JPH10116351A

JPH10116351A - 多関節構造体の運動像生成方法及びそれを記録した記録媒体及びそれを使った運動像生成装置

Info

Publication number: JPH10116351A
Application number: JP22342197A
Authority: JP
Inventors: Ken Tsutsuguchi; けん筒口; Yasuhito Suenaga; 康仁末永; Yasuhiko Watabe; 保日児渡部; Noboru Sonehara; 曽根原　　登
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1996-08-21
Filing date: 1997-08-20
Publication date: 1998-05-06
Anticipated expiration: 2017-08-20
Also published as: JP3516377B2

Abstract

(57)【要約】【課題】多関節構造体の各部の運動に寄与するパラメ
ータを分かり易く、かつ個別に制御可能とする。【解決手段】肩関節に連結された上腕及び上腕に肘関
節を介して連結された下腕をそれぞれ近似する剛体棒の
運動を、それぞれの拘束面内の角度位置の時間変化とし
て補間法及び／又は物理法則に基づく運度方程式により
それぞれモデル化し、生成結果を合成して出力する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、多関節構造体で
モデル化された人物像の運動像（アニメーション）をコ
ンピュータグラフィックスにより生成する方法、特に関
節で接続された剛体棒で構成された多関節構造体により
モデル化された人物の肩と腕の運動像の生成方法、及び
その方法を記録した記録媒体、及びその方法を使った運
動像生成方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来人物アニメーションを生成する方法
としては、ロボットアームのように関節で連結された剛
体リンクにより人間の手、脚、躰、頭などを多関節構造
体としてモデル化するのが一般的である。その場合、各
リンクの位置及び方向を極座標パラメータ、或いは円筒
座標パラメータ、或いはEuler 角によって表している。
或いはＤ−Ｈ（Denavit-Hartenberg)法では、複数のリ
ンクが関節で順次連結された多関節構造体において、ｉ
番目のリンクにおける関節−リンクパラメータをJoint_i
=[a_i,α_i,d_i,θ_i]と表し、それによってリンクの運動を
表している（文献K.S.Fu et al, "ROBOTICS:Control, S
ending, Vision, and Intelligence", McGraw-Hill, 19
87）。いずれの場合も、それらのパラメータを使って運
動する躰の各部位の像を生成する方法として、(1) 線形
或いは初等関数などを用いた補間法、(2) 運動方程式を
立てて初期条件と終期条件を満足するよう数値計算する
方法、(3) ビデオカメラによる撮影画像から人体の関節
位置などの特徴点を抽出したり、磁気センサや電気セン
サなどにより人体の位置変化を測定した運動データを適
用する方法などを用いている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】これらのパラメータを
使ってアニメーションを作成する場合、それらのパラメ
ータが例えば腕或いは脚の動きの大きさや方向にどの様
に直接的に（視覚的に）寄与するか分かりにくかった
り、個々のパラメータを直接制御することができなかっ
たり、個々のパラメータに対する運動の生成方法を制御
することが困難であるため、熟練を必要とし、作業能率
を高めることができない問題があった。

【０００４】

【課題を解決するための手段】この発明の目的は、人体
を関節で連結された剛体棒の多関節構造体でモデル化
し、その運動像を生成する場合に、多関節構造体の各剛
体の動きに寄与するパラメータが分かりやすく、個別の
制御が可能であり、又個々のパラメータに対する運動生
成方法を任意に選択できたり、組み合わせたりすること
を可能とする運動像生成方法、及びその方法を使った運
動像生成装置、その方法を記録した記録媒体を提供する
ことである。

【０００５】この発明による方法は、両肩及び両腕を含
む人体を、関節で連結された複数の剛体棒で構成される
多関節構造体によりモデル化し、人物の運動のモデル化
した運動像を生成する方法であり、以下のステップを含
む： (a) 上記腕をモデル化した剛体棒が、それらが連結され
た関節を中心としてそれぞれ面内で運動可能とする拘束
平面を規定し、(b) 上記拘束平面内でそれぞれの上記腕
をモデル化した剛体棒の角度位置を規定するパラメータ
をそれぞれ決定し、それら角度位置を規定するパラメー
タに対する剛体棒の運動モデルを形成し、(c) 上記パラ
メータの時間変化を計算して上記剛体棒の運動を生成す
る。

【０００６】この発明による装置は、両肩及び両腕を含
む人体を、関節で連結された複数の剛体棒で構成される
多関節構造体によりモデル化し、人物の運動像を生成す
る装置であり、以下を含む：上記腕の剛体棒をそれぞれ
の拘束面内に配置する配置モデル化手段と、上記肩の関
節の位置を計算する肩位置計算手段と、上記腕の剛体棒
の運動を表す運動モデルを決定する運動モデル化手段
と、上記運動モデルに応じて、任意の時刻における腕の
配置を示す角度位置を計算する腕角度計算手段。

【０００７】

【発明を実施する形態】図１はこの発明の原理を説明す
るための多関節構造体と、その各部の運動を示す。この
発明の原理は、人間の構造を、図１に示すように剛体棒
を関節で連結して構成した両肩と両腕を含む多関節構造
体でモデル化し、各肩関節に連結された腕を、その連結
部を通る拘束平面内で回動可能とし、上記腕の位置を拘
束面内の基準線に対する角度で規定する。従って、腕の
位置を規定するパラメータは角度のみであり、その角度
は運動像における腕の角度位置を直接的に表しているの
で、アニメーション制作時における多関節構造体の各部
の運動設定が容易であり、かつ角度位置制御が単純であ
る。

【０００８】図１において、左右両肩関節13_L、13_Rを結
ぶ長さ２Ｗの剛体棒１１は人間の両肩間をモデル化し、
その剛体棒１１の中心Ｏを座標系(x,y,z) の基準位置(x
_o,y_o,z_o)に置くものとする。また剛体棒１１の中心Ｏを
垂直に通るｙ軸（鉛直軸）を中心として剛体棒１１を回
動して得られる円１４の法線は人体の軸方向（背骨の方
向）を表している。図１の例では円１４はx-z 面内にあ
るが、後述のように、円１４の面はｙ軸と直交しないで
もよい。右肩関節13_Rには剛体棒でモデル化された右上
腕12₁ の一端が回動可能に連結され、その上腕12₁ の他
端に剛体棒でモデル化された右下腕12₂ が回動可能に連
結されている。剛体棒１１の一端（即ち、肩関節13_R）
の３次元空間における座標(x_s,y_s,z_s)は、x-z 平面への
投影とｚ軸と成す角θ、及び肩幅２Ｗを与えることによ
り次式 x_S＝x₀＋Ｗsinθ y_S＝y₀ z_S＝z₀＋Ｗcosθ により一義的に定まる。

【０００９】長さL₁の上腕12₁ の動きは、その上端、即
ち、肩関節13_Rにおける円１４との接線15a を含む平面
１５上に拘束されているものとする。この面を拘束面と
呼ぶ。即ち、上腕12₁ は肩関節13_Rを中心にこの拘束面
１５内で回動可能である。その上腕12₁ の角度位置は、
剛体棒１１とｙ軸とを含む平面と、拘束面１５との交わ
る直線15b を基準線とし、基準線15b と上腕12₁ の成す
角φ₁ によって規定される。拘束面１５のｙ軸と成す角
ρは上腕12₁ の身体からの開き角を表し、上腕12₁ の基
準線15b に対する角φ₁ は身体に対する前後方向の振れ
角度位置を表している。図１に示してない右側の腕につ
いても同様にその角度位置が規定される。

【００１０】図１の例では更に、上腕12₁ の下端（肘関
節１６）に接続された長さL₂の下腕12₂ の運動も上腕12
₁ と同じ拘束面１５内に拘束され、上腕12₁ の延長線と
成す角φ₂ によりその角度位置を規定した場合を示して
いる。下腕12₂ の角度位置を表すパラメータφ₂ も人物
像モデルの下腕12₂ の姿勢を直接的に表すパラメータで
ある。

【００１１】これに対し、従来は人物アニメーション中
の各特徴点（例えば目、鼻、つま先、肘、等）の位置を
座標(x,y,z) で表し、それらの移動を線形補間又は運動
方程式により表すことにより運動像を生成していたが、
座標(x,y,z) をパラメータとして使った場合、特徴点の
座標から観察者が３次元におけるアニメーションの姿勢
を理解するのは容易でない。又、円筒座標や極座標を用
いて表す場合でも、角度パラメータの表現が実際の人間
の直感的な制御と一致しないため、パラメータの把握が
容易でない。即ち、パラメータがどの様な運動に寄与し
ているか分かりにくいため、例えば運動像を生成するた
めの人物像の各部の移動境界条件を感覚的に決めること
が容易でない。

【００１２】即ち、この発明が適用される腕１２を規定
するパラメータρ、φ₁、φ₂は観察者が人物像モデルの
姿勢を直接的に理解可能とさせるパラメータであり、各
パラメータがどの様な運動に寄与するか明確であり、従
って、これらのパラメータを使って人間の運動像を生成
を制御するのに都合がよい。従って、この発明では、こ
の様に人体の腕の動きを、拘束面上に角度パラメータに
より規定された腕の位置の移動として表すことが特徴で
ある。

【００１３】この様にして、この発明では、人間像の腕
の位置を、拘束面上の角度パラメータで規定し、更に以
下に説明するようにその角度パラメータの時間変化を使
って腕の動きを表現する。角度パラメータを使って腕の
運動をモデル化する方法は、前述したと同様に例えば
(1) ２つの境界条件間を補間してモデル化する方法、
(2) ２つの境界条件を満足する運動方程式によりモデル
化する方法、(3) 測定データを利用する方法、等が可能
である。

【００１４】線形補間による運動モデル化方法では、角
度φ₁、φ₂を一般化座標ｑで表し、時刻ｔでの座標をq
(t), 時刻t₁, t₂での座標をそれぞれq₀=q(t₀)、q₁=q
(t₁)とすると、最も単純な等角速度線形補間による時刻
ｔでの上腕及び下腕の角度位置φ ₁(t)、φ₂(t)は次式で
与えられる。

【００１５】

【数１】ただしt₀≦t≦t₁及び-π＜φ₁＜π、０＜φ₂＜π であ
る。この直線補間は角度パラメータφ₁、φ₂が時間の線
形変数であると近似した運動モデル化である。非線形補
間による運動モデル化の例として、正弦補間法を使った
例を次に示す。人間の腕の振れの角速度が振れの両限界
で０となるよう正弦関数により近似すると、腕の角度位
置を時間変数により次のように表すことができる。

【００１６】

【数２】ただし

【００１７】

【数３】物理法則に従った運動方程式によりモデル化する例とし
ては、Ｌをこの系のラグランジャンとし、ｑをこの系の
一般化座標とし、Ｆｑをｑに関する一般化力とすると、
次のラグランジュ運動方程式

【００１８】

【数４】によって各部の運動をモデル化する。図２はこの発明に
よる多関節構造体の運動像生成装置２０の構成を示す。
この運動像生成装置２０は、配置モデル化部２１、関節
位置決定部２２、運動モデル化部２３及び角度計算部２
４から成る。配置モデル化部２１が腕１２の運動の表現
に必要な情報を入力する入力部６に接続されている。角
度計算部２４は計算した各剛体棒の角度位置を出力し、
表示部７に与え、表示部７は剛体棒により構成された３
次元多関節構造体を２次元面に投影して、その投影モデ
ルの運動像を表示する。

【００１９】腕の運動のモデル化は上述のどの方法を使
ってもよい。腕１２の運動像の生成に必要な情報、例え
ば肩の座標(x_S,y_S,z_S)、上腕12₁ の長さL₁、下腕12₂ の
長さL₂、上腕及び下腕の初期角度位置φ₁，φ₂、初期角
度位置における初期角速度、等を配置モデル化部２１に
入力する。運動方程式を使う場合は、上腕、下腕の質量
も入力する。

【００２０】配置モデル化部２１は、腕１２の構造を剛
体による物理振子で近似して腕モデル化すると共に、各
種の物理量（上腕及び下腕の長さ、質量、重心位置、最
大伸展角度、最大屈曲角度、慣性モーメント等）を決定
し、これら腕モデル及び決定した物理量を出力する。関
節位置決定部２２は配置モデル化部２１の剛体による物
理振子の支点となる肩関節13_Rの位置を計算する。肩関
節の位置計算方法は、それが３次元空間内の点として座
標値及び速度、加速度が計算されるものであればどの様
なものでもよい。

【００２１】運動モデル化部２３は、関節位置決定部２
２で決定した関節位置に対し、指定されたモデル化方法
に従って配置モデル化部２１から出力された腕の配置モ
デルと物理量を使って、運動状態を表す補間式、又は運
動方程式を作成し、運動モデルとする。次に、腕角度計
算部２４は運動モデル化部２３で決定された運動モデル
の式に応じて、ある時刻ｔにおける腕の配置を示す角度
を計算する。ただし、後で説明するように、複数の運動
モデルを使いそれぞれにより角度位置の計算も行ってよ
い。

【００２２】図１の配置モデルでは、両肩間の剛体棒１
１はｙ軸を中心として予め決めた角度範囲内で回転可能
であり、肩関節の座標位置(x_S,y_S,z_S)は肩のｙ軸を中心
とする角θと半肩幅Ｗで規定される場合を示したが、人
物像モデルの動きをよりリアルに表現できるようにする
ため、肩間剛体棒１１を更にｘ軸を中心に所定角度範囲
内で回転可能としてもよい。その場合の配置モデルを図
３に示す。この例では、剛体棒１１はｙ軸を中心に角度
θ、ｘ軸を中心に角度δ回転した状態にある。従って、
肩関節の座標(x_S,y_S,z_S)は角度θ、δ及び半肩幅Ｗで次
式 x_S＝x₀＋Ｗcosδsinθ y_S＝y₀＋Ｗsinδ z_S＝z₀＋Ｗcosδcosθ により規定される。両肩間の剛体棒１１を鉛直座標軸ｙ
を中心に回転させる場合に、その回転により左右両腕１
２は互いに外側に遠心力を受ける。この遠心力に応じて
拘束面１５の、鉛直座標軸ｙに対する角ρを変化させて
もよい。この発明では、この様に任意に与えられた肩関
節座標(x_S,y_S,z_S)に対し、腕12₁，12₂の動きを拘束面内
において角度位置φ₁，φ₂により規定する。

【００２３】図１及び３の配置モデルでは、上腕12₁ と
下腕12₂ が同一拘束面１５内で運動可能なモデルを示し
たが、腕モデルの運動を実際の腕の運動により近く表現
することができるようにするため、拘束面１５を肘関節
を通る直線で図４に示すように２つの面15₁，15₂に分割
し、上腕12₁ と下腕12₂ に対する拘束面を互いに独立に
設けてもよい。下腕12₂ を含む拘束面15₂ は上腕12₁ を
軸として予め決めた角度範囲内で回転可能とする。この
拘束面15₂ の回転角をξとすると、拘束面15₂内の下腕1
2₂ の角度位置は、角φ₂ ，ξによって規定することが
できるので、肘関節１６の座標(x_E,y_E,z_E)が規定されれ
ば、下腕12₂ の位置もこれらのパラメータを用いて容易
に規定できる。

【００２４】図２の実施例では、運動モデル化部２３で
選択した１つの運動モデル化方法に基づいて腕角度計算
部２４で各部の運動を表現する場合を示したが、補間法
では、人間の歩行動作に付随する腕の運動など、腕の運
動自体が主な目的ではない動作の像を生成するような場
合、動作が一様で変化に乏しくなる問題がある。運動方
程式に基づいて動作を表現する場合は、モデルの構築方
法によって自由度が増加し、大量の計算コストを要する
問題がある。更に、ビデオカメラによる運動人体の撮影
画像データや、磁気センサなどによる位置検出データか
らアニメーションを作成する方法では、様々な動作場面
への適用が困難であるため、多種の動作データを収拾す
る必要がある問題がある。これらの点を改善した実施例
を図５に示す。

【００２５】この実施例の基本的構成は図２の実施例と
同様であるが、異なる点は、運動モデル化部２３に複数
（ここでは３種類）のモデル化部23a，23b，23cが設け
られ、腕１２の運動状態を異なる方法でそれぞれモデル
化する。また、腕角度計算部２４には、運動モデル化部
２３の各モデル化部23a，23b，23cに対応した計算部24
a，24b，24cが設けられている。更に、それらの角度を
重み付き合成する角度合成出力部２６が設けられてい
る。以下にこの実施例に付いて説明する。

【００２６】配置モデル化部２１は図２の場合と同様
に、入力部６から入力された人間の多関節モデルの各部
の寸法、質量、形状、境界条件（可動範囲）、等のデー
タが与えられ、それらに基づいて関節で連結された剛体
棒で構成された構造体、ここでは腕モデルの各部の配置
を行う。なお、図４では剛体棒１１を中心に反時計回り
の方向が正となるようにφ₁，φ₂をとっているが、腕１
２の配置が一意的に表現できる座標であればどの様にと
ってもよい。

【００２７】次に、関節位置決定部２２は肩関節13R、1
3Lの位置を計算する。肩のモデルは肩関節の座標(x_S,
y_S,z_S)が計算できるものであれば、図３又は図４のもの
を用いてもよいし、他のものでもよい。運動モデル化部
２３は、図４で示した系における腕モデルの運動状態の
モデル化を、この例では３つの異なる方法でそれぞれ行
う。即ち、配置モデル化部２１で決定された腕モデル及
び物理量に対して運動方程式によるモデル化や補間式に
よるモデル化を決定して出力する。

【００２８】例えば、図６に１つの拘束面１５内で示す
ように、時刻t₀にq₀=(t₀) の状態、時刻t₁にq₁=q(t₁)の
状態、時刻t₂にq₂=q(t₂)の状態をとるような系であると
し、φ₁、φ₂ に対する拘束条件を例えば-π/2<φ₁<π/
2、0<φ₂<πとする。運動モデル化部23a では、これら
の状態q₀，q₁，q₂間を線形に、即ちq(t₀)→q(t₁)，q
(t₁)→q(t₂)をそれぞれ一定の速度で運動する状態であ
るとし、任意の時点ｔにおける角度位置及び／又は角速
度を表す運動状態の式を線形補間法を使って表す。

【００２９】運動モデル化部23b ではこれらの状態q₀，
q₁，q₂間を例えば正弦曲線で近似される速度で運動する
状態であるとし、任意の時点ｔにおける角度位置及び／
又は角速度を表す運動状態の式を正弦補間法を使って表
す。運動モデル化部23c ではこれらの状態q₀，q₁，q₂を
物理法則に従う運動状態であるとし、例えばｑをこの系
の一般化座標(φ₁，φ₂)、として、前述のラグランジュ
の運動方程式（６）によって導かれる運動であるものと
する。その際、一般化力は系が状態q₀，q₁，q₂を表すこ
とができるものであればどの様なものでもよい。

【００３０】続いて、腕角度計算部２４において、腕１
２の角度を計算する。計算部24a では運動モデル化部23
a の運動状態に基づいて、t₀〜t₂間の時刻ｔに対する角
度φ ^a ₁(t)及びφ^a ₂(t)を計算する。離散的な時系列t₀，
t₀+Δt，t₀+2Δt，…，t₂を用いる場合は、t^k=t₀+Δt，
0≦k≦(t₂-t₀)/Δtとして、角度φ^a ₁(t^k)及びφ^a ₂(t^k)
を計算する。

【００３１】計算部24b では、運動モデル化部23b の運
動状態に基づき、腕１２の角度φ^b ₁(t)及びφ^b ₂(t)或い
は角度φ^b ₁(t^k)及びφ^b ₂(t^k)を計算する。計算部24c で
は、運動モデル化部23c の運動状態に基づき、腕１２の
角度φ^c ₁(t)及びφ^c ₂(t)或いは角度φ^c ₁(t^k)及びφ^c ₂(t
^k)を計算する。角度合成・出力部２６は、腕角度計算部
２４から出力されたφ^j _i(t)或いはφ^j _i(t^k)(i=1,2; j=
a,b,c)を重み付き合成する。例えば、α＋β＋γ＝１、
0≦[α,β,γ]≦1 であるような実数α、β、γを重み
として用いて、 φ_i(t)＝αφ^a _i(t)+βφ^b _i(t)+γφ^c _i(t)，i=1, 2, (7) 或いは φ_i(t^k)＝αφ^a _i(t^k)+βφ^b _i(t^k)+γφ^c _i(t^k)，i=1, 2, 0≦k≦(t₂-t₀)/Δt (8) と表す。重みα、β、γのいずれか１つが１で残りが０
の場合は図２の実施例と同じになる。

【００３２】又、運動モデルの合成を上述のような角度
ではなく、各運動状態における角速度の出力値を式(7),
(8) のような一次結合によって合成し、その後に関節角
度を計算してもよい。この様にして得られた各時点ｔに
おける上腕12₁ 及び下腕12₂の角度位置φ₁ 及びφ₂ は
表示部７に出力される。その結果、自然な運動に近い多
様な腕１２の運動状態を少ない計算量で表現することが
できる。

【００３３】この例では、腕１２の動きを両肩間剛体棒
１１の運動に付随するものとして効率的に計算すること
が可能となる。更に、複数の運動状態の計算結果を重ね
合わせることにより、例えば線形変化のみの運動を表現
したり、動力学的運動のみを表現したりすることがで
き、また、これらを任意に合成すれば様々な運動状態を
表現することが可能となる。

【００３４】この例では、q₀→q₁→q₂の方向に運動する
場合に付いて示したが、逆にq₂→q₁→q₀の方向に運動す
る場合や、或いは周期的な運動の場合でも全く同様であ
る。上述の式(7),(8) で示す合成は多関節構造体のれぞ
れの剛体棒で異なる組み合わせをとってもよい。その場
合、それぞれの剛体棒に対し必要とされる運動の正確
さ、或いは複雑さに応じて運動モデルの組み合わせを選
択するとにより、演算量を効率的に割り当てることがで
きる。そのような組み合わせを積極的に可能とする実施
例を図７を参照して次に説明する。この実施例では、人
体をモデル化した多関節構造体の各パラメータに対し、
別々に、処理効率上及び／又は要求されるリアリティに
応じて最適な運動モデル化方法を選択し、実施する。そ
のため、この実施例においては、運動モデル適用部２７
が運動モデル化部２３と腕角度計算部２４との間に設け
られ、各剛体棒毎にどの運動モデル化法（又は定数）を
適用するかを決めるようにされている。また、この実施
例では、運動モデル適用部２７と腕角度計算部２４との
組を複数、ここでは３組設け、腕をモデル化する剛体棒
に対する運動モデル化法の適用の異なる組を複数組用意
し、必要に応じて、これら運動モデル化法の適用の異な
る組による腕角度計算結果を合成出力部で重み付き合成
する。

【００３５】配置モデル化部２１は、腕の配置を例えば
図４に示したように決定する。即ち、パラメータを、進
行方向軸回りの肩の回転角δ（肩の揺動を表す）、鉛直
方向軸回りの肩の回転角θ、上腕を含む拘束面15₁ の、
鉛直面からの回転角ρ（脇の下の広がり角を表す）、拘
束面15₁ における上腕12₁ の角φ₁ 、下腕12₂ を含む拘
束面15₂ の上腕12₁ を軸とする回転角ξ、拘束面15₂ に
おける下腕の角φ₂ 、のように取り、基準位置Ｏを例え
ば図４の肩の中点に取るものとする。

【００３６】次に、関節位置決定部２２において、図４
の原点に指定した点Ｏの位置を決定する。配置モデル化
部２１において原点Ｏの座標(x₀,y₀,z₀)を他の点に指定
した場合には、その位置を決定する。例えば、点Ｏが身
体の他の部分の運動から導くことができるような場合、
他の部分のある点を原点Ｏと接続する、等である。次
に、運動モデル化部２３において、複数の使用すべき運
動モデル化法の手順を決定する。本実施例では３通りの
運動モデル化法を例として上げているが、他の任意の手
法が更に加わってもさしつかえない。

【００３７】例えば23a では動力学を用いる。この場
合、よく知られている力学上の手法でこの系に対する前
述のラグランジュの運動方程式(6) を立てる。ここで、
一般化座標ｑは前記δ、θ、ρ^R，ρ^L，φ^R ₁，φ^L ₁，φ
^R ₂，φ^L ₂、ξ^R，ξ^Lを表し、一般化力Fqはそれぞれの座
標に対応するトルクである。ただし、添え字Ｒ，Ｌはそ
れぞれ右側、左側を表す。この場合、それぞれの座標に
対する１０個の運動方程式が存在することになる。

【００３８】例えば23b では、線形補間法により各時刻
のパラメータの値を決定する。例えば運動の初期時刻t₀
におけるある状態パラメータｑの値q₀、終期時刻t₁にお
けるｑの値q₁が決まっている場合、その間の任意の時刻
ｔ(t₀≦ｔ≦t₁)における値を線形補間により決定する。
t₀である途中の時刻t_m(t₀≦t_m≦t₁)における値q_mが決ま
っている場合も同様である。この様な途中の値は幾つあ
ってもよい。また、初期時刻t₀から終期時刻t₁までの一
定の値を取るような場合も含まれる。

【００３９】例えば23c では、正弦関数補間のような非
線形補間法により各時刻でのパラメータの値を決定す
る。23b と同様にある時刻における値が決定されている
場合に、例えばその時刻にその値を取るような２次方程
式、３次方程式、初等関数などの組み合わせによって、
各時刻ｔにおけるパラメータｑの値を決定する。次に、
運動モデル適用部２７において、実際に計算を行う腕の
運動状態を決定する。例えば、(a) 全パラメータについ
て動力学計算を行う場合は上記23a のみを用い、(b) あ
るパラメータについては一定値とし、残りのパラメータ
は23b を用い、(c) あるパラメータについては一定値と
し、残りのパラメータのうち一部は23a を用い、残りの
パラメータのうち一部は23b を用い、残りのパラメータ
については23c を用いる、などである。これによって、
全部のパラメータの計算方法が決定されることになる。

【００４０】腕角度計算部２４では、上記決定した各パ
ラメータの計算方法に従って、計算部24a、24b、24c に
より実際の角度計算を行う。その場合、計算の効率化を
行うため、各時刻において、(a) モデル化部23b、23cの
うち、他のパラメータの値に依存しないものがあれば計
算し、(b) モデル化部23b、23cのうち、他のパラメータ
の値に依存するものがあれば計算し、(c) モデル化部23
a により規定されたパラメータの計算を行う、の順序に
沿って行ってもよい。腕角度計算部２４で計算された結
果をそのまま出力値として用いてもよいが、パラメータ
の計算方法の他の他の運動モデルの組み合わせを用いた
手法が可能である。そこで、図７の実施例では、それぞ
れの剛体棒に対し適用すべき運動モデルの組み合わせ
を、運動モデル適用部２７で選択した運動モデルの組と
は異なる組み合わせで選択し、それに基づいて腕角度の
計算をするため、運動モデル適用部２７と角度計算部２
４の組と同様の組27',24'及び27",24"を設けている。腕
角度計算部24, 24', 24"からのそれぞれ対応する剛体棒
についての角度位置計算結果は、合成・出力部２６にお
いて各出力値に対し適当な重み付け合成を行い、表示部
７に出力する。その重み付き合成を行う場合、各時刻に
おける角度の値を合成してもよいし、各時刻における角
速度の値を合成してもよい。

【００４１】この実施例により、例えば図４において全
てのパラメータを動力学を用いて計算する場合に比べて
計算時間を短縮できる効果を生じ、また、あるパラメー
タの値のみ、恣意的に変化させたり、或いは一定値に保
つようなことが可能となる効果が得られる。以上この発
明の代表的装置例、方法例、それらの変形例を、腕１２
の運動状態を表現する場合についてのみ述べたが、脚な
どの運動状態を表現する場合に付いてもこの発明を適用
することができることは明かである。

【００４２】図２、５及び８で説明したこの発明による
運動像生成方法は、予めメモリなどの記録媒体に処理手
順として記憶されており、その記録媒体から読み出した
処理手順に従ってコンピュータあるいはＤＳＰにより運
動像生成が実行される。

【００４３】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、関節で連結された剛体棒から成る多関節構造体のそ
れぞれの剛体棒の運動を、拘束面内のパラメータで表現
することにより、それらのパラメータの、運動への寄与
がより具体的に把握できるので、アニメーション画像の
作成を、熟練を要せずに効率的に実行することができ
る。又、関節を剛体物理振子により近似したモデルと
し、そのモデルに対して運動方程式を立てて関節の運動
を表現するので、腕などの関節の運動をより現実的に計
算できる。又、複数の運動モデル化を行い、腕を表現す
るためのパラメータに対してそれぞれ任意の運動状態を
適用すれば、効率のよい運動生成が実現できると共に、
個々のパラメータに対する制御が容易であり、更に、複
数の運動状態による生成角度や生成角速度を合成するの
で、様々な運動状態を表現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の原理を説明するための多関節構造体
モデルの例を示す図。

【図２】この発明の運動像生成装置の実施例を示すブロ
ック図。

【図３】図１の多関節構造体モデルにおいて肩に対する
パラメータを増やした場合のモデルを示す図。

【図４】図１の多関節構造体モデルにおいて上腕と下腕
が異なる拘束面内にある場合の多関節構造体モデルを示
す図。

【図５】この発明の運動像生成装置の他の実施例を示す
ブロック図。

【図６】同一拘束面内にある上腕と下腕の運動のモデル
化を説明するための図。

【図７】この発明の運動像生成装置の更に他の実施例を
示すブロック図。

フロントページの続き (72)発明者曽根原登東京都新宿区西新宿三丁目19番２号日本電信電話株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】両肩及び両腕を含む人体を、関節で連結
された複数の剛体棒で構成される多関節構造体によりモ
デル化し、人物の運動のモデル化した運動像を生成する
方法であり、以下のステップを含む： (a) 上記腕をモデル化した剛体棒が、それらが連結され
た関節を中心としてそれぞれ面内で運動可能とする拘束
平面をそれぞれ規定し、 (b) 上記拘束平面内でそれぞれの上記腕をモデル化した
剛体棒の角度位置を規定するパラメータをそれぞれ決定
し、それら角度位置を規定するパラメータにより上記剛
体棒の運動モデルを形成し、 (c) 上記運動モデルに従って上記角度位置の時間変化を
計算して上記腕の剛体棒の運動を生成する。
【請求項２】請求項１に記載の運動像を生成する方法
において、上記ステップ(b) はそれぞれ剛体棒の上記パ
ラメータに対し物理法則を用いた運動モデル化と、上記
物理法則以外の運動モデル化とを選択して適用するステ
ップを含む。
【請求項３】請求項２に記載の運動像を生成する方法
において、上記物理法則以外による運動モデル化の方法
は複数設けられている。
【請求項４】請求項２又は３に記載の運動像を生成す
る方法において、上記ステップ(b) は上記剛体棒のパラ
メータに対し、異なる複数の運動モデル化を行うステッ
プを含み、上記ステップ(c) はそれぞれの運動モデルに
より生成されたパラメータを重み付き合成するステップ
を含む。
【請求項５】請求項２又は３に記載の運動像を生成す
る方法において、上記ステップ(b) は上記関節に連結さ
れた剛体棒の運動を物理振子により近似したモデルと
し、上記物理振子のモデルに対して運動方程式をたてて
上記剛体棒の運動を表すステップを含む。
【請求項６】請求項５に記載の運動像を生成する方法
おいて、上記物理振子は、上記腕の上腕及び下腕に対応
し、一端で関節により互いに連結された２つの剛体棒を
含み、一方の剛体棒の他端は肩の関節に連結されてい
る。
【請求項７】請求項２又は３に記載の運動像を生成す
る方法において、上記ステップ(b) は上記剛体棒の物理
振子の支点となる関節の位置を計算するステップを含
み、上記ステップ(c) は上記運動方程式に応じてある時
刻における上記剛体棒の配置を示す角度位置又は角速度
を計算するステップを含む。
【請求項８】請求項７に記載の運動像を生成する方法
において、上記ステップ(b) は上記剛体棒の運動に対し
複数の異なるモデル化を行うステップを含み、上記ステ
ップ(c) はそれぞれのモデル化により剛体棒の角度位置
又は角速度を求め、それらを重み付き合成することによ
り上記剛体棒の運動の状態を表すステップを含む。
【請求項９】請求項１に記載の運動像を生成する方法
において、上記ステップ(b) は関節に連結された上記剛
体棒の運動を物理振子により近似して腕モデルとし、上
記腕モデルに対して運動方程式及び補間法を適用してそ
れぞれ運動モデル化式を決定し、上記腕モデルの物理振
子の支点となる関節の位置を計算するステップを含み、
上記ステップ(c) はそれぞれの上記運動モデル化式によ
りある時刻における上記腕の配置を示す角度位置又は角
速度を計算し、それらの角度位置又は角速度を重み付き
合成して上記腕の運動状態を表すステップを含む。
【請求項１０】請求項９に記載の運動像を生成する方
法において、上記ステップ(b) は上記運動モデル化に伴
い、上記腕の上腕及び下腕の長さ、質量、重心位置、最
大伸展角度、最大屈曲角度、等を含む物理量を決定する
ステップを含む。
【請求項１１】請求項９に記載の運動像を生成する方
法において、上記運動方程式は、上記腕を近似したモデ
ルによる運動が上記関節を近似したモデルによる運動と
仮定して決定する。
【請求項１２】請求項９に記載の運動像を生成する方
法において、上記運動方程式は、予め設定された運動を
表す関数と重ね合わされ、上記腕の運動を表現する。
【請求項１３】請求項９に記載の運動像を生成する方
法において、上記関節の位置の計算は、３次元空間内の
点として座標値、速度及び加速度を計算するステップを
含む。
【請求項１４】請求項４又は９に記載の運動像を生成
する方法において、上記重み付き合成は、線形重み付き
合成である。
【請求項１５】請求項４又は９に記載の運動像を生成
する方法において、上記重み付き合成は、非線形重み付
き合成である。
【請求項１６】請求項４又は９に記載の運動像を生成
する方法において、上記重み付き合成の重みは時間とと
もに変化される。
【請求項１７】請求項９に記載の運動像を生成する方
法において、両肩を結ぶ剛体棒の運動を規定するパラメ
ータは、その剛体棒の中心を通る鉛直な座標軸の回りに
上記剛体棒を回転させる角度θを含む。
【請求項１８】請求項１７に記載の運動像を生成する
方法において、上記両肩を結ぶ剛体棒の運動を規定する
パラメータは、上記剛体棒を水平な座標軸の回りに回転
させる角度δを含む。
【請求項１９】請求項１７に記載の運動像を生成する
方法において、上記剛体棒の鉛直座標軸を中心とする上
記回転に伴う両腕の回転で生じる遠心力に対応して、上
記両腕をモデル化する剛体棒がそれぞれ存在する拘束面
の、上記鉛直座標軸に対する角度ρを決めるステップを
含む。
【請求項２０】両肩及び両腕を含む人体を、関節で連
結された複数の剛体棒で構成される多関節構造体により
モデル化し、人物の動作の運動像を生成する装置であ
り、以下を含む：それぞれの剛体棒をそれぞれの拘束面
内に配置する配置モデル化手段と、上記肩の関節の位置を計算する肩位置計算手段と、上記剛体棒の運動を表す運動モデルを決定する運動モデ
ル化手段と、上記運動モデルに応じて、任意の時刻における腕の配置
を示す角度位置を計算する腕角度計算手段。
【請求項２１】請求項２０に記載の運動像を生成する
装置において、上記運動モデル化手段は、上記両腕の剛
体棒の運動を複数の異なるモデルでモデル化する複数の
モデル化部を含み、上記腕角度計算手段は上記複数のモ
デル化部により決められた運動モデルに従ってそれぞれ
上記腕の角度位置又は角速度を計算する複数の計算部を
含み、上記装置は更に、上記腕角度計算手段の複数の計
算部により計算された複数の角度位置又は角速度を重み
付き合成して上記腕の角度位置又は角速度を得る角度合
成・出力手段を含む。
【請求項２２】請求項２０に記載の運動像を生成する
装置において、上記運動モデル化手段は、上記両腕の剛
体棒の運動を複数の異なるモデルでモデル化する複数の
モデル化部を含み、上記腕角度計算手段は上記複数のモ
デル化部により決められた運動モデルに従ってそれぞれ
上記腕の角度位置又は角速度を計算する複数の計算部を
含み、上記装置は更に、各上記剛体棒毎に上記複数のモ
デル化部のどの運動モデルを使用して角度位置を求める
かを選択指定する運動モデル適用手段を含む。
【請求項２３】請求項２２に記載の運動像を生成する
装置において、上記運動モデル適用手段と上記腕角度計
算手段の組が複数設けられ、それぞれの剛体棒に対し選
択する運動モデルの組を互いに異なるように決め、上記
複数の組のそれぞれの上記腕角度計算手段の出力する角
度位置又は角速度を、対応する剛体棒毎に重み付き合成
する合成出力手段を含む。
【請求項２４】請求項２１又は２２に記載の運動像を
生成する装置において、上記複数の異なる運動モデルは
物理法則に基づく運動方程式による運動モデルと、補間
法に基づく運動モデルを含む。
【請求項２５】請求項２４に記載の運動像を生成する
装置において、上記補間法に基づく運動モデルは、上記
剛体棒を等角速度運動と近似して線形補間によりモデル
化する運動モデルと、上記剛体棒の運動角速度を正弦関
数で近似して正弦関数補間によりモデル化する運動モデ
ルと、上記剛体棒の運動を物理法則に従った運動方程式
によりモデル化する運動モデルとを含む。
【請求項２６】請求項２１又は２２に記載の運動像を
生成する装置において、上記配置モデル化手段は上記腕
の運動を、肩を始点とする物理振子として配置モデル化
する手段である。
【請求項２７】請求項２６に記載の運動像を生成する
装置において、上記物理振子は、上記腕の上腕及び下腕
に対応し、一端で関節により互いに連結された２つの剛
体棒を含み、一方の剛体棒の他端は肩の関節に連結され
ている。
【請求項２８】請求項２０に記載の運動像を生成する
装置において、上記運動モデル化手段は上記腕を近似し
た腕モデルによる運動と上記肩を近似した肩モデルによ
る運動とを互いに独立にモデル化する手段である。
【請求項２９】請求項２０に記載の運動像を生成する
装置において、上記運動モデル化手段は上記腕を近似し
た腕モデルの運動方程式に、予め設定された運動を表す
関数を重ね合わせてモデル化する手段である。
【請求項３０】請求項２０に記載の運動像を生成する
装置において、上記配置モデル化手段は、上記肩をモデ
ル化した剛体棒をその長さ方向の中心で鉛直座標軸の回
りに所定角度θの範囲で回動するようモデル化する手段
を含む。
【請求項３１】請求項３０に記載の運動像を生成する
装置において、上記配置モデル化手段は、上記肩をモデ
ル化した剛体棒をその長さ方向の中心で水平軸の回りに
所定角δの範囲で回動するようモデル化する手段を含
む。
【請求項３２】両肩及び両腕を含む人体を、関節で連
結された複数の剛体棒で構成される多関節構造体により
モデル化し、人物の運動像を生成する処理手順を記録し
た記録媒体であり、上記処理手順は以下の手順を含む： (a) 上記腕をモデル化した剛体棒が、それが連結された
関節を中心としてそれぞれ面内で運動可能とする拘束平
面をそれぞれ規定し、 (b) 上記拘束平面内でそれぞれの上記剛体棒の角度位置
を規定するパラメータをそれぞれ決定し、それらの角度
位置を規定するパラメータにより上記剛体棒の運動モデ
ルを形成し、 (c) 上記パラメータの時間変化を計算して上記腕をモデ
ル化した剛体棒の運動を生成する。
【請求項３３】請求項３２に記載の運動像を生成する
記録媒体において、上記手順(b) はそれぞれ剛体棒の上
記パラメータに対し物理法則を用いた運動モデル化と、
上記物理法則以外の運動モデル化とを選択して適用する
手順を含む。
【請求項３４】請求項３２に記載の運動像を生成する
記録媒体において、上記手順(b) は関節に連結された上
記剛体棒の運動を物理振子により近似して腕モデルと
し、上記腕モデルに対して運動方程式及び補間法を適用
してそれぞれ運動モデル化式を決定し、上記腕モデルの
物理振子の支点となる関節の位置を計算する手順を含
み、上記手順(c) はそれぞれの上記運動モデル化式によ
りある時刻における上記腕の配置を示す角度位置又は角
速度を計算し、それらの角度位置又は角速度を重み付き
合成して上記腕の運動状態を表す手順を含む。