JPH04270470A - アニメーション作成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、コンピュータを用いて
人間や動物の動きを画面上に再現するアニメーション作
成方法に関するものである。

【従来の技術】

【０００２】コンピュータによるアニメーションはウィ
リアムス，アイザックス，フォーセィ及びセルビィが対
象物の物理的特性および対象を支配する物理的法則を考
慮に入れるようにしたことにより、近年ますますリアル
にまた美しくなってきている。ナイジェル及びカルバー
トがアニメーションにおいて用いた対象物の動きを表す
方法は運動学と呼ばれ、この方法は力やトルクを無視し
て、位置，速度，加速度のみを用いて動きを表現するが
、この運動学を適用したアニメーションにおいては、ア
ニメータが動きの設計を明確に行わなければならない。

【０００３】しかし、対象物の動きはそれ自体の性質や
環境との相互作用により決定されるので、運動学を適用
したアニメーションにおいてリアルな動きを生成するた
めに必要な現象について計量を行うのは容易ではない。

【０００４】これに対して、物体の運動を力との関係で
論じる動力学として知られている方法があり、この方法
をアニメーション作成に適用すれば少ない操作で複雑な
動きを作成することができる。また、この動力学を適用
したアニメーション作成方法によれば、もう一つの大き
な長所すなわち運動学を適用したアニメーション作成に
おける動きの設計の限界を避けることができる。

【０００５】しかし、動力学を適用したアニメーション
作成方法においては、計量が困難な慣性モーメント・重
心・関節の摩擦・筋肉／靱帯の弾性等の動的パラメータ
のデータが必要であり、これらのデータがないと運動学
を適用したアニメーション作成方法の場合と同様に非現
実的な動きになつてしまう。また、比較的手間のかかる
動力学方程式を解く必要があり、関節を有し自由度が２
００もある人体においては、６００もの微分方程式を同
時に解かなければならない。

【０００６】そのため、これまでに提案された動力学を
適用したアニメーション作成方法は実際の動きを再現す
るのに適しているとは言えず、人体や動物体の完全な動
きを再現する動力学を適用したアニメーション作成方法
はなかった。

【０００７】今までにも、アニメータの知識と技術を得
るためにツェルツァー等により人工知能（ＡＩ）やエキ
スパートシステムに基づいた研究は行われていた。また
、バドラーは自身の動力学を適用したアニメーションを
制約条件に基づいた方法を用い、ドリュウェリーとツォ
ツォスは目標指向アニメーションのためにフレームに基
づく方法の研究を行った。

【０００８】これらの研究における知識には、大きさ、
慣性のモーメントなどの人体や動物体の動きの基本的デ
ータ及びそれぞれの関節の動きの範囲を規定する制約条
件が含まれるが、これらの知識はアニメータの直観によ
り得られるものである。

【０００９】従来の動力学を適用したアニメーション作
成方法は、人体の場合を例に挙げると １．人体モデルを作成 ２．人間の実際の動作を入力 ３．入力された動作を解析 ４．新規な動作を作成 ５．動作を画面に表示 の５つの段階からなっている。

【００１０】この新規な動きを作成する第４段階におい
ては、ギブズの式を用いて動力学方程式を精密に解くウ
ィルヘルムスが提案した方法が優れている。しかし、ウ
ィルヘルムスの方法は概念が複雑であるうえに、ｎをア
ニメーションにおいて動きの最小単位になる人体を構成
する部分の数とした場合の計算量Ｏ（ｆ（ｎ））がｎ４
の関数Ｏ（ｎ４）であり計算量が多いため、コンピュー
タによる計算が高くつくという理由で実際のアニメーシ
ョンには用いられていない。

【００１１】一方、アームストロングは計算量がｎの関
数Ｏ（ｎ）である計算を用いたアニメーション作成方法
を提案した。このアームストロングの方法は、関節の線
加速度と角加速度の間に一定の関係が存在するという考
えに基づいているが、この関係は軸の回りの回転につい
て無視することができる時にのみ成立する。したがって
、画面上に表示することができるのは人体を構成する部
分を線で表す線画（ライン・ピクチャ）のみであり、軸
の回りの回転について無視することができない場合には
、アームストロングの方法を用いることはできない。 したがって、アームストロングの方法によっては人体を
立体的に肉付けしてリアルに表示することはできない。

【００１２】このように、実際のアニメーション作業に
おいては使いやすい対話形式によりリアルタイムに応答
する方法が必要であるにもかかわらず、これまでのアニ
メーション作業は試行錯誤により行われ対話形式による
リアルタイムに応答するものではなかった。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】動力学を適用したアニ
メーション作成方法において上記の複雑な計算が必要に
なるということと、対話形式による使いやすい方法がな
いということと間には人間の動きに関する知識が欠けて
いるという共通の問題が存在する。そこで、本発明にお
いては動力学を適用した新しいアニメーション作成方法
を提案し、実際の人間の動きを解析して得られた人間の
動きについての知識を用いて新規な人体の動きの完全な
作成を行う。

【００１４】すなわち、本発明は試行錯誤あるいはアニ
メータの直感によることなく、コンピュータを用いて対
話形式により線画ではない肉付けされ立体的な人体や動
物体の動きの作成を実現することができるアニメーショ
ン作成方法を提供することを課題とするものである。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
、本発明の動力学を適用したアニメーション作成方法に
おいては最初に、人間や動物の基本的な動きを解析し、
人体や動物体のそれぞれの関節に発生する力及びトルク
を含む動的パラメータのデータを基本的な動きに関する
知識としてデータベースに入力する。

【００１６】次に、アニメータはデータベースにアクセ
スし、得られたデータを加工するが、コンピュータは制
約条件を制約された動きの形で、逆動力学の結果を力の
形でリアルタイムでアニメータにフィードバックし、満
足の行く結果が得られるまでこの過程を繰り返すことに
より、動きを対話形式により設計する。

【００１７】この動力学を適用したアニメーション作成
方法の計算量はｎの関数Ｏ（ｎ）であり、ウィルヘルム
スの方法に存在したコンピュータによる計算が高くつく
という問題を解決している。また、試行錯誤あるいはア
ニメータの直感によることなく、対話形式により線画で
はないなめらかに肉付けされた立体的でリアルな人体や
動物体の動きの作成を実現することができるアニメーシ
ョン作成方法を提供することができる。

【００１８】

【実施例】以下、図面を用いて本願発明の実施例につい
て説明するが、ここでは人間の動作を表示する場合を例
として説明する。図１に本発明のフローチャートを示す
が、このフローチャートは １．人体モデルを作成 ２．人間の実際の動作を入力 ３．入力された動作を解析 ４．動作の設計 ５．動力学 ６．制約条件を適用 ７．逆動力学を適用 ８．結果を画面に表示 の各段階から構成されている。

【００１９】第１段階の「人体モデルを作成」では、人
体を動きの最小単位となる部分に分解し、これら各々の
部分固有の性質、相互の関係及び関節の動きの範囲等の
制約条件に基づき人体モデルを作成し、コンピュータに
データベースとして入力しておく。

【００２０】第２段階の「人間の実際の動作を入力」で
は、計算の対象となる動作をビデオ画像のフレーム単位
あるいはフィルム画像のコマ単位に入力する、この場合
複数の方向から同時に撮影した画像を用いれば、次の段
階の計算をより具体的に行うことができる。

【００２１】第３段階の「入力された動作を解析」では
、第２段階で入力された動作について逆動力学を用いて
計算し、各部分の重心、各関節に働く力及びトルク、全
体の重心、重心に働く力及びトルクを解析する。

【００２２】入力された動作の解析のみを行う場合は、
第３段階で得られた各部分の重心、各関節に働く力及び
トルク、全体の動き及び重心、全体の重心に働く力及び
トルクを矢印等により入力された実際の動作に重ねて画
面上に表示する。このようにして、動作の解析が行われ
る。

【００２３】次に、上記の解析結果を利用して新しい動
きを設計する場合について説明する。新しい動作を設計
するためには、予め第１段階の人体モデルのデータ、第
２段階で得られた人間の実際の動作のデータ及び第３段
階で得られた解析結果のデータをデータベースに入力し
ておく。

【００２４】第４段階の動作の設計においては、アニメ
ータは最初にデータベースから基本的な動作を選択する
。図２に示すのは格闘技の一種である少林寺拳法におけ
る左肘の動きをデータベースに基いて作成した制御グラ
フであるが、この制御グラフにおいて横軸は時間を、縦
軸は体のそれぞれの関節に発生する力をｘ，ｙ，ｚの３
軸について表している。なお、当然のこととして同一の
関節に発生する２つの力は、大きさが同じで方向が逆で
ある。

【００２５】また、複雑な動作は数個の制御グラフによ
り表される。例えば人物がイスから立ち上がって歩くと
いう動作を表す制御グラフは、連続した動作を合成して
構成される。なお、他の部分のそれぞれのグラフは例に
挙げた左肘の場合と同じ方法で設計する。

【００２６】次に、力が発生するすべての人体の部分に
ついて、制御グラフの横軸および縦軸の拡大・縮小を含
む物理的変数の変更を一括に行う全体的な変更及び体の
ある一部分に発生する力等の物理的変数を変更する部分
的な変更を行う。

【００２７】第５段階の「動力学を適用」においては、
各部分の動作はアニメータにより指定された力及び各部
分の動きを支配する動力学方程式に基づいて計算される
。その場合、図３（ａ）に示すように本来体の各部分は
相互に結合関係にあるのであるが、計算量を減らすため
（ｂ）に示すように体の各部分は他の部分と切り放され
、人体の各部分の相互結合関係と関節の動作の範囲に関
する制約条件も一時的に無視される。

【００２８】各部分の動作を計算するため、本発明の動
作解析においては重心の線加速度を求めるのにニュート
ンの方程式を用い、重心の角加速度を求めるのにオイラ
ーの方程式を用い、線加速度及び角加速度が得られたら
、これらを積分して速度を求め、さらに積分して位置を
求める。

【００２９】第７段階の「制約条件の適用」では、各部
分の動作の計算結果について、人体の各部分の相互結合
関係と関節の動きの範囲の２つの物理的制約条件がチェ
ックされる。この処理は、基本的な部分から始まり、そ
の下位のそれぞれの部分の位置、配列方向が順次チェッ
クされる。ここでは下位の部分が上位の部分に常に接続
されているか否か及び個々の関節の動作が決められた範
囲を越えているか否かの２つのチェックを行う。

【００３０】その結果、図４（ａ）に示すように下位の
部分が上位の部分に接続されていない場合には、下位の
部分が上位の部分に接続されるように下位の部分を並行
移動させ、個々の関節の動きが一定の範囲を越えている
場合には、回転させてその関節の動きが範囲内になるよ
うに調整し、（ｂ）に示すような自然な姿勢に修正する
。

【００３１】第７段階の「逆動力学の適用」においては
、力と動作の関係を表現するラグランジュの方程式を用
いて体の各関節に起こる力を計算する。

【００３２】新しい動作を設計する場合に、満足の行く
結果が得られない場合には第５段階から第７段階までの
過程を繰り返して、対話形式により新しい動作の設計を
行う。

【００３３】第８段階の「動作を画面に表示」において
は設計の途中あるいは設計が終了した新しい動きを画面
に表示する。その際に表示された人体の重心の位置、発
生している力の方向を人体に合成して表示することがで
き、このようにすれば表示された動作をより具体的に表
示することができる。

【００３４】本発明においては、図１に示すように単純
な線回帰アルゴリズムによっているから、逆動力学の計
算を行うための計算量はｎの関数であるＯ（ｎ）である
。

【００３５】逆動力学により、合理的で完全な力の組合
せを得ることができる。また、逆動力学によらなければ
アニメータが完全な力の設計を見つけることは不可能で
ある。本発明においては、体の部分の個々の配列方向は
その関節の限界を越えると変化し、体の各部分の個々の
位置は体の物理的な制約条件にあてはまるようにされる
。

【００３６】このようにして得られた人体の動きは人体
の下位の部分が上位の部分に常に接続され、個々の関節
の動作が決められた範囲を越えていていない自然なもの
であるから、そのまま肉付けして立体的にリアルに表示
することができる。

【００３７】また、本発明は試行錯誤あるいはアニメー
タの直感によることなく、コンピュータを用いて対話形
式により人体の動きを設計することができる。

【００３８】以上説明した実施例においては人体を対象
とする場合に次いてのみ説明したが、この方法は動物体
へも全く同様にして適用可能であるから、動物体への適
用に次いての説明は省略する。

【００３９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の動力学を
適用したアニメーション作成方法は、実際の人間の基本
的な動きの解析及び新しい動きを作成する２つの過程か
らなる。そして、人間の基本的な動きの解析は人体モデ
ルの作成、実際の動作の入力、入力された動作の解析の
３段階で進み、新しい動きの作成は動力学、制約条件、
逆動力学の３段階で進み。動力学の段階では人体を関節
によつて分離された５０個のそれぞれ独立した部分に分
け、個々の部分の動きはニュートンの方程式とオイラー
の方程式を用いて他の部分の動きとは切り放して計算さ
れる。制約条件の段階では体の部分の相互結合関係及び
関節の動きの範囲がチェックされる。逆動力学の段階で
は、制約条件により修正された新しい動きを生む力を計
算する。その場合の全体の計算量はＯ（ｎ）である。

【００４０】したがって、本発明のアニメーション作成
方法により、これまでの動力学によるアニメーションに
あった計算の問題を解決し、実際のアニメーション作業
にうまく応用できるようにし、リアルタイムのフィード
バックができるようになった。

【００４１】そして、人体の各部分の動きを計算するた
め、重心の線加速度をニュートンの方程式を用いて、重
心の角加速度をオイラーの方程式を用いて求めているか
ら、体の部分の各々の重心の位置及びそれらの重心にか
かる力を求めて表示することができ、同様に全体の重心
の位置及びその重心にかかる力も求めて表示することが
できる。

【００４２】また、線画ではないなめらかに肉付けされ
た立体的でリアルな人体の動きの作成を実現することが
できる。

【００４３】その上、アニメータはモデルの人体をディ
スプレイ画面上で様々な視点から見ることができ、対話
形式により体の部分を並行移動させたり、回転させたり
することができる。従って、アニメータは絵とモデルの
人体との間の対応関係を正確に把握することができる。

【００４４】従来のアニメーション作成方法における知
識には人体の動きの基本的データ及びそれぞれの関節の
動きの範囲を規定する制約条件が含まれるが、この知識
はアニメータの直観により得られるのに対して、本発明
のアニメーションにおける知識は人間の実際の動きを解
析して得られた実際の動的パラメータを指している。し
たがって、この知識から作られた動きは科学的で信頼性
があり、リアルな動きを作ることができる。

【００４５】なお、最近オブジェクト指向のモデルが様
々な分野で用いられており、オブジェクト指向の方法に
よるとユーザインターフェースは直接操作モデルになる
。この直接操作モデルは画面に表示された映像が対象物
に反応するものであるから、本発明のアニメーション作
成方法を用いれば対象物を対象物空間で直接扱ったり操
作したりすることができる。また、本発明において示す
動作解析方法及び動作設計方法は、アニメーション作成
方法以外にロボットあるいは数値制御装置などの工業設
備のプログラム作成、スポーツあるいは芸能等における
動作の学習、動物の調教等の用途に適用すれば非常に有
用である。

【図面の簡単な説明】

【図１】アニメーション作成方法のフローチャート

【図
２】関節に働く力の例の制御グラフ

【図３】動力学によ
る計算の模式図

【図４】逆動力学による計算の模式図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　コンピュータを用いてアニメータが新
   しい動きを設計するアニメーション作成方法であって、
   該アニメーション作成方法は、人体や動物体を動きの最
   小単位となる部分に分解し、これら各々の部分固有の性
   質、相互の関係及び関節の動きの範囲等の制約条件に基
   づき人体モデルや動物体モデルを作成しデータベースに
   入力する段階と、人間や動物の実際の動作を入力する段
   階と、入力された動作を逆動力学を適用して計算し、全
   体及び各部分の重心・各関節に働く力・トルク、全体の
   重心・重心に働く力・トルクを計算する段階と、前記デ
   ータベースから基本的な動作を選択しその物理的変数を
   変更する段階と、体の各部分を他の部分と切り放し、前
   記実際の動作を相互結合関係と関節の動きの範囲に関す
   る制約条件を無視して指定された力及び動力学方程式の
   みに基づいて新しい動きを計算する段階と、該計算結果
   について相互結合関係と関節の動きの範囲の物理的制約
   条件をチェックして修正する段階と、前記計算した結果
   を用いて画面上に人間や動物の動きを表示する段階とか
   らなることを特徴とするアニメーション作成方法。
2. 【請求項２】　　コンピュータを用いてアニメータが新
   しい動きを設計するアニメーション作成方法であって、
   該アニメーション作成方法は、人体や動物体を動きの最
   小単位となる部分に分解し、これら各々の部分固有の性
   質、相互の関係及び関節の動きの範囲等の制約条件に基
   づき人体モデルや動物体モデルを作成しデータベースに
   入力する段階と、人間や動物の実際の動作を入力する段
   階と、入力された動作を逆動力学を適用して計算し、全
   体及び各部分の重心・各関節に働く力・トルク、全体の
   重心・重心に働く力・トルクを計算する段階と、前記デ
   ータベースから基本的な動作を選択しその物理的変数を
   変更する段階と、体の各部分を他の部分と切り放し、前
   記実際の動作を相互結合関係と関節の動きの範囲に関す
   る制約条件を無視して指定された力及び動力学方程式の
   みに基づいて新しい動きを計算する段階と、該計算結果
   について相互結合関係と関節の動きの範囲の物理的制約
   条件をチェックして修正する段階と、力と動きの関係を
   逆動力学を適用して計算する段階と、前記動力学により
   計算した動きと逆動力学により計算した力及び重心を合
   成して画面上に表示する段階とからなることを特徴とす
   るアニメーション作成方法。