。
明する。
【００１１】まず、表現する対象である骨格構造につい
て説明する。ここでは、上腕と下腕、または腿と脛の、
各々２本の骨からなるスケルトンを対象とする。図１に
おいて、bone1とbone2は２本の骨を示す。bone1は根元
側（ルートに近い方）の骨を示し、例えば上腕または腿
に相当する。bone2は先端側の骨を示し、例えば下腕ま
たは脛に相当する。bone1の根元側の端点（ルート側端
点）をＰ０、bone1とbone2との間の関節点をＰ１、bone
2の先端（先端側端点）をＰ２とする。肘または膝に対
応する関節点Ｐ１の回転自由度は１である。したがっ
て、Ｐ０およびＰ２の位置が決まれば、残る形状の自由
度はＰ０とＰ２とを結ぶ軸回りの回転のみとなる。この
回転角を「捻り角」と呼ぶ。
て説明する。ここでは、上腕と下腕、または腿と脛の、
各々２本の骨からなるスケルトンを対象とする。図１に
おいて、bone1とbone2は２本の骨を示す。bone1は根元
側（ルートに近い方）の骨を示し、例えば上腕または腿
に相当する。bone2は先端側の骨を示し、例えば下腕ま
たは脛に相当する。bone1の根元側の端点（ルート側端
点）をＰ０、bone1とbone2との間の関節点をＰ１、bone
2の先端（先端側端点）をＰ２とする。肘または膝に対
応する関節点Ｐ１の回転自由度は１である。したがっ
て、Ｐ０およびＰ２の位置が決まれば、残る形状の自由
度はＰ０とＰ２とを結ぶ軸回りの回転のみとなる。この
回転角を「捻り角」と呼ぶ。
【００１２】キャラクタのポーズを決めるスケルトンの
形状はデザイナがＣＧツールを用いて作成するが、その
形状は各関節の角度値で表現されている。したがって、
図１の関節Ｐ０およびＰ１も初めは角度値で表現されて
いる。その関節Ｐ０およびＰ１の角度表現を、先端Ｐ２
の座標と捻り角による表現に変換する。変換後のデータ
を、ゲームのプログラムなどと共にＣＤ-ＲＯＭに保存
する。ここで用いるコンバータ、すなわち関節Ｐ０およ
びＰ１の角度表現を先端Ｐ２の座標と捻り角による表現
に変換するコンバータを「コンバータＡ」と呼ぶ。コン
バータＡについては後に詳述する。
形状はデザイナがＣＧツールを用いて作成するが、その
形状は各関節の角度値で表現されている。したがって、
図１の関節Ｐ０およびＰ１も初めは角度値で表現されて
いる。その関節Ｐ０およびＰ１の角度表現を、先端Ｐ２
の座標と捻り角による表現に変換する。変換後のデータ
を、ゲームのプログラムなどと共にＣＤ-ＲＯＭに保存
する。ここで用いるコンバータ、すなわち関節Ｐ０およ
びＰ１の角度表現を先端Ｐ２の座標と捻り角による表現
に変換するコンバータを「コンバータＡ」と呼ぶ。コン
バータＡについては後に詳述する。
【００１３】実際にゲームをプレイしている際に当該キ
ャラクタのポーズを描画したりモーションを再現する場
合は、ＣＤ-ＲＯＭに保存されている先端座標と捻り角
のデータを読み出し（あるいはＣＤ−ＲＯＭからＲＡＭ
上に一旦ロードしたデータを用いてもよいし、汎用パソ
コンにインストールするタイプのゲームであればインス
トールしたハードディスク上のファイルから読み出して
もよい）、その先端座標および捻り角表現のデータを各
骨の回転マトリクスに変換し、実際に描画する。ここで
用いるコンバータを「コンバータＢ」と呼ぶ。コンバー
タＢについては後に詳述する。
ャラクタのポーズを描画したりモーションを再現する場
合は、ＣＤ-ＲＯＭに保存されている先端座標と捻り角
のデータを読み出し（あるいはＣＤ−ＲＯＭからＲＡＭ
上に一旦ロードしたデータを用いてもよいし、汎用パソ
コンにインストールするタイプのゲームであればインス
トールしたハードディスク上のファイルから読み出して
もよい）、その先端座標および捻り角表現のデータを各
骨の回転マトリクスに変換し、実際に描画する。ここで
用いるコンバータを「コンバータＢ」と呼ぶ。コンバー
タＢについては後に詳述する。
【００１４】なお、ルートから関節Ｐ０の位置を決定す
るまでのデータ表現は、従来と同様に各関節における角
度値で表している。また、先端Ｐ２の座標と捻り角によ
りbone1とbone2の位置が決定されるが、その先端Ｐ２以
降にさらに骨が接続されているときには、その先端Ｐ２
以降の骨の位置は従来と同様に各関節における角度値で
表すものとする。
るまでのデータ表現は、従来と同様に各関節における角
度値で表している。また、先端Ｐ２の座標と捻り角によ
りbone1とbone2の位置が決定されるが、その先端Ｐ２以
降にさらに骨が接続されているときには、その先端Ｐ２
以降の骨の位置は従来と同様に各関節における角度値で
表すものとする。
【００１５】次に、座標系と基本変数について説明す
る。一番の親となる座標系として、キャラクタの腹座標
系を用いる。腹座標系とは、キャラクタの腰骨と脊椎が
接続する位置を原点とする３次元直交座標系である。腹
座標系に対し、任意の回転マトリクスＭを掛けて得られ
る座標系を「座標系Ｍ」と呼ぶ。なお、腹座標系の代わ
りに他の座標系（ワールド座標系など）を用いた場合で
も、以下の議論は全く同様に成立する。
る。一番の親となる座標系として、キャラクタの腹座標
系を用いる。腹座標系とは、キャラクタの腰骨と脊椎が
接続する位置を原点とする３次元直交座標系である。腹
座標系に対し、任意の回転マトリクスＭを掛けて得られ
る座標系を「座標系Ｍ」と呼ぶ。なお、腹座標系の代わ
りに他の座標系（ワールド座標系など）を用いた場合で
も、以下の議論は全く同様に成立する。
【００１６】図２に示すように、bone1の親をbone0（鎖
骨または腰骨に相当する）とする。bone0の親側の関節
点をＰａとする。座標系は右手系とする。bone0〜bone2
それぞれのローカル座標系において、親側関節点から子
側関節点に向かう方向をｘ軸方向とする。関節Ｐ０の回
転はｘ，ｙ，ｚ軸回りの３軸回転とし、回転角をθ0x，
θ0y，θ0zとする。関節Ｐ１の回転はｚ軸回りの回転の
みとし、回転角をθ1zとする。回転方向は、左ねじ方向
を正とする。図２の場合はθ1z≦０となる。なお、マト
リクス要素の表記は、列ベクトルに対して左からマトリ
クスを掛ける方式による。
骨または腰骨に相当する）とする。bone0の親側の関節
点をＰａとする。座標系は右手系とする。bone0〜bone2
それぞれのローカル座標系において、親側関節点から子
側関節点に向かう方向をｘ軸方向とする。関節Ｐ０の回
転はｘ，ｙ，ｚ軸回りの３軸回転とし、回転角をθ0x，
θ0y，θ0zとする。関節Ｐ１の回転はｚ軸回りの回転の
みとし、回転角をθ1zとする。回転方向は、左ねじ方向
を正とする。図２の場合はθ1z≦０となる。なお、マト
リクス要素の表記は、列ベクトルに対して左からマトリ
クスを掛ける方式による。
【００１７】bone0の腹座標系に対する回転マトリクス
をＭ０とし、その要素を次の数１の（１）式のように３
つの列ベクトルの並びで表す。同様にして、bone1およ
びbone2の腹座標系に対する回転マトリクスをそれぞれ
Ｍ１，Ｍ２とし、次の数１の（２）および（３）式のよ
うに表す。
をＭ０とし、その要素を次の数１の（１）式のように３
つの列ベクトルの並びで表す。同様にして、bone1およ
びbone2の腹座標系に対する回転マトリクスをそれぞれ
Ｍ１，Ｍ２とし、次の数１の（２）および（３）式のよ
うに表す。
【００１８】
【数１】
【００１９】ｕ0x，ｕ0y，ｕ0zは、bone0のローカル座
標系のそれぞれｘ，ｙ，ｚ軸単位ベクトルを、腹座標系
で成分表示したものである。同様に、ｕ1x，ｕ1y，ｕ1z
はbone1のローカル座標系のｘ，ｙ，ｚ軸単位ベクトル
を腹座標系で成分表示したもの、ｕ2x，ｕ2y，ｕ2zはbo
ne2のローカル座標系のｘ，ｙ，ｚ軸単位ベクトルを腹
座標系で成分表示したものである。また、関節Ｐ１の回
転はｚ軸回りの回転のみなのでｕ1z＝ｕ2zである。
標系のそれぞれｘ，ｙ，ｚ軸単位ベクトルを、腹座標系
で成分表示したものである。同様に、ｕ1x，ｕ1y，ｕ1z
はbone1のローカル座標系のｘ，ｙ，ｚ軸単位ベクトル
を腹座標系で成分表示したもの、ｕ2x，ｕ2y，ｕ2zはbo
ne2のローカル座標系のｘ，ｙ，ｚ軸単位ベクトルを腹
座標系で成分表示したものである。また、関節Ｐ１の回
転はｚ軸回りの回転のみなのでｕ1z＝ｕ2zである。
【００２０】bone0，bone1，bone2の長さを、それぞれ
Ｌ０，Ｌ１，Ｌ２とする。また、関節点Ｐａ，Ｐ０，Ｐ
１，Ｐ２の腹座標系における座標を、それぞれＰａ,Ｐ
０,Ｐ１,Ｐ２とする。これらの変数の間には次の数２で
示す関係が得られる。
Ｌ０，Ｌ１，Ｌ２とする。また、関節点Ｐａ，Ｐ０，Ｐ
１，Ｐ２の腹座標系における座標を、それぞれＰａ,Ｐ
０,Ｐ１,Ｐ２とする。これらの変数の間には次の数２で
示す関係が得られる。
【００２１】
【数２】
【００２２】関節点Ｐ０からＰ２に向かうベクトルをＶ
１とする。Ｖ１は、次の数３で表される。
１とする。Ｖ１は、次の数３で表される。
【００２３】
【数３】
【００２４】捻り角表現を用いる際には、関節点Ｐ２が
位置することができるすべての点（特異点は除く）にお
いて捻り角が０の状態を定義しておく必要がある。捻り
角が０の状態を定義することは、ルートを中心とする球
面上に捻り角０の方向を示す矢印を定義することと同値
であるから、どのように定義しても、少なくとも１個以
上の特異点を生じることが不動点定理より導かれる。本
発明では、この特異点が１方向となるが、その特異点の
方向をキャラクタのモーション上もっとも起こりにくい
方向にする。そのために、まず図３に示すように、捻り
角０の基準となる座標系Ｍｔを用意し、その要素を次の
数４で表す。
位置することができるすべての点（特異点は除く）にお
いて捻り角が０の状態を定義しておく必要がある。捻り
角が０の状態を定義することは、ルートを中心とする球
面上に捻り角０の方向を示す矢印を定義することと同値
であるから、どのように定義しても、少なくとも１個以
上の特異点を生じることが不動点定理より導かれる。本
発明では、この特異点が１方向となるが、その特異点の
方向をキャラクタのモーション上もっとも起こりにくい
方向にする。そのために、まず図３に示すように、捻り
角０の基準となる座標系Ｍｔを用意し、その要素を次の
数４で表す。
【００２５】
【数４】
【００２６】次に、スケルトンの捻り状態を表すローカ
ル座標系として、ベクトルＶ１の方向をｘ軸とし、ｕ1z
（ｕ2z）の方向をｚ軸とする座標系Ｍ３を作り、その要
素を次の数５で表す。
ル座標系として、ベクトルＶ１の方向をｘ軸とし、ｕ1z
（ｕ2z）の方向をｚ軸とする座標系Ｍ３を作り、その要
素を次の数５で表す。
【００２７】
【数５】
【００２８】ベクトルｕtxからｕ3xへの単純回転マトリ
クスをＭｒとする。ただし、「単純回転」とは、始点を
共有する任意のベクトルａ，ｂに対する、次のような回
転を表す。 ａ，ｂのなす平面に垂直な軸の回りの回転。 回転により、ａはｂに重なる。
クスをＭｒとする。ただし、「単純回転」とは、始点を
共有する任意のベクトルａ，ｂに対する、次のような回
転を表す。 ａ，ｂのなす平面に垂直な軸の回りの回転。 回転により、ａはｂに重なる。
【００２９】ｕtx＝ｕ3xの場合は、Ｍｒは単位行列とす
る。また、ｕtx＝−ｕ3xの場合は、特異点となり、Ｍｒ
は定義不能とする。これ以外の場合については、Ｍｒは
次の数６で表される。
る。また、ｕtx＝−ｕ3xの場合は、特異点となり、Ｍｒ
は定義不能とする。これ以外の場合については、Ｍｒは
次の数６で表される。
【００３０】
【数６】
【００３１】ただし、（ｎx，ｎy，ｎz）は回転軸を表
す単位ベクトル、φは回転角で、次の数７により得られ
る。
す単位ベクトル、φは回転角で、次の数７により得られ
る。
【００３２】
【数７】
【００３３】座標系Ｍｔに対し、回転Ｍｒを施して得ら
れる座標系を、以下の数８に示すように、Ｍ４とする。
れる座標系を、以下の数８に示すように、Ｍ４とする。
【００３４】
【数８】
【００３５】座標系Ｍ４に対する、座標系Ｍ３のｘ軸回
転角を、スケルトンの捻り角ψとする。以上の捻り角表
現を用いれば、特異点は、ｕ3x＝−ｕtxとなる１方向の
みとなる。すなわち、関節点Ｐ２が、捻り角０の基準と
なる座標系Ｍｔのｘ軸の向きｕtxの逆向きにある場合が
捻り角が不定になる特異点の向きである。実用に際して
は、特異点の方向を関節Ｐ２が一番行きにくい方向に設
定すると効果的である。例えば、bone1が上腕で、bone2
が下腕の場合は、腕を真横に上げた方向の反対側に向か
う向きが一番行きにくい方向であるので、その方向に特
異点を設定する。また、bone1が腿で、bone2が脛の場合
は、平面上に自然に立っている状態の反対側に向かう向
き（足から頭に向かう方向）が一番行きにくい方向であ
るので、その方向に特異点を設定する。そのためには、
座標系Ｍｔをbone0に対する相対的な方向として定義す
る必要がある。
転角を、スケルトンの捻り角ψとする。以上の捻り角表
現を用いれば、特異点は、ｕ3x＝−ｕtxとなる１方向の
みとなる。すなわち、関節点Ｐ２が、捻り角０の基準と
なる座標系Ｍｔのｘ軸の向きｕtxの逆向きにある場合が
捻り角が不定になる特異点の向きである。実用に際して
は、特異点の方向を関節Ｐ２が一番行きにくい方向に設
定すると効果的である。例えば、bone1が上腕で、bone2
が下腕の場合は、腕を真横に上げた方向の反対側に向か
う向きが一番行きにくい方向であるので、その方向に特
異点を設定する。また、bone1が腿で、bone2が脛の場合
は、平面上に自然に立っている状態の反対側に向かう向
き（足から頭に向かう方向）が一番行きにくい方向であ
るので、その方向に特異点を設定する。そのためには、
座標系Ｍｔをbone0に対する相対的な方向として定義す
る必要がある。
【００３６】そこで、以下の数９に示すように、Ｍｔを
Ｍ０に回転マトリクスＭｓをかけたものとして定義す
る。
Ｍ０に回転マトリクスＭｓをかけたものとして定義す
る。
【００３７】
【数９】
【００３８】次に、関節Ｐ０およびＰ１の角度表現を先
端Ｐ２の座標と捻り角による表現に変換するコンバータ
Ａの処理の詳細を説明する。コンバータＡの入出力は、
次の数１０のとおりである。
端Ｐ２の座標と捻り角による表現に変換するコンバータ
Ａの処理の詳細を説明する。コンバータＡの入出力は、
次の数１０のとおりである。
【００３９】
【数１０】
【００４０】ＰａとＭ０は、あらかじめ与えられる（実
際のスケルトンモデルでは、ルートから各関節の角度値
によって次々と位置を決めていくことにより、その値が
求められる）。さらに関節Ｐ０の角度値θ0x，θ0y，θ
0zと、関節Ｐ１の角度値θ1zが入力として与えられる。
また、マトリクスＭｓは上述の数４〜数９で説明したよ
うに定める。Ｌ０，Ｌ１，Ｌ２は、bone0，bone1，bone
2の長さである。以上の入力データから、先端の関節Ｐ
２の位置座標と捻り角ψを求めるものである。
際のスケルトンモデルでは、ルートから各関節の角度値
によって次々と位置を決めていくことにより、その値が
求められる）。さらに関節Ｐ０の角度値θ0x，θ0y，θ
0zと、関節Ｐ１の角度値θ1zが入力として与えられる。
また、マトリクスＭｓは上述の数４〜数９で説明したよ
うに定める。Ｌ０，Ｌ１，Ｌ２は、bone0，bone1，bone
2の長さである。以上の入力データから、先端の関節Ｐ
２の位置座標と捻り角ψを求めるものである。
【００４１】コンバータＡは以下の手順で変換処理を行
なう。まず、bone0からbone1への回転マトリクスをＭ０
１、bone1からbone2への回転マトリクスをＭ１２とす
る。Ｍ０１とＭ１２は、以下の数１１のように角度値で
表せる。
なう。まず、bone0からbone1への回転マトリクスをＭ０
１、bone1からbone2への回転マトリクスをＭ１２とす
る。Ｍ０１とＭ１２は、以下の数１１のように角度値で
表せる。
【００４２】
【数１１】
【００４３】マトリクスＭ１，Ｍ２を次の数１２により
求める。
求める。
【００４４】
【数１２】
【００４５】関節点座標Ｐ０，Ｐ２およびベクトルＶ１
を、次の数１３により求める。
を、次の数１３により求める。
【００４６】
【数１３】
【００４７】座標系Ｍ３のｘ軸およびｙ軸の単位ベクト
ルは、次の数１４により得られる。
ルは、次の数１４により得られる。
【００４８】
【数１４】
【００４９】一方、マトリクスＭｔは、次の数１５によ
り得られる。
り得られる。
【００５０】
【数１５】
【００５１】ベクトルｕtxからｕ3xへの単純回転マトリ
クスＭｒを数６および数７の式（１１）〜（１５）によ
り求める。マトリクスＭｔに回転Ｍｒをかけて、数１６
のようにマトリクスＭ４を得る。
クスＭｒを数６および数７の式（１１）〜（１５）によ
り求める。マトリクスＭｔに回転Ｍｒをかけて、数１６
のようにマトリクスＭ４を得る。
【００５２】
【数１６】
【００５３】Ｍ３，Ｍ４から、次の数１７により捻り角
ψを求める。ψの符号は、ｕ3xに対して右ねじ方向を正
とする。
ψを求める。ψの符号は、ｕ3xに対して右ねじ方向を正
とする。
【００５４】
【数１７】
【００５５】以上により、関節Ｐ２の位置座標（腹座標
系におけるベクトル表現Ｐ２）および捻り角ψが得られ
る。
系におけるベクトル表現Ｐ２）および捻り角ψが得られ
る。
【００５６】次に、先端座標および捻り角表現のデータ
を各骨の回転マトリクスに変換するコンバータＢの処理
の詳細を説明する。コンバータＢの入出力は、次の数１
８のとおりである。
を各骨の回転マトリクスに変換するコンバータＢの処理
の詳細を説明する。コンバータＢの入出力は、次の数１
８のとおりである。
【００５７】
【数１８】
【００５８】コンバータＢは以下の手順で変換処理を行
なう。まず、関節点座標Ｐ０およびベクトルＶ１を次の
数１９により求める。
なう。まず、関節点座標Ｐ０およびベクトルＶ１を次の
数１９により求める。
【００５９】
【数１９】
【００６０】座標系Ｍ３のｘ軸単位ベクトルは、次の数
２０により得られる。
２０により得られる。
【００６１】
【数２０】
【００６２】一方、マトリクスＭｔは、次の数２１によ
り得られる。
り得られる。
【００６３】
【数２１】
【００６４】ベクトルｕtxからｕ3xへの単純回転マトリ
クスＭｒを数６および数７の式（１１）〜（１５）によ
り求める。Ｍｔに回転Ｍｒをかけて、数２２のようにマ
トリクスＭ４を得る。
クスＭｒを数６および数７の式（１１）〜（１５）によ
り求める。Ｍｔに回転Ｍｒをかけて、数２２のようにマ
トリクスＭ４を得る。
【００６５】
【数２２】
【００６６】次の数２３によりＭ３を求める。ｕ3xは既
に得られているので、ｕ3y，ｕ3zを求めるだけでよい。
に得られているので、ｕ3y，ｕ3zを求めるだけでよい。
【００６７】
【数２３】
【００６８】次に、座標系Ｍ３のｘ，ｙ平面内でのbone
1，bone2の向きを求める。図４に、座標系Ｍ３のｘ，ｙ
平面内でのスケルトン形状を示す。以下では、４つのケ
ースに場合分けを行なって、bone1，bone2の回転マトリ
クスＭ１，Ｍ２を求める。
1，bone2の向きを求める。図４に、座標系Ｍ３のｘ，ｙ
平面内でのスケルトン形状を示す。以下では、４つのケ
ースに場合分けを行なって、bone1，bone2の回転マトリ
クスＭ１，Ｍ２を求める。
【００６９】
｜Ｌ１−Ｌ２｜≦｜Ｖ１｜≦｜Ｌ１＋Ｌ２｜の場合
関節点Ｐ２は入力座標Ｐ２に到達可能である。Ｍ１，Ｍ
２は次の数２４により得られる。
２は次の数２４により得られる。
【００７０】
【数２４】
【００７１】｜Ｖ１｜＞Ｌ１＋Ｌ２の場合
Ｍ１，Ｍ２および到達可能なＰ２座標は、次の数２５に
より得られる。
より得られる。
【００７２】
【数２５】
【００７３】
｜Ｖ１｜≦｜Ｌ１−Ｌ２｜かつＬ１＞Ｌ２の場合
Ｍ１，Ｍ２および到達可能なＰ２座標は、次の数２６に
より得られる。
より得られる。
【００７４】
【数２６】
【００７５】
｜Ｖ１｜≦｜Ｌ１−Ｌ２｜かつＬ１＜Ｌ２の場合
Ｍ１，Ｍ２および到達可能なＰ２座標は、次の数２７に
より得られる。
より得られる。
【００７６】
【数２７】
【００７７】上記〜のいずれの場合も、Ｐ１は次の
数２８により求められる。
数２８により求められる。
【００７８】
【数２８】
【００７９】以上により、各骨の回転マトリクス表現を
得ることができる。
得ることができる。
【００８０】なお、ゲームに登場する種々のキャラクタ
のポーズやモーション作成を行なう場合、デザイナは、
共通に使用するベースキャラクタを元にして、個々のキ
ャラクタのデータを作成する。その際、個々のキャラク
タと共通に使用するベースキャラクタとでは一般的には
対応する骨の長さが異なる。図５は、ベースキャラクタ
のスケルトンと個々のキャラクタのスケルトンとで骨の
長さに差異がある場合の例を示す。しかし、本発明に係
るデータ表現方法によれば、ベースキャラクタの形状の
データから個々のキャラクタの形状のデータを簡単に得
ることができる。
のポーズやモーション作成を行なう場合、デザイナは、
共通に使用するベースキャラクタを元にして、個々のキ
ャラクタのデータを作成する。その際、個々のキャラク
タと共通に使用するベースキャラクタとでは一般的には
対応する骨の長さが異なる。図５は、ベースキャラクタ
のスケルトンと個々のキャラクタのスケルトンとで骨の
長さに差異がある場合の例を示す。しかし、本発明に係
るデータ表現方法によれば、ベースキャラクタの形状の
データから個々のキャラクタの形状のデータを簡単に得
ることができる。
【００８１】例えば、コンバータＡに、ベースキャラク
タのデータを入力し、出力Ｐ２，ψを得ておく。個々の
キャラクタのデータが必要な場合は、コンバータＢに、
このＰ２，ψとベースキャラクタの骨の長さを入力し、
出力を得る。得られたＭ１，Ｍ２はそのまま使うことが
できる。また、個々のキャラクタの関節位置Ｐ１’，Ｐ
２’は次の数２９で得ることができる。ただし、Ｌ
１’，Ｌ２’は個々のキャラクタのbone1，bone2の長さ
をそれぞれ表す。
タのデータを入力し、出力Ｐ２，ψを得ておく。個々の
キャラクタのデータが必要な場合は、コンバータＢに、
このＰ２，ψとベースキャラクタの骨の長さを入力し、
出力を得る。得られたＭ１，Ｍ２はそのまま使うことが
できる。また、個々のキャラクタの関節位置Ｐ１’，Ｐ
２’は次の数２９で得ることができる。ただし、Ｌ
１’，Ｌ２’は個々のキャラクタのbone1，bone2の長さ
をそれぞれ表す。
【００８２】
【数２９】
【００８３】さらに、上述したように先端座標と捻り角
でデータを持っている骨格に対し、先端座標の位置をゲ
ームの場面に応じて変更したい場合がある。例えば、腿
と脛の骨格を上述した先端座標と捻り角で保持している
場合は、そのキャラクタが立っている地面の形状が平坦
か凹凸があるかに応じて足先の位置（脛の先端座標）が
変わってくる。また、腕の上腕と下腕の骨格を上述した
先端座標と捻り角で表し、そのキャラクタがパンチを繰
り出す動作（腕を伸ばして、その後、引く動作）もその
データ表現形式で表している場合、パンチを繰り出す相
手キャラクタの背の高さに応じて腕先の位置（下腕の先
端座標）が変わってくる。このような場合でも、上述の
本発明に係るデータ表現方法によれば、元のデータに対
し、先端座標のみ場面に応じて変更し、捻り角は同じデ
ータを使用すればよい。従来のように各関節の角度デー
タで表現する方式では、先端位置を場面に応じて変更す
る場合は複雑な計算を行なう必要があったが、本発明に
係るデータ表現方法では先端座標を変更するだけである
ので計算は簡単であり計算時間もかからない。
でデータを持っている骨格に対し、先端座標の位置をゲ
ームの場面に応じて変更したい場合がある。例えば、腿
と脛の骨格を上述した先端座標と捻り角で保持している
場合は、そのキャラクタが立っている地面の形状が平坦
か凹凸があるかに応じて足先の位置（脛の先端座標）が
変わってくる。また、腕の上腕と下腕の骨格を上述した
先端座標と捻り角で表し、そのキャラクタがパンチを繰
り出す動作（腕を伸ばして、その後、引く動作）もその
データ表現形式で表している場合、パンチを繰り出す相
手キャラクタの背の高さに応じて腕先の位置（下腕の先
端座標）が変わってくる。このような場合でも、上述の
本発明に係るデータ表現方法によれば、元のデータに対
し、先端座標のみ場面に応じて変更し、捻り角は同じデ
ータを使用すればよい。従来のように各関節の角度デー
タで表現する方式では、先端位置を場面に応じて変更す
る場合は複雑な計算を行なう必要があったが、本発明に
係るデータ表現方法では先端座標を変更するだけである
ので計算は簡単であり計算時間もかからない。
【００８４】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
ルートに近い第１の骨、先端に近い第２の骨、および該
第１の骨と第２の骨とを接続する関節に対し、該第１の
骨および第２の骨の位置を表すデータを、第２の骨の先
端側端点の位置座標、および第１の骨のルート側端点と
第２の骨の先端側端点とを結ぶ軸の回りの回転角である
捻り角により表現するようにしているので、各関節にお
ける角度値データの誤差が集積して、特に先端部などで
誤差の影響が大きく出ることがない。また、データを圧
縮・伸張する場合でも誤差の影響を極力抑えることがで
きる。
ルートに近い第１の骨、先端に近い第２の骨、および該
第１の骨と第２の骨とを接続する関節に対し、該第１の
骨および第２の骨の位置を表すデータを、第２の骨の先
端側端点の位置座標、および第１の骨のルート側端点と
第２の骨の先端側端点とを結ぶ軸の回りの回転角である
捻り角により表現するようにしているので、各関節にお
ける角度値データの誤差が集積して、特に先端部などで
誤差の影響が大きく出ることがない。また、データを圧
縮・伸張する場合でも誤差の影響を極力抑えることがで
きる。
【図１】本発明で用いるスケルトンの捻り角を示す図
【図２】bone（骨）の座標系を示す図
【図３】捻り角基準座標系Ｍｔを示す図
【図４】Ｍ３−ｘｙ平面内のスケルトン形状を示す図
【図５】骨の長さが異なる場合の例を示す図
【図６】人体の骨格構造の例を示す図
bone1…上腕または腿、bone2…下腕または脛、Ｐ０…関
節点（ルート側端点）、Ｐ１…bone1とbone2との間の関
節点、Ｐ２…関節点（先端側端点）。
節点（ルート側端点）、Ｐ１…bone1とbone2との間の関
節点、Ｐ２…関節点（先端側端点）。
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(56)参考文献 特開 平８−221599（ＪＰ，Ａ)
特開 平10−40418（ＪＰ，Ａ)
特開 平９−153151（ＪＰ，Ａ)
特開 平10−40419（ＪＰ，Ａ)
特開 平９−330424（ＪＰ，Ａ)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
G06T 13/00
G06T 15/70
G01B 11/00
ＣＳＤＢ（日本国特許庁)
Claims (2)
- 【請求項１】多関節構造のスケルトンモデルのデータ表
現方法であって、 前記スケルトンモデルが備えている、ルートに近い第１
の骨、先端に近い第２の骨、および該第１の骨と第２の
骨とを接続する関節に対し、該第１の骨および第２の骨
の位置を表すデータを、第２の骨の先端側端点の位置座
標、および第１の骨のルート側端点と第２の骨の先端側
端点とを結ぶ軸の回りの回転角である捻り角により表現
することを特徴とするスケルトンモデルのデータ表現方
法。 - 【請求項２】請求項１において、 捻り角０状態の向きを定める際に、 あらかじめ定められた基準座標系の座標軸ベクトルのう
ちの１つから、第１の骨のルート側端点と第２の骨の先
端側端点とを結ぶベクトルへの単純回転マトリクスを求
めるステップと、 前記基準座標系に前記単純回転マトリクスをかけて得ら
れる座標系の向きを捻り角０状態の向きと定めるステッ
プとを備えたことを特徴とする、多関節構造のスケルト
ンモデルのデータ表現方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP09829198A JP3380158B2 (ja) | 1998-03-25 | 1998-03-25 | スケルトンモデルのデータ表現方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP09829198A JP3380158B2 (ja) | 1998-03-25 | 1998-03-25 | スケルトンモデルのデータ表現方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11272877A JPH11272877A (ja) | 1999-10-08 |
| JP3380158B2 true JP3380158B2 (ja) | 2003-02-24 |
Family
ID=14215833
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP09829198A Expired - Fee Related JP3380158B2 (ja) | 1998-03-25 | 1998-03-25 | スケルトンモデルのデータ表現方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3380158B2 (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US10410392B2 (en) | 2015-01-30 | 2019-09-10 | Dentsu Inc. | Data structure for computer graphics, information processing device, information processing method and information processing system |
| US10916045B2 (en) | 2016-03-08 | 2021-02-09 | Dentsu Inc. | Device, program, and information processing method |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP5392671B2 (ja) * | 2008-12-02 | 2014-01-22 | 学校法人早稲田大学 | 歩行計測装置 |
| JP5636303B2 (ja) * | 2011-02-07 | 2014-12-03 | 株式会社セルシス | 骨格モデルの捻りの制御装置，方法及びプログラム |
| JP5490080B2 (ja) * | 2011-12-06 | 2014-05-14 | 株式会社セルシス | スケルトンモデルの姿勢制御方法，及びプログラム |
| CN108392207B (zh) * | 2018-02-09 | 2020-12-11 | 西北大学 | 一种基于姿态标签的动作识别方法 |
-
1998
- 1998-03-25 JP JP09829198A patent/JP3380158B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US10410392B2 (en) | 2015-01-30 | 2019-09-10 | Dentsu Inc. | Data structure for computer graphics, information processing device, information processing method and information processing system |
| US10916045B2 (en) | 2016-03-08 | 2021-02-09 | Dentsu Inc. | Device, program, and information processing method |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH11272877A (ja) | 1999-10-08 |
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