JPH08221599A - Method for generating and analyzing three-dimensional motion - Google Patents

Method for generating and analyzing three-dimensional motion

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JPH08221599A
JPH08221599A JP2709095A JP2709095A JPH08221599A JP H08221599 A JPH08221599 A JP H08221599A JP 2709095 A JP2709095 A JP 2709095A JP 2709095 A JP2709095 A JP 2709095A JP H08221599 A JPH08221599 A JP H08221599A
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joint
link
joint structure
unit
angle
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Toshiya Naka
俊弥 中
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Abstract

PURPOSE: To spontaneously generate a skin corresponding to its attitude by raiding skeleton structure from motion captured data in the case of modeling the motion of a complicated structure. CONSTITUTION: This method is composed of an attitude analyzing part 3 for calculating the attitude of skeleton structure from a joint structure defining part 2 for defining human joint structure and a joint position designating part 1 for setting the positions of respective joints in that skeleton structure, dynamics analyzing part 4 for performing the calculation of dynamics, and skin generating part 5 for performing simplified modeling to the attitude of skeleton analyzed by the attitude analyzing part 3 and the dynamics analyzing part 4.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、コンピュータグラフィ
ックス(CG)や各種の映像制作分野において、人間な
どの複雑な形状(階層構造)の腕や足などの自然な動き
データを生成または解析するための3次元動き生成方法
に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention generates or analyzes natural motion data of humans or other complicated shapes (hierarchical structure) such as arms and legs in the field of computer graphics (CG) and various video production fields. For a three-dimensional motion generation method.

【0002】[0002]

【従来の技術】CGの利用分野として最近はTVのCMやゲ
ーム機が注目されている。従来のCGでは一般に計算時
間による制約から静止画を時間をかけて作成することに
注力されて来た。ところがここ数年のハードやソフトウ
エア技術の向上にともない、特にゲーム市場を中心にC
Gアニメーションが注目されている。これらの分野では
登場する人物や動物などに対して素早い、あるいは自然
な動きが要求されている。
2. Description of the Related Art Recently, TV commercials and game machines have been attracting attention as fields of use of CG. Conventional CG has generally been focused on creating a still image over time due to the limitation of calculation time. However, with the improvement of hardware and software technology in recent years, especially in the game market, C
G animation is receiving attention. In these fields, quick or natural movement is required for the characters and animals that appear.

【0003】TVや映画のアニメーション生成では従来、
キーフレーム法と呼ばれる方法が主流を占めており、上
述のCGアニメーション制作においても基本はこの方法
を用いている。ここでキーフレーム法について説明す
る。時間軸方向に対して注目する時間t0での登場するキ
ャラクタの動きを作成する。さらにそれからある時間間
隔たったt1での同じキャラクタの動きを作成し保存す
る。これを時間軸方向に必要なキーフレームに対して設
定する。実際にアニメーションを再生する場合に前述の
キーフレームでの各キャラクタの動作を補間(線形やス
プラインなど)することで、キーフレーム間の抜けたフ
レームでの動きを補い連続したアニメーションとしてい
る。
Conventionally, animation generation for TV and movies has been
The method called the key frame method occupies the mainstream, and this method is basically used also in the above-mentioned CG animation production. Here, the key frame method will be described. The movement of the appearing character at time t0 of interest in the time axis direction is created. Then, the motion of the same character at a certain time interval t1 is created and saved. This is set for the required key frame in the time axis direction. When an animation is actually reproduced, the motion of each character in the above-mentioned key frames is interpolated (linear or spline) to compensate for the motion in the missing frames between the key frames to make a continuous animation.

【0004】一般にCGキャラクタの動きには、3次元
空間における配置や移動の軌跡を表すグローバルな動き
と配置とは関わらず歩行動作や運動などのローカルな動
きとがある。この内、前者は先に述べたキーフレーム法
で3次元空間内でのキーとなる位置を設定し、後はその
間を補間することで動きの指定ができるが、ゴルフスイ
ングにおける腕の降りや、歩行動作における足の動きな
どはキーフレーム法だけでは簡単にしかも自然に設定す
ることは難しい。
Generally, the movement of a CG character includes a global movement that represents a locus of arrangement and movement in a three-dimensional space and a local movement such as a walking movement and a movement regardless of the arrangement. Among these, the former can set the key position in the three-dimensional space by the key frame method described above, and then interpolate between them to specify the movement, but when the arm descends in the golf swing, It is difficult to easily and naturally set foot movements during walking by the key frame method alone.

【0005】これに対して近年、人間などのローカルな
運動をモデリングする場合に、モーションキャプチャと
呼ばれる方法が用いられ始めている。これは、モデルと
なる人間の体の主要部分(関節や頭など数十点)にセン
サーを付け、モデルに必要な運動をさせることで運動を
定義する。されに、カメラやセンサーの検知器を用いて
ある時間間隔での人間の運動の主要部分の3次元座標を
計測し、そのデータを用いてローカルな運動をモデリン
グできるという方法である。センサーの種類の違いから
光学式や磁気のものが開発されている。
On the other hand, in recent years, a method called motion capture has begun to be used when modeling a local motion of a human being or the like. This defines motion by attaching sensors to the main parts of the human body (tens of points such as joints and head) that are the model, and making the model perform the necessary motion. In addition, it is a method that can measure a three-dimensional coordinate of a main part of human motion at a certain time interval using a detector of a camera or a sensor, and use the data to model a local motion. Optical and magnetic sensors have been developed due to the different types of sensors.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
キーフレーム法では人間のような複雑な構造のローカル
な動きを滑らかかつ忠実ににモデリングすることは困難
である。また、モーションキャプチャ法などを用いた人
間の運動のモデリングでも、人物が変わったり殆んど運
動は同じであっても腕の軌跡などが少しことなる運動を
モデリングをしようとすると、モデルとなる人間に新た
な運動をさせる必要があり、モデリングの手間と時間が
掛かるといった問題を有していた。本発明は上記問題点
に鑑み人間などの複雑な構造の3次元での運動を効率良
くモデリングし、また力学モデルに従った運動の解析を
行えるようにした3次元の動き生成方法を提供すること
を目的とする。
However, it is difficult for the conventional key frame method to smoothly and faithfully model the local movement of a complex structure such as a human. Also, in modeling human motion using the motion capture method, etc., when modeling a motion in which the trajectory of the arm is slightly different even if the person changes or the motion is almost the same, There is a problem that it takes time and effort for modeling because it requires a new exercise. In view of the above problems, the present invention provides a three-dimensional motion generation method capable of efficiently modeling a three-dimensional motion of a complicated structure such as a human and analyzing the motion according to a dynamic model. With the goal.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
めに本発明の3次元の動き生成方法では、人間などの複
雑な構造を定義するためにスケルトンと呼ばれる骨格構
造を定義し、与えられたキャラクタにその骨格構造を割
り当てる機構を備える。また、その骨格構造の各部位を
包含する体積を割り付け動力学(ダイナミックス)を計
算する機構とさらに解析した結果から求まるスケルトン
の座標位置に対して、スケルトンを包含するようなスキ
ン(肉づけ)を発生し、スケルトンの動きに応じて腕な
どの筋肉の盛り上がりを再現する機構とを備える。
In order to solve the above problems, in the three-dimensional motion generation method of the present invention, a skeleton structure called a skeleton is defined and given to define a complex structure such as a human being. A mechanism for assigning the skeletal structure to the character is provided. In addition, the skin that includes the skeleton is added to the coordinate position of the skeleton that is obtained from the mechanism that allocates the volume that includes each part of the skeletal structure and calculates the dynamics and the analysis result. And a mechanism that reproduces the swelling of muscles such as arms according to the movement of the skeleton.

【0008】[0008]

【作用】本発明は上記した構成により、人間などの複雑
な構造を持ったキャラクタの腕や足など動きをモデリン
グする際に動力学特性などを考慮して運動を定量的に解
析でき、またスケルトン構造による位置の解析から実際
の動きにあった運動の新たな生成や変更ができる。さら
に、解析した結果に対してスケルトンを取り囲む柔軟な
スキン(フレキシブルスキン)を発生させることで立体
間のある動きの生成と可視化が可能となる。
With the above-described structure, the present invention can quantitatively analyze a motion in consideration of dynamic characteristics when modeling a motion such as an arm or a foot of a character having a complicated structure such as a human being, and a skeleton. It is possible to newly create or change a motion that matches the actual motion from the analysis of the position by the structure. Further, by generating a flexible skin (flexible skin) surrounding the skeleton for the analyzed result, it is possible to generate and visualize some movement between solids.

【0009】[0009]

【実施例】以下、本発明の一実施例の3次元の動き生成
方法および装置について、図面を参照しながら説明す
る。図1は本発明の実施例における3次元の動き生成方
法および装置を示すものである。図1において、1は関
節位置指定部、2は関節構造定義部、3は姿勢解析部、
4は動力学解析部、5はスキン発生部である。以上のよ
うに構成された3次元の動き生成方法および装置につい
て、以下図1を用いてその動作を説明する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS A three-dimensional motion generating method and apparatus according to an embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 shows a three-dimensional motion generation method and apparatus according to an embodiment of the present invention. In FIG. 1, 1 is a joint position designation unit, 2 is a joint structure definition unit, 3 is a posture analysis unit,
Reference numeral 4 is a dynamic analysis unit, and 5 is a skin generation unit. The operation of the three-dimensional motion generation method and apparatus configured as described above will be described below with reference to FIG.

【0010】まず、関節位置指定部1では人間などの複
雑な構造をスケルトンと呼ばれる関節構造で定義し(図
3参照)、その関節(ジョイントとも呼ぶ)点の3次元
座標位置または関節の角度情報(方向)の時間変化量を
時系列のデータとして与える。図2にある関節(Hipp
s)の関節データの例を示す。データにはリンクの名前
(Segment)および前フレームの数、フレームのレート
(例では秒30フレーム)およびその関節の絶対座標系で
の位置(Xtran,Ytran,Ztran)、角度(Xrot,Yrot,Zro
t)およびスケール(Xscale,Yscale,Zscale)のデータ
をフレーム数だけ時系列として与える。一般にこのデー
タ自身はモーションキャプチャシステムなどを用いて、
モデルとなる人間の主要な関節位置にセンサー(磁気や
光学テープなど)をとりつけて運動させ、センサー位置
の3次元での軌跡情報から求めることができる。
First, in the joint position designation unit 1, a complex structure such as a human is defined by a joint structure called a skeleton (see FIG. 3), and the three-dimensional coordinate position of the joint (also called a joint) or joint angle information. The time change amount of (direction) is given as time series data. The joint in Figure 2 (Hipp
An example of joint data of s) is shown. The data includes the name of the link (Segment) and the number of previous frames, the frame rate (30 frames per second in the example), and the position (Xtran, Ytran, Ztran) of the joint in the absolute coordinate system, and the angle (Xrot, Yrot, Zro).
t) and scale (Xscale, Yscale, Zscale) data are given as a time series for the number of frames. Generally, this data itself uses a motion capture system etc.
A sensor (magnetism, optical tape, etc.) is attached to a main joint position of a model human to move the model, and it can be obtained from three-dimensional trajectory information of the sensor position.

【0011】次に、関節構造定義部2ではスケルトン構
造を定義する。図3に標準的な人間のスケルトン構造と
各部の名称を示す。同図(a)は、スケルトン構造の全
体を示す。同図(a)において、P1,P2……Pnが
関節(ジョイント)に当たる部分で、その間を結ぶ直線
をリンク(またはセグメント)と呼ぶ。また、同図
(b)同図(c)は、それぞれ同図(a)の一部を取り
だしたものである。図3のスケルトン構造で必要となる
のは、各リンクの親子関係と各ジョイントの位置関係、
回転の自由度と回転角度の制限などで、解析用のデータ
構造には図4に示す構造を用いる。関節構造定義部2で
はこれから解析するスケルトンの構造を図3のような構
造で表現し図4に示した内部のデータ構造で内部メモリ
上に保持する。
Next, the joint structure defining section 2 defines a skeleton structure. Figure 3 shows the standard human skeleton structure and the names of each part. FIG. 3A shows the entire skeleton structure. In FIG. 3A, P1, P2 ... Pn are joints, and the straight line connecting them is called a link (or segment). Further, FIG. 7B and FIG. 7C are parts of FIG. In the skeleton structure of FIG. 3, what is required is the parent-child relationship of each link and the positional relationship of each joint,
The structure shown in FIG. 4 is used as the data structure for analysis due to the degree of freedom of rotation and the limitation of the rotation angle. The joint structure defining unit 2 expresses the structure of the skeleton to be analyzed from now on by the structure shown in FIG. 3 and holds it in the internal memory with the internal data structure shown in FIG.

【0012】姿勢解析部3では、関節構造定義部2で定
義され内部の解析用のデータ構造(図4参照)を用いて
スケルトンの姿勢の解析(キネマティックス)を行な
う。次に基本的な姿勢解析方法について説明する。姿勢
解析は従来にロボットアームなどの姿勢制御に用いられ
た方法を用いる。図3のようなジョイントとリンクで表
された開ループの直鎖リンク構造において、解析の基準
となるジョイントをベースと呼び解析用の座標系の原点
をベースに一致させる(座標系は以後右手系とする)、
反対に解析の端点(一般にはアームの先端)をエフェク
タと呼ぶ。姿勢制御に必要な情報はリンクの親子関係と
スケルトン構造の初期位置、各ジョイントの回転の自由
度と回転の制限(一般には最大XYZ方向の3自由度)で
ある。あるスケルトン構造についてエフェクタ部分の軌
跡の時間変化(最大、平行移動3要素、回転3要素の6
要素)が与えられた場合に、各ジョイントの角度情報を
求める方法を逆キネマティックス、逆に各ジョイントの
角度の微小時間変化が与えられた場合に、エフェクタの
位置を求める方法を順キネマティックスと呼ぶ。キネマ
ティックスの詳細については、参考文献:1)広瀬著、ロ
ボット工学(裳華房)。2)有本著、ロボットの力学と制
御(朝倉書店)参照。
The posture analysis unit 3 analyzes the skeleton posture (kinematics) using the internal analysis data structure (see FIG. 4) defined by the joint structure definition unit 2. Next, a basic posture analysis method will be described. Attitude analysis uses the method conventionally used for attitude control of robot arms. In an open-loop linear link structure represented by joints and links as shown in Fig. 3, the joint that serves as the reference of analysis is called the base, and the origin of the coordinate system for analysis is used as the base (the coordinate system will be referred to as the right-hand system hereafter). ,),
On the contrary, the end point of analysis (generally the tip of the arm) is called an effector. The information required for attitude control is the parent-child relationship of links, the initial position of the skeleton structure, the degree of freedom of rotation of each joint, and the limitation of rotation (generally 3 degrees of freedom in the XYZ directions). For a certain skeleton structure, the temporal change of the trajectory of the effector part (maximum, translation 3 elements, rotation 3 elements 6
Inverse kinematics is the method to obtain the angle information of each joint when given the element), and conversely is the method to obtain the position of the effector when a minute time change of the angle of each joint is given. Call it Su. For more information on kinematics, see References: 1) Hirose, Robotics (Shokabo). 2) See Arimoto, Robot Dynamics and Control (Asakura Shoten).

【0013】一般に図3で表されるスケルトン構造の各
関節の角度情報θi(t)(正確には微小時間変化量)とエ
フェクタの姿勢の微小変化量(最大6変数)とは線形の
関係があり、その比例係数行列はヤコビ行列(逆の関係
は逆ヤコビ行列)と呼ばれる。順キネマティックスにつ
いては、図1の姿勢解析部3において図3に示したスケ
ルトン構造からリンクの長さと各ジョイントの回転行列
を逐次的に求めることでヤコビ行列が求まる。さらに、
関節位置指定部1から各関節の角度変化の時系列データ
(図2参照)を与えることで、ある時刻におけるエフェ
クタの位置はヤコビ行列を用いて一意に決定される。一
方逆キネマティックスでは、逆ヤコビ行列を数学的に求
めてそれに関節位置指定部で与えられるエフェクタの姿
勢を作用させることで、各時刻における任意のジョイン
トの位置を求めることができる。
Generally, there is a linear relationship between the angle information θi (t) of each joint of the skeleton structure shown in FIG. 3 (to be precise, a minute time change amount) and the minute change amount of the effector posture (maximum 6 variables). Yes, the proportional coefficient matrix is called the Jacobian matrix (the inverse relationship is the inverse Jacobian matrix). Regarding the forward kinematics, the Jacobian matrix is obtained by sequentially obtaining the link length and the rotation matrix of each joint from the skeleton structure shown in FIG. 3 in the posture analysis unit 3 of FIG. further,
By giving the time-series data (see FIG. 2) of the angle change of each joint from the joint position designation unit 1, the position of the effector at a certain time is uniquely determined using the Jacobian matrix. On the other hand, in inverse kinematics, the position of an arbitrary joint at each time can be obtained by mathematically obtaining the inverse Jacobian matrix and applying the posture of the effector given to the joint position designation unit to it.

【0014】従来良くある解析リンクでは例えば図3に
示した人間の腕の部分や足の部分だけ(簡単な直鎖リン
ク)を解析できた。しかし人間のような複雑な構造の場
合、胴体に当たる部分に複数のスケルトン(例えば腕2
本、足2本)を接続する必要があり、さらに複数のスケ
ルトン(例えば右手から左手まで)に跨ったキネマティ
ックスの解析を行なう必要が生じる。以下に複数のスケ
ルトンに跨った場合のキネマティックス解析法について
説明する。
In the conventional analysis link, for example, only the human arm and foot shown in FIG. 3 (simple linear link) can be analyzed. However, in the case of a complex structure such as a human being, a plurality of skeletons (for example, arm 2
It is necessary to connect two books and two legs), and further it is necessary to analyze kinematics across a plurality of skeletons (for example, from right hand to left hand). The kinematics analysis method when straddling a plurality of skeletons will be described below.

【0015】図5に人間の左右の腕が胴体(Body)を挟
んで接続された場合のスケルトン例を示す。図5の構造
でさらに右腕から左腕に跨った姿勢の解析が要求された
場合、胴体の部分との関節位置がBodyセグメントの異な
った位置(A,B)で接続去れているため、そのままでは
キネマティックスの解析ができない。そこで図5に示す
ように右腕の接続ジョイント位置Aと左腕の接続位置Bと
を直線で結ぶ仮想のリンクを考える(図中一点鎖線)。
さらにA,Bを包含する仮想的なリンク(バウンダリボッ
クスで以下に説明する動力学解析用に用いる)を考え、
右腕と左腕とを結ぶ一本の直鎖リンクとし通常のキネマ
ティックスの計算を実行する。
FIG. 5 shows an example of a skeleton in which the left and right arms of a human being are connected with the body sandwiched therebetween. In the structure shown in Fig. 5, when the analysis of the posture extending from the right arm to the left arm is required, the joint position with the body part is disconnected at the different position (A, B) of the Body segment, so the kinematic I can't analyze the ticks. Therefore, as shown in FIG. 5, consider a virtual link that connects the connection joint position A of the right arm and the connection position B of the left arm with a straight line (dashed line in the figure).
In addition, consider a virtual link that includes A and B (used for the dynamic analysis described below in the boundary box),
The normal kinematics calculation is performed with a single linear link connecting the right and left arms.

【0016】次に姿勢制御におけるジョイントの関節角
度制限について説明する。一般にスケルトン構造の各ジ
ョイントの回転に関する自由度は最大3(XYZ軸回り)
である。これは各ジョイント位置にローカルな座標系を
設定しその各軸回りの回転で指定する。スケルトン構造
を逆運動学(順運動学でも必要)で解く場合、あるジョ
イントの自由度と角度の制限を設定する場合がある。こ
れは、図2で示したデータ構造のJointのTypeとLimitで
設定する。Typeはどの軸について回転が可能かを示し、
Limitはそれぞれの回転軸に対して回転可能な角度範囲
を設定する。人間の腕や足では一般に胴体に対して対象
で、左、右腕の肘の関節は体の外側には曲がらない、こ
れをスケルトンのパラメタとして人間の生体情報とし
て、左ききや右ききパラメタとして腕といったスケルト
ン構造全体に割り当てることで、各ジョイントの角度範
囲を自動的に設定することができる。上記パラメタは予
めデータファイルとして骨格構造を考慮して作成する。
Next, the joint angle limitation of the joint in the posture control will be described. Generally, the maximum degree of freedom for rotation of each joint of skeleton structure is 3 (around XYZ axes)
Is. This is set by setting a local coordinate system at each joint position and rotating around each axis. When solving the skeleton structure with inverse kinematics (which is also necessary for forward kinematics), the degree of freedom and the angle of a joint may be set. This is set by the Type and Limit of Joint of the data structure shown in FIG. Type indicates which axis can be rotated,
Limit sets the angular range that can be rotated with respect to each rotation axis. Human arms and legs are generally targets for the torso, and the elbow joints of the left and right arms do not bend outside the body. By assigning to the entire skeleton structure, the angular range of each joint can be set automatically. The above parameters are created in advance as a data file in consideration of the skeleton structure.

【0017】動力学解析部4では、図3に示すスケルト
ン構造の各リンクに解析用の楕円筒を考える。図6にリ
ンクに割り当てた解析用の円筒を示す。動力学解析に
は、円筒の形状(慣性テンソルを求める)と重心位置、
質量などが必要である。この解析用のリンクを用いてま
ずリンクの慣性テンソルを計算する。計算の原点は各リ
ンクに対してルートに近いジョイントの位置に座標系を
おく。さらに各リンク構造の運動エネルギとポテンシャ
ルエネルギの和(ラグラジアンと呼び)を計算し、ラグ
ラジアンを時間で微分することで図3に示したスケルト
ン構造の各ジョイントに働くトルクが計算できる。
In the dynamic analysis unit 4, an elliptic cylinder for analysis is considered for each link of the skeleton structure shown in FIG. FIG. 6 shows a cylinder for analysis assigned to the link. For the dynamic analysis, the shape of the cylinder (calculating the inertia tensor) and the position of the center of gravity,
Mass etc. are required. First, the inertia tensor of the link is calculated using the link for this analysis. The origin of the calculation is the coordinate system at the position of the joint near the root for each link. Furthermore, the torque acting on each joint of the skeleton structure shown in FIG. 3 can be calculated by calculating the sum of kinetic energy and potential energy of each link structure (referred to as Lagrangian) and differentiating Lagrangian with respect to time.

【0018】一般にあるジョイントに働くトルクτは、
そのジョイントよりルートよりにある全てのジョイント
の角度変化量(角速度と角加速度)θ`iとθ``iとの
線形式で表すことができる。それぞれの比例定数には前
述の慣性テンソルがかかる(トルク計算式の詳細につい
ては前術の参考文献2を参照のこと)。動解析方法には
姿勢解析と同様にスケルトンの各ジョイントの角度変化
を与えてそのジョイントとに働くトルクを求める方法
(逆ダイナミクスとする)とその逆である時刻における
トルクの変化量を求めて、ジョイントの角度情報(角加
速度)を求める方法(順ダイナミクスとする)とがあ
る。
In general, the torque τ acting on a joint is
It can be expressed in a linear form of the angle change amounts (angular velocity and angular acceleration) θ′i and θ′′i of all joints located on the route from the joint. The above-mentioned inertia tensor is applied to each proportional constant (for details of the torque calculation formula, refer to Reference 2 in the previous art). In the dynamic analysis method, as in the case of the posture analysis, the angle change of each joint of the skeleton is given and the torque acting on the joint is calculated (reverse dynamics), and the change amount of the torque at the opposite time is calculated. There is a method of obtaining joint angle information (angular acceleration) (referred to as forward dynamics).

【0019】まず、逆ダイナミックについて以下に説明
する。姿勢制御のところで説明したように図3に示すよ
うな複雑なスケルトン構造のダイナミックスを解析する
場合、腕や足などのスケルトン単位で単独に解析し、そ
の結果をベースとなる胴体(Hips)に接続させる。姿勢
制御のところで求まるスケルトンの各ジョイント位置で
の座標変換行列(リンクベクトルと回転行列からなる4*
4の同次行列)を内部データとして用いる。座標変換行
列Ai(t}をジョイントの数だけ求め、さらにAi(t)の各ジ
ョイント角度θiによる1次と2次の偏微分を計算す
る。さらに上でのべた各リンクの慣性テンソルを計算す
る。
First, the inverse dynamic will be described below. As explained in the posture control, when analyzing the dynamics of a complicated skeleton structure as shown in Fig. 3, the skeleton units such as arms and legs are analyzed individually, and the results are used as the base body (Hips). To connect. Coordinate transformation matrix at each joint position of the skeleton found in attitude control (4 * consisting of link vector and rotation matrix)
4 homogeneous matrix) is used as internal data. Calculate the coordinate transformation matrix Ai (t} by the number of joints, and then calculate the first and second partial derivatives of Ai (t) with respect to each joint angle θi, and further calculate the inertia tensor of each link. .

【0020】慣性テンソルは図6のような解析リンクを
用いるとその底面の形状と質量、さらに長さから一意に
決定される。一方、各ジョイントの角度情報は関節位置
指定部1からフレーム毎の各ジョイントの角度変化とし
て時系列で与えられる。内部的にはこの時系列データか
ら差分近似を用いることで角速度がさらにその差分から
角加速度が計算される。角速度と角加速度、慣性テンソ
ル、さらに座標変換行列Ai(t)の角度微分から、ある時
刻における任意のジョイントに働くトルクが計算でき
る。この処理を逐次的に繰り返すことでトルクの時間変
化が計算できる。
The inertia tensor is uniquely determined from the shape and mass of the bottom surface and the length when an analysis link as shown in FIG. 6 is used. On the other hand, the angle information of each joint is given from the joint position designation unit 1 in time series as the angle change of each joint for each frame. Internally, by using the difference approximation from this time series data, the angular velocity is further calculated and the angular acceleration is calculated from the difference. The torque acting on an arbitrary joint at a certain time can be calculated from the angular velocity and the angular acceleration, the inertia tensor, and the angular derivative of the coordinate transformation matrix Ai (t). By repeating this process sequentially, the time change of torque can be calculated.

【0021】モーションキャプチャなどで得られる人間
のゴルフスイングなどの時間データを用いて、上述のダ
イナミックス計算することで、あるスイングにおける任
意のジョイントに働くトルク特性を計算することが可能
で、姿勢解析に加えてより定量的な運動の解析が可能と
なる。
By using the above-mentioned dynamics calculation by using the time data of a human golf swing obtained by motion capture or the like, it is possible to calculate the torque characteristic acting on an arbitrary joint in a certain swing. In addition to this, it becomes possible to analyze movements more quantitatively.

【0022】次に順ダイナミックスの解析方法について
説明する。解析過程における計算手順は上述の逆ダイナ
ミックスと変わらないが、順ダイナミックスではトルク
の変化を与えて各ジョイントの角度を計算する必要があ
る。これを数式的に解こうとすると偏微分方程式を解く
必要があるが、式の数より変数の数の方が多いので一意
に求められない。そこで線形の近似計算を用いる。トル
クの計算式はジョイントの角度θi(t)の1次と2次の偏
微分の線形式で表せる。そこである時刻tにおけるトル
クが与えられた場合に、時刻tでの角速度θ'i(t)を時刻
t-1までの角速度のデータ系列を用いて差分近似する。
例えば、時刻t-2とt-1での角速度データから直線補間す
れば良い。時刻tでの角速度が求まれば前述のトルクの
関係式から時刻tでの角加速度が一意に決定できる。こ
の操作を求めたいトルクの時間間隔に渡って逐次的に繰
り返すことで、トルクが変化した時のスケルトン構造の
ダイナミクスが計算できる。
Next, a method for analyzing forward dynamics will be described. The calculation procedure in the analysis process is the same as the inverse dynamics described above, but in the forward dynamics, it is necessary to give a change in torque to calculate the angle of each joint. When trying to solve this mathematically, it is necessary to solve a partial differential equation, but it is not possible to uniquely determine because there are more variables than there are equations. Therefore, a linear approximation calculation is used. The formula for calculating the torque can be expressed in the linear form of the first and second partial derivatives of the joint angle θi (t). Therefore, if the torque at a certain time t is given, the angular velocity θ'i (t) at the time t is
Difference approximation is performed using a data series of angular velocities up to t-1.
For example, linear interpolation may be performed from the angular velocity data at times t-2 and t-1. If the angular velocity at time t is obtained, the angular acceleration at time t can be uniquely determined from the above relational expression of torque. By repeating this operation sequentially over the time interval of the desired torque, the dynamics of the skeleton structure when the torque changes can be calculated.

【0023】[0023]

【数1】 [Equation 1]

【0024】以上が関節構造定義部1で定義される解析
構造に、関節位置指定部で与えられる各関節の動作を与
えた場合の姿勢制御方法および動力学計算方法である。
The above is the posture control method and the dynamic calculation method when the motion of each joint given by the joint position designation section is given to the analysis structure defined by the joint structure definition section 1.

【0025】次に以上のようにして求めたスケルトン構
造の運動に対して、人間の肉付けに当たるスキンの生成
方法について説明する。本発明の実施例では関節構造定
義部1で与えられるスケルトンのリンク一本に複数の組
(2か4枚)からなる自由曲面(BezierやSpline)を割
り当てるものとする。図7に1つのリンクに2枚の自由
曲面のスキンを割り当てた場合の図を示す。図ではX軸
の回りにリンクが回転できるものとする。回転の軸に対
して垂直な方向から2枚の自由曲面(1枚あたり25点
の制御点から構成される)を角錐台の頂点および側面の
等分線上に図のように制御点を配置する。このように割
り当てたスキンに対してジョイント部分の曲がりに対す
る変形の方法について説明する。
Next, a method of generating a skin for human fleshing the motion of the skeleton structure obtained as described above will be described. In the embodiment of the present invention, a free-form surface (Bezier or Spline) consisting of a plurality of sets (2 or 4) is assigned to one skeleton link given by the joint structure defining unit 1. FIG. 7 shows a diagram in which two free-form curved surface skins are assigned to one link. In the figure, it is assumed that the link can rotate around the X axis. Two free-form surfaces (consisting of 25 control points per sheet) are arranged in the direction perpendicular to the axis of rotation, and the control points are arranged on the vertices of the truncated pyramid and on the sidelines of the sides as shown in the figure. . A method of deforming the joint portion with respect to the skin thus assigned will be described.

【0026】図8にジョイントの曲がりによるスキンの
変形の説明図を示す。同図(a)はジョイント部分が伸
びた状態を示し、同図(b)はジョイントが角度θだけ
回転したときの様子をしめす。まずジョイント部分にジ
ョイントを中心とする仮想的な球面を考える。この球は
同図(c)に書いたようにジョイント部分の上側のリン
クのバウンダリ(a_up,B_up)で与えられる長方形と下
側のリンクのバウンダリ(a_down,b_down)で与えられ
る長方形の最小の外接球である。関節が曲がった場合に
曲がりの角度θの2等分点の球上の位置に上腕と下腕の
スキンの共通の制御点(P42,P02など)を移動させるこ
とで、関節の曲がりに応じた連続的なスキンの変形が可
能となる。
FIG. 8 shows an explanatory view of the deformation of the skin due to the bending of the joint. The figure (a) shows the state where the joint part is extended, and the figure (b) shows the state when the joint rotates by the angle θ. First, consider a virtual spherical surface centered on the joint at the joint portion. This sphere is the minimum circumscribing of the rectangle given by the boundary (a_up, B_up) of the upper link and the rectangle given by the boundary (a_down, b_down) of the lower link of the joint part, as shown in Fig. 7 (c). It is a sphere. When a joint bends, the common control point (P42, P02, etc.) of the skins of the upper arm and the lower arm is moved to a position on the sphere at the bisector of the angle of bend θ, to respond to the bend of the joint. Continuous skin deformation is possible.

【0027】さらにリンクの長手方向での回転(ねじれ
成分)がある場合、図7に示したスキンのバウンダリ
(角錐台)の変形方法を図9に示す。ねじれの角度が与
えられた場合に上底と下底との中心を結ぶ回転軸回りに
上底を回転させ、その各頂点を結ぶ直線上にスキン変形
の制御点を選ぶ。
FIG. 9 shows a method of deforming the boundary (pyramidal pyramid) of the skin shown in FIG. 7 when there is rotation (twisting component) in the longitudinal direction of the link. When the angle of twist is given, the upper base is rotated around the rotation axis connecting the centers of the upper base and the lower base, and the skin deformation control point is selected on the straight line connecting the respective vertices.

【0028】最後にモーションキャプチャデータから関
節構造の移動量への変換方法について述べる。図1に示
した関節位置指定部1は、関節構造定義部2で定義され
るスケルトンの各関節の変化量を指定する。一般に人間
などの複雑な構造の運動はモーションキャプチャと呼ば
れる方法で作成される。これはモデルとなる人間の関節
位置にセンサーを取りつけ、モデルに運動(ゴルフスイ
ングなど)をさせたときのセンサーの位置を計測するも
ので、最終的にデータは図2に示した関節位置の情報と
して与えられる。上述の姿勢制御や動力学解析で必要と
なるのは主に関節の構造(初期状態)と、各関節のロー
カル座標での角度変化量である。この角度変化量を計算
するために前述のセンサーの位置から解析用のジョイン
ト位置にデータ変換する必要がある。以下にその具体例
について説明する。一般にモーションキャプチャで計測
される3次元座標はセンサーの位置でこれは解析用のジ
ョイント位置とは一般に一致しない。図10に人間の動
作をキャプチャリングする場合の一般的な、計測位置
(センサーの位置で図中の番号点)と解析用のジョイン
トを示す。
Finally, a method of converting the motion capture data into the movement amount of the joint structure will be described. The joint position designation unit 1 shown in FIG. 1 designates the amount of change of each joint of the skeleton defined by the joint structure definition unit 2. Generally, a motion of a complex structure such as a human being is created by a method called motion capture. This is to measure the position of the sensor when the sensor is attached to the joint position of the human model and the model is moved (such as golf swing). Finally, the data is the joint position information shown in FIG. Given as. The above-mentioned posture control and dynamic analysis mainly require the structure of the joint (initial state) and the amount of change in the angle of each joint in local coordinates. In order to calculate this amount of change in angle, it is necessary to perform data conversion from the position of the sensor described above to the joint position for analysis. A specific example will be described below. Generally, the three-dimensional coordinate measured by motion capture is the position of the sensor, which generally does not coincide with the joint position for analysis. FIG. 10 shows a general measurement position (a sensor position is a numbered point in the figure) and a joint for analysis when capturing a human motion.

【0029】この構造で必要となるのは各ジョイント
(図中黒丸)での3次元角度(XYZ軸回りの回転角)で
ある。これを求めるため注目するジョイント(例えば図
中の8)に対してそれを頂点とし、次のジョイントの回
転軸(例えば10、9)上の点(10、9)を頂点とす
る三角形の位置にセンサーを配置する。この三角形8、
9、10に対して図11に示すような外積ベクトルpを
求める。ベクトルpと回転軸ベクトル(9、10)が8
の位置に立てたローカル座標系(XYZ)でそれぞれどれ
だけ回転しているかを求めることでジョイント8での3
自由度の回転角が計算できる。
What is required in this structure is a three-dimensional angle (rotation angle around the XYZ axes) at each joint (black circle in the figure). In order to obtain this, it is set as a vertex for the joint of interest (for example, 8 in the figure), and a point (10, 9) on the rotation axis (for example, 10, 9) of the next joint is set as a vertex at a triangular position Place the sensor. This triangle 8,
The outer product vector p as shown in FIG. Vector p and rotation axis vector (9, 10) are 8
3 in the joint 8 by finding how much each is rotating in the local coordinate system (XYZ) set at the position of
The rotation angle of freedom can be calculated.

【0030】[0030]

【発明の効果】以上のように本発明は、人間の腕や足な
どの複雑な構造の3次元での動きデータを作成する場合
に、人間の構造を解析するスケルトン構造で定義し、そ
の関節部分の制限を設定することで人間の自然な姿勢が
設定できる。また、スケルトンを包含する解析用の容積
を考え、それを用いて動力学解析することで運動の定量
的な解析が可能となる。さらに、上記のスケルトンのリ
ンクに対応した複数のスキンを割り付け、関節の曲がり
に応じてスキンを変形することで立体感のある動き生成
や解析が可能となる。
As described above, according to the present invention, when three-dimensional motion data of a complicated structure such as a human arm or foot is created, the human structure is defined by a skeleton structure and the joints are defined. By setting the restriction of the part, the human's natural posture can be set. In addition, it is possible to quantitatively analyze the motion by considering the volume for analysis including the skeleton and using it to perform the dynamic analysis. Furthermore, by allocating a plurality of skins corresponding to the above skeleton links and deforming the skins according to the bending of the joint, it is possible to generate and analyze a three-dimensional motion.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の実施例における3次元の動き生成装置
の構成図
FIG. 1 is a configuration diagram of a three-dimensional motion generation device according to an embodiment of the present invention.

【図2】関節の時系列データ図[Fig. 2] Time series data chart of joint

【図3】人間のスケルトン構造図[Figure 3] Human skeleton structure diagram

【図4】解析用の内部データ構造を説明図FIG. 4 is an explanatory diagram of an internal data structure for analysis.

【図5】複数のスケルトンに跨った姿勢解析の説明図FIG. 5 is an explanatory diagram of posture analysis across a plurality of skeletons.

【図6】動力学解析用のリンク構造図[Fig.6] Link structure diagram for dynamic analysis

【図7】スキンの生成方法の説明図FIG. 7 is an explanatory diagram of a skin generation method.

【図8】関節部分でのスキン変形の説明図FIG. 8 is an explanatory diagram of skin deformation at a joint portion.

【図9】関節部分でのねじれ方向のスキン変形の説明図FIG. 9 is an explanatory diagram of skin deformation in a twisting direction at a joint portion.

【図10】モーションキャプチャでの計測点と解析用の
ジョイントの説明図
FIG. 10 is an explanatory diagram of joints for measurement points and analysis in motion capture.

【図11】ジョイントの回転角度を求め方の説明図FIG. 11 is an explanatory diagram of how to determine the rotation angle of the joint.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 関節位置指定部 2 関節構造定義部 3 姿勢解析部 4 動力学解析部 5 スキン発生部 1 joint position designation unit 2 joint structure definition unit 3 posture analysis unit 4 dynamics analysis unit 5 skin generation unit

Claims (9)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】人間などの複雑な関節構造を関節とリンク
さらにそれらの位置および接続関係と各関節での動きの
制約条件から構成する関節構造定義部と、前記関節構造
定義部で定義される関節構造の各関節に対して、その自
由度およびその自由度に応じた関節の回転角度と関節の
3次元座標位置および角度、回転の制限を時系列で与え
る関節位置指定部と、前記関節構造定義部で与えられる
関節構造と前記関節位置指定部で与えられる各関節の位
置情報から任意の時刻における関節の位置を求める姿勢
解析部と、前記関節構造定義部で定義される関節の各リ
ンクに対して、質量中心と容積を設定しリンク毎の動力
学特性を計算する動力学解析部とを備えた3次元の動き
生成装置において、前記関節構造定義部で定義される構
造の姿勢を決める方法に関し、複数の関節構造を3次元
空間内での相対的な位置を決めるベースとなるリンクの
異なる位置に接続し、さらに前記複数の関節構造同士を
ベースとなるリンクに跨ってその姿勢を求める際に、前
記複数の関節構造の起点(ルート)となる関節どうしを
直線で結ぶ仮想的なリンクを発生させ、そのリンク構造
に解析の優先順位をつけ、その優先順位に従って複数の
関節と前記仮想的なリンクとに跨った直鎖リンクでの姿
勢解析を行なうことを特徴とする3次元の動き生成方
法。
1. A joint structure defining section configured to link a complicated joint structure of a human or the like with a joint, and their position and connection relationship, and a constraint condition of movement at each joint, and the joint structure defining section. For each joint of the joint structure, a degree of freedom, a joint rotation angle according to the degree of freedom, a three-dimensional coordinate position and angle of the joint, and a joint position designating unit for limiting the rotation in time series; A posture analysis unit that obtains the position of a joint at any time from the joint structure given by the definition unit and the position information of each joint given by the joint position designation unit, and each link of the joint defined by the joint structure definition unit. On the other hand, in a three-dimensional motion generation device including a dynamic analysis unit that sets the center of mass and volume and calculates the dynamic characteristics of each link, the posture of the structure defined by the joint structure definition unit is determined. With respect to the method, a plurality of joint structures are connected to different positions of a base link that determines a relative position in a three-dimensional space, and the postures of the plurality of joint structures are sought over the base link. At this time, a virtual link that connects the joints serving as the starting points (roots) of the plurality of joint structures with a straight line is generated, the analysis priority is given to the link structure, and the plurality of joints and the virtual joint are set according to the priority order. Three-dimensional motion generation method characterized by performing posture analysis on a straight-chain link that straddles a dynamic link.
【請求項2】請求項の1で述べた条件での関節構造のベ
ースとなるリンクの動力学特性を求める際に、動力学解
析に必要となる力学定数としての容積と質量中心とをベ
ースとなる関節構造上に接続された複数の関節構造のル
ート位置を全て包含する3次元でのバンダリ形状を求
め、その仮想的なバウンダリの容積と重心位置を前記動
力学解析用の力学定数の容積および重心位置とし、前記
複数の関節構造およびベースとなる関節構造とに跨った
直鎖リンクの動力学特性を解析することを特徴とする3
次元の動き解析方法。
2. When obtaining the dynamic characteristics of the link which is the base of the joint structure under the condition described in claim 1, the volume and the center of mass as the mechanical constants necessary for the dynamic analysis are used as the base. A three-dimensional boundary shape including all root positions of a plurality of joint structures connected on the joint structure is obtained, and the volume and barycenter position of the virtual boundary are calculated as the volume of the mechanical constant for the dynamic analysis and It is characterized in that the dynamic characteristics of a linear link extending over the plurality of joint structures and the joint structure serving as the base are analyzed at the position of the center of gravity.
Dimensional motion analysis method.
【請求項3】人間などの複雑な関節構造を関節とリンク
さらにそれらの位置および接続関係と関節での動きの制
約条件から構成する関節構造定義部と、前記関節構造定
義部で定義される関節構造の各関節に対して、その自由
度およびその自由度に応じた関節の回転角度と関節の3
次元座標位置および角度、回転の制限を時系列で与える
関節位置指定部と、前記関節構造定義部で与えられる関
節構造と前記関節位置指定部で与えられる各関節の位置
情報から任意の時刻における関節の位置を求める姿勢解
析部と、前記関節構造定義部で定義される関節の各リン
クに対して、質量中心と容積を設定しリンク毎の動力学
特性を計算する動力学解析部とを備えた3次元の動き生
成装置において、前記関節構造定義部で定義される構造
の姿勢を決める方法に関し、動物などの腕や足などの対
象性を考慮して、胴体となるベース関節構造に対して左
右の腕や足の位置関係を考慮し、左右腕に当たる関節構
造の関節には胴体に対して反対側には、関節の回転の制
限を設定する部分で制限を加えることで、実際には曲が
り得ない方向への腕や足の回転の制限を加えることで姿
勢および動力学解析を行なうことを特徴とする3次元の
動き生成方法。
3. A joint structure defining section configured by linking a complex joint structure of a human or the like with a joint, and a positional and connection relationship between them and a constraint condition of movement in the joint, and a joint defined by the joint structure defining section. For each joint in the structure, the degree of freedom and the rotation angle of the joint and the joint
A joint position designation unit that gives time series restrictions on the dimensional coordinate position, angle, and rotation, and a joint at an arbitrary time from the joint structure given by the joint structure definition unit and the position information of each joint given by the joint position designation unit. And a dynamics analysis unit that calculates the dynamic characteristics of each link by setting the center of mass and volume for each link of the joint defined by the joint structure definition unit. In a three-dimensional motion generation device, regarding a method of determining a posture of a structure defined by the joint structure definition unit, in consideration of the symmetry of an arm or a foot of an animal or the like, a right and left sides relative to a base joint structure serving as a torso In consideration of the positional relationship between the arms and legs, the joint structure that hits the left and right arms can be actually bent by limiting the joint rotation on the opposite side of the body. Not in the direction 3 dimensional motion generating method characterized by performing and attitude and dynamic analysis by adding a restriction of the rotation of the foot.
【請求項4】人間などの複雑な関節構造を関節とリンク
さらにそれらの位置および接続関係と関節での動きの制
約条件から構成する関節構造定義部と、前記関節構造定
義部で定義される関節構造の各関節に対して、その自由
度およびその自由度に応じた関節の回転角度と関節の3
次元座標位置および角度、回転の制限を時系列で与える
関節位置指定部と、前記関節構造定義部で与えられる関
節構造と前記関節位置指定部で与えられる各関節の位置
情報から任意の時刻における関節の位置を求める姿勢解
析部と、前記関節構造定義部で定義される関節の各リン
クに対して、質量中心と容積を設定しリンク毎の動力学
特性を計算する動力学解析部とを備えた3次元の動き生
成装置において、前記動力学解析部で解析する関節構造
の運動解析方法に関し、前記関節構造定義部で与えられ
る人間などの関節構造と、前記関節位置指定部で与えら
れる各関節の角度変化の時系列とを用いて関節構造全体
またはよの構造中の指定された一部の動力学特性を計算
し、前記各関節の角度情報の時間変化から任意の時間で
の角度の時間変化量および角度の時間変化量の変化を前
記角度の時系列データから計算し、そのデータとある時
刻における各リンク毎の物理的形状からそのリンクの慣
性テンソルを求め、ある時刻における任意の関節に働く
トルクを前記データから逐次的に計算することで、人間
などの運動を定量的に解析することを特徴とする3次元
の動き生成方法。
4. A joint structure defining section configured by linking a complicated joint structure of a human or the like with a joint, and a position and connection relationship between them and a constraint condition of movement in the joint, and a joint defined by the joint structure defining section. For each joint in the structure, the degree of freedom and the rotation angle of the joint and the joint
A joint position designation unit that gives time series restrictions on the dimensional coordinate position, angle, and rotation, and a joint at an arbitrary time from the joint structure given by the joint structure definition unit and the position information of each joint given by the joint position designation unit. And a dynamics analysis unit that calculates the dynamic characteristics of each link by setting the center of mass and volume for each link of the joint defined by the joint structure definition unit. In a three-dimensional motion generation device, regarding a motion analysis method of a joint structure analyzed by the dynamics analysis unit, regarding a joint structure of a human or the like given by the joint structure definition unit and each joint given by the joint position designation unit. The dynamic characteristics of the entire joint structure or a specified part of the joint structure is calculated using the time series of the angle change, and the time change of the angle at any time is calculated from the time change of the angle information of each joint. And the change in the amount of time change of the angle are calculated from the time series data of the angle, the inertia tensor of the link is obtained from the data and the physical shape of each link at a certain time, and the torque acting on any joint at a certain time. A three-dimensional motion generation method characterized in that the motion of a human being or the like is quantitatively analyzed by sequentially calculating from the above data.
【請求項5】人間などの複雑な関節構造を関節とリンク
さらにそれらの位置および接続関係と関節での動きの制
約条件から構成する関節構造定義部と、前記関節構造定
義部で定義される関節構造の各関節に対して、その自由
度およびその自由度に応じた関節の回転角度と関節の3
次元座標位置および角度、回転の制限を時系列で与える
関節位置指定部と、前記関節構造定義部で与えられる関
節構造と前記関節位置指定部で与えられる各関節の位置
情報から任意の時刻における関節の位置を求める姿勢解
析部と、前記関節構造定義部で定義される関節の各リン
クに対して、質量中心と容積を設定しリンク毎の動力学
特性を計算する動力学解析部とを備えた3次元の動き生
成装置において、ある時刻における前記関節構造の任意
の関節に働くトルクの変化量が分かった時に、その時刻
における任意の関節の角度の変化量(角速度)の時間変
化を、前記関節角度の時系列データおよび角速度の時系
列データから線形近似して求め、ある時刻における前記
トルクの値と前記角速度の値とを用いて、その時刻にお
ける角速度の時間変化量(角加速度)を求めることで、
任意の時間における関節構造の運動を解析することを特
徴とする3次元の動き生成方法。
5. A joint structure defining section configured by linking a complex joint structure of a human or the like with a joint, and a positional and connection relation between them and a constraint condition of movement in the joint, and a joint defined by the joint structure defining section. For each joint in the structure, the degree of freedom and the rotation angle of the joint and the joint
A joint position designation unit that gives time series restrictions on the dimensional coordinate position, angle, and rotation, and a joint at an arbitrary time from the joint structure given by the joint structure definition unit and the position information of each joint given by the joint position designation unit. And a dynamics analysis unit that calculates the dynamic characteristics of each link by setting the center of mass and volume for each link of the joint defined by the joint structure definition unit. In a three-dimensional motion generation device, when the amount of change in the torque acting on an arbitrary joint of the joint structure at a certain time is known, the time change of the amount of change in the angle (angular velocity) of the arbitrary joint at that time is calculated. Obtained by linear approximation from time series data of angle and time series data of angular velocity, using the value of the torque and the value of the angular velocity at a certain time, the time of the angular velocity at that time By obtaining reduction amount (angular acceleration),
A three-dimensional motion generation method characterized by analyzing a motion of a joint structure at an arbitrary time.
【請求項6】人間などの複雑な関節構造を関節とリンク
さらにそれらの位置および接続関係と関節での動きの制
約条件から構成する関節構造定義部と、前記関節構造定
義部で定義される関節構造の各関節に対して、その自由
度およびその自由度に応じた関節の回転角度と関節の3
次元座標位置および角度、回転の制限を時系列で与える
関節位置指定部と、前記関節構造定義部で与えられる関
節構造と前記関節位置指定部で与えられる各関節の位置
情報から任意の時刻における関節の位置を求める姿勢解
析部と、前記関節構造定義部で定義される関節の各リン
クに対して、質量中心と容積を設定しリンク毎の動力学
特性を計算する動力学解析部と、前記関節構造定義部で
定義される人間などの関節構造の各リンクに対して、複
数枚の自由曲面を割り当て、さらに関節の角度変化に応
じてその自由曲面の制御点を移動する機構とを備えたス
キン生成部とを備えた3次元の動き生成装置において、
前記スキン発生部での関節角度の変化に応じた関節部の
自由曲面の制御点位置の決め方に関し、各リンクに対し
て複数枚の自由曲面をリンクを包含する角錐台の変上お
よび側面を等分する直線上に決め、さらに関節部に前記
角錐台の底面の全頂点を包含する仮想球を考え、前記関
節角度が変化した時に関節部での自由曲面の制御点を関
節角度を等分する位置でしかも前記仮想球上にとること
を特徴とする3次元の動き生成方法。
6. A joint structure defining section configured by linking a complicated joint structure of a human or the like with a joint, and a positional and connection relationship between them and a constraint condition of movement in the joint, and a joint defined by the joint structure defining section. For each joint in the structure, the degree of freedom and the rotation angle of the joint and the joint
A joint position designation unit that gives time series restrictions on the dimensional coordinate position, angle, and rotation, and a joint at an arbitrary time from the joint structure given by the joint structure definition unit and the position information of each joint given by the joint position designation unit. A posture analysis section for obtaining the position of the joint, a dynamics analysis section for calculating a dynamic characteristic for each link by setting a center of mass and a volume for each link of the joint defined by the joint structure definition section, and the joint A skin with a mechanism that assigns multiple free-form surfaces to each link of a joint structure such as a human being defined in the structure definition part, and moves the control points of the free-form surface according to the angle change of the joint. In a three-dimensional motion generation device including a generation unit,
Regarding how to determine the control point position of the free-form surface of the joint according to the change of the joint angle in the skin generation part, regarding the change and the side surface of the truncated pyramid including a plurality of free-form surfaces for each link, etc. Consider a virtual sphere that includes all the vertices of the bottom surface of the truncated pyramid in the joint part, and divides the control point of the free-form surface at the joint part into equal joint angles when the joint angle changes. A three-dimensional motion generation method characterized in that the position is taken on the virtual sphere.
【請求項7】人間などの複雑な関節構造を関節とリンク
さらにそれらの位置および接続関係と関節での動きの制
約条件から構成する関節構造定義部と、前記関節構造定
義部で定義される関節構造の各関節に対して、その自由
度およびその自由度に応じた関節の回転角度と関節の3
次元座標位置および角度、回転の制限を時系列で与える
関節位置指定部と、前記関節構造定義部で与えられる関
節構造と前記関節位置指定部で与えられる各関節の位置
情報から任意の時刻における関節の位置を求める姿勢解
析部と、前記関節構造定義部で定義される関節の各リン
クに対して、質量中心と容積を設定しリンク毎の動力学
特性を計算する動力学解析部と、前記関節構造定義部で
定義される人間などの関節構造の各リンクに対して、複
数枚の自由曲面を割り当て、さらに関節の角度変化に応
じてその自由曲面の制御点を移動する機構とを備えたス
キン生成部とを備えた3次元の動き生成装置において、
前記スキン発生部でのリンクのねじれによるスキンの変
形方法に関し、前記関節構造の各リンクを包含する角錐
台を考え、対象とする関節のねじれに関する角度が与え
られた場合に前記角錐台の上底に当たる四角形を下底に
当たる四角形に対する相対的な角度で回転させ、そのね
じれの辺および面上に前記自由曲面の制御点を配置する
ことを特徴とする3次元の動き生成方法。
7. A joint structure defining section configured by linking a complex joint structure of a human or the like with a joint, and a position and connection relationship between them and a constraint condition of movement in the joint, and a joint defined by the joint structure defining section. For each joint in the structure, the degree of freedom and the rotation angle of the joint and the joint
A joint position designation unit that gives time series restrictions on the dimensional coordinate position, angle, and rotation, and a joint at an arbitrary time from the joint structure given by the joint structure definition unit and the position information of each joint given by the joint position designation unit. A posture analysis section for obtaining the position of the joint, a dynamics analysis section for calculating a dynamic characteristic for each link by setting a center of mass and a volume for each link of the joint defined by the joint structure definition section, and the joint A skin with a mechanism that assigns multiple free-form surfaces to each link of a joint structure such as a human being defined in the structure definition part, and moves the control points of the free-form surface according to the angle change of the joint. In a three-dimensional motion generation device including a generation unit,
Regarding a method of deforming a skin by twisting a link in the skin generating part, consider a truncated pyramid that includes each link of the joint structure, and when an angle related to the twist of a target joint is given, the upper base of the truncated pyramid A three-dimensional motion generation method comprising rotating a quadrangle corresponding to a lower base at an angle relative to a quadrangle corresponding to a lower base, and arranging the control points of the free-form surface on the side and surface of the twist.
【請求項8】人間などの複雑な関節構造を関節とリンク
さらにそれらの位置および接続関係と各関節での動きの
制約条件から構成する関節構造定義部と、前記関節構造
定義部で定義される関節構造の各関節に対して、その自
由度およびその自由度に応じた関節の回転角度と関節の
3次元座標位置および角度、回転の制限を時系列で与え
る関節位置指定部と、前記関節構造定義部で与えられる
関節構造と前記関節位置指定部で与えられる各関節の位
置情報から任意の時刻における関節の位置を求める姿勢
解析部と、前記関節構造定義部で定義される関節の各リ
ンクに対して、質量中心と容積を設定しリンク毎の動力
学特性を計算する動力学解析部とを備えた3次元の動き
生成装置において、前記関節位置指定部での関節構造の
各関節の角度変化を計算する方法に関し、前記関節構造
の各関節での3次元座標系の回転角度を計算するため
に、注目する関節を頂点とし回転軸に平行な直線上に他
の2点を取った三角形を考え、前記注目する関節上の頂
点から他の2点に下ろした2本のベクトルの外積ベクト
ルと、前記他の2点を結ぶ直線上のベクトルとを用い
て、前記注目する関節でのXYZ方向の回転角度を計算す
ることを特徴とする3次元の動き生成方法。
8. A joint structure definition unit configured to link a complicated joint structure of a human or the like with a joint, a position and connection relationship between them, and a constraint condition of movement at each joint, and the joint structure definition unit. For each joint of the joint structure, a degree of freedom, a joint rotation angle according to the degree of freedom, a three-dimensional coordinate position and angle of the joint, and a joint position designating unit for limiting the rotation in time series; A posture analysis unit that obtains the position of a joint at any time from the joint structure given by the definition unit and the position information of each joint given by the joint position designation unit, and each link of the joint defined by the joint structure definition unit. On the other hand, in a three-dimensional motion generation device including a dynamic analysis unit that sets the center of mass and volume and calculates the dynamic characteristics of each link, the angle change of each joint of the joint structure in the joint position designation unit Regarding the calculation method, in order to calculate the rotation angle of the three-dimensional coordinate system at each joint of the joint structure, consider a triangle with the target joint as the vertex and two other points on a straight line parallel to the rotation axis. , Using the cross product vector of two vectors dropped from the apex on the joint of interest to the other two points and the vector on the straight line connecting the other two points, in the XYZ directions at the joint of interest A three-dimensional motion generation method characterized by calculating a rotation angle.
【請求項9】人間などの複雑な関節構造を関節とリンク
さらにそれらの位置および接続関係と各関節での動きの
制約条件から構成する関節構造定義部と、前記関節構造
定義部で定義される関節構造の各関節に対して、その自
由度およびその自由度に応じた関節の回転角度と関節の
3次元座標位置および角度、回転の制限を時系列で与え
る関節位置指定部と、前記関節構造定義部で与えられる
関節構造と前記関節位置指定部で与えられる各関節の位
置情報から任意の時刻における関節の位置を求める姿勢
解析部と、前記関節構造定義部で定義される関節の各リ
ンクに対して、質量中心と容積を設定しリンク毎の動力
学特性を計算する動力学解析部とを備えた3次元の動き
生成装置において、人間の運動を関節の3次元位置また
は角度情報として取り込んだデータを、前記関節位置指
定部において解析用の構造に変換し、前記関節構造定義
部で解析用の関節構造に設定し、その構造について、前
記姿勢解析部または動力学解析部で関節毎のトルク特性
を計算し、複数の人間の運動に対して前記解析結果を比
較することでそれぞれの運動を定量的に比較することを
特徴とする3次元の動き解析方法。
9. A joint structure definition unit configured to link a complicated joint structure of a human or the like with a joint, a position and connection relationship between them, and a constraint condition of movement at each joint, and the joint structure definition unit. For each joint of the joint structure, a degree of freedom, a joint rotation angle according to the degree of freedom, a three-dimensional coordinate position and angle of the joint, and a joint position designating unit for limiting the rotation in time series; A posture analysis unit that obtains the position of a joint at any time from the joint structure given by the definition unit and the position information of each joint given by the joint position designation unit, and each link of the joint defined by the joint structure definition unit. On the other hand, in a three-dimensional motion generation device including a dynamic analysis unit that sets the center of mass and volume and calculates the dynamic characteristics of each link, the human motion is used as three-dimensional position or angle information of the joint. The imported data is converted into a structure for analysis in the joint position designation unit, set as a joint structure for analysis in the joint structure definition unit, and the structure is jointed in the posture analysis unit or the dynamics analysis unit. A three-dimensional motion analysis method characterized in that torque characteristics are calculated for each and the motions of a plurality of humans are compared with each other to quantitatively compare the motions.
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