KR100697975B1 - 인간형 다관절체의 애니메이션 생성 장치 및 그 방법 - Google Patents

Abstract

1. 청구범위에 기재된 발명이 속한 기술분야

본 발명은, 인간형 다관절체의 애니메이션 생성 장치 및 그 방법에 관한 것임.

2. 발명이 해결하려고 하는 기술적 과제

본 발명은, 레퍼런스 데이터를 이용하여 인간형 다관절체의 동작을 제어하는 관절 제어기의 파라미터를 설정하고, 상기 인간형 다관절체의 최상위 관절의 회전 및 위치를 조절하기 위한 가상 관절 제어기를 구비함으로써, 레퍼런스 데이터와 동역학 시뮬레이션의 다양한 연결을 용이하게 하고, 사용자가 복잡한 관절 제어기를 원리를 이해하지 않아도 쉽게 원하는 행동패턴을 가지는 다관절체를 생성할 수 있도록 하기 위한, 인간형 다관절체의 애니메이션 생성 장치 및 그 방법을 제공하는데 그 목적이 있음.

3. 발명의 해결방법의 요지

본 발명은, 인간형 다관절체의 애니메이션 생성 장치에 있어서, 애니메이션에 이용할 인간형 다관절체를 생성하기 위한 다관절체 생성수단; 상기 다관절체 생성수단에서 생성한 인간형 다관절체의 동작을 제어하기 위한 관절 제어수단; 상기 다관절체 생성수단에서 생성한 인간형 다관절체의 최상위 관절의 회전 및 위치를 조절하기 위한 가상 관절 제어수단; 레퍼런스(reference) 데이터를 이용하여 상기 관절 제어수단의 파라미터를 설정하기 위한 파라미터 설정수단; 상기 인간형 다관 절체의 주변 환경을 생성하기 위한 환경 생성수단; 및 상기 환경 생성수단에서 생성한 환경에서 상기 인간형 다관절체를 제어하여 동역학 시뮬레이션을 수행하기 위한 물리 시뮬레이션수단을 포함함.

4. 발명의 중요한 용도

본 발명은 인간형 다관절체의 애니메이션 생성 등에 이용됨.

동역학 시뮬레이션, 인간형 다관절체, 3차원 애니메이션, 모션캡쳐 데이터, 가상 관절 제어기

Description

인간형 다관절체의 애니메이션 생성 장치 및 그 방법{Apparatus and method for creating animation of human-like figures}

도 1 은 종래의 인간형 다관절체의 애니메이션 생성 방법에 대한 일실시예 흐름도,

도 2 는 종래의 인간형 다관절체의 애니메이션 생성 방법에 대한 다른 실시예 흐름도,

도 3 은 본 발명에 따른 인간형 다관절체의 애니메이션 생성 장치의 일실시예 구성도,

도 4 는 본 발명에 따른 인간형 다관절체의 애니메이션 생성 방법의 일실시예 흐름도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

31 : 다관절체 생성부 32 : 관절 제어부

33 : 가상 관절 제어부 34 : 파라미터 설정부

35 : 환경 생성부 36 : 물리 시뮬레이션 엔진

본 발명은 인간형 다관절체의 애니메이션 생성 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 레퍼런스 데이터를 이용하여 인간형 다관절체의 동작을 제어하는 관절 제어기의 파라미터를 설정하고, 상기 인간형 다관절체의 최상위 관절의 회전 및 위치를 조절하기 위한 가상 관절 제어기를 구비함으로써, 레퍼런스 데이터와 동역학 시뮬레이션의 다양한 연결을 용이하게 하고, 사용자가 복잡한 관절 제어기를 원리를 이해하지 않아도 쉽게 원하는 행동패턴을 가지는 다관절체를 생성할 수 있도록 하기 위한, 인간형 다관절체의 애니메이션 생성 장치 및 그 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 동역학 시뮬레이션을 이용한 인간형 다관절체의 애니메이션 기법은 다관절체의 각 조인트에 제어기를 장착하고, 이 제어기에서 발생된 힘이나 토크를 바탕으로 이루어진다.

지금까지는 이러한 제어기를 생성(파라미터 설정)하는데 있어서 주로 사람의 수작업이나 역동역학(inverse dynamics)을 이용하였다.

도 1 은 종래의 인간형 다관절체의 애니메이션 생성 방법에 대한 일실시예 흐름도이다.

먼저, 애니메이션에 이용할 인간형 다관절체를 생성한다(101). 이때, 관절의 기하학적인 정보뿐만 아니라 인간형 다관절체의 모든 물리적인 정보를 설정하여야 한다. 예를 들면, 관절이 낼 수 있는 최대 토크의 양이나 관절에 연결된 인체의 질량과 같은 것들이다.

이후, 상기 생성한 인간형 다관절체의 동작을 제어하는 관절 제어기의 파라미터를 설정한다(102). 여기서, 상기 관절 제어기는 애니메이션 생성에 있어서 가장 중요한 역할을 한다. 따라서, 원하는 동작(예를 들어, 걷기, 뛰기, 앉기 등)을 생성하기 위해 관절 제어기에 알맞은 파라미터를 설정하여야 한다. 이때, 설정하는 방식은 수작업을 통해 원하는 동작이 나올 때까지 관절 제어기의 파라미터를 조정하거나, 수치해석적인 방법을 통한 최적화 문제를 풀어서 관절 제어기의 파라미터를 조정한다.

이후, 상기 인간형 다관절체의 주변 환경(일예로 위치하는 지면(ground plane))을 생성한다(103). 이때, 주변 환경은 지면의 기하학적인 정보뿐만 아니라, 지면의 마찰계수 등과 같은 정보를 포함한다.

이후, 상기 생성한 주변 환경에서 인간형 다관절체를 제어하여 동역학 시뮬레이션을 수행한다(104). 여기서, 시뮬레이션 과정은 1/100정도의 샘플링 타임으로 시뮬레이션의 결과를 지속적으로 업데이트하며, 이때 모든 샘플링 타임에서의 업데이트된 결과가 최종적인 애니메이션이 된다.

이후, 사용자는 상기 최종적인 애니메이션을 확인하여 만족스럽지 못하면 관절 제어기의 파라미터를 다시 조정한 후 상기 과정을 반복 수행한다.

여기서, 상기 최종적인 애니메이션 확인 과정은 기준값을 설정하여 자동으로 시뮬레이션 결과를 판단할 수도 있다.

도 2 는 종래의 인간형 다관절체의 애니메이션 생성 방법에 대한 다른 실시예 흐름도이다.

먼저, 애니메이션에 이용할 인간형 다관절체를 생성한다(201).

이후, 레퍼런스(reference) 데이터를 이용하여 상기 생성한 인간형 다관절체의 동작을 제어하는 관절 제어기의 파라미터를 설정한다(202). 이때, 이득은 고정된다. 여기서, 상기 관절 제어기는 비례 미분 제어기이고, 상기 레퍼런스 데이터는 키 프레임이다.

이후, 상기 인간형 다관절체의 주변 환경(일예로 위치하는 지면(ground plane))을 생성한다(203). 이때, 주변 환경은 지면의 기하학적인 정보뿐만 아니라, 지면의 마찰계수 등과 같은 정보를 포함한다.

이후, 상기 생성한 주변 환경에서 인간형 다관절체를 제어하여 동역학 시뮬레이션을 수행한다(204). 여기서, 시뮬레이션 과정은 1/100정도의 샘플링 타임으로 시뮬레이션의 결과를 지속적으로 업데이트하며, 이때 모든 샘플링 타임에서의 업데이트된 결과가 최종적인 애니메이션이 된다.

이후, 상기 시뮬레이션 결과와 레퍼런스 데이터를 섞어(blending) 상기 시뮬레이션 결과를 보정한다(205).

이후, 사용자는 상기 최종적인 애니메이션을 확인하여 만족스럽지 못하면 관절 제어기의 파라미터를 다시 조정한 후 상기 과정을 반복 수행한다.

여기서, 상기 최종적인 애니메이션 확인 과정은 기준값을 설정하여 자동으로 시뮬레이션 결과의 정합성을 판단할 수도 있다.

이러한 종래의 인간형 다관절체의 애니메이션 생성 방법은, 사용자에 의해 임의로 설정된 파라미터에 따라 관절 제어기를 제어(생성)하거나, 키 프레임에 따라 관절 제어기를 제어(생성)하기 때문에 실제 의도했던 애니메이션을 생성할 수 없는 문제점이 있다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 레퍼런스 데이터를 이용하여 인간형 다관절체의 동작을 제어하는 관절 제어기의 파라미터를 설정하고, 상기 인간형 다관절체의 최상위 관절의 회전 및 위치를 조절하기 위한 가상 관절 제어기를 구비함으로써, 레퍼런스 데이터와 동역학 시뮬레이션의 다양한 연결을 용이하게 하고, 사용자가 복잡한 관절 제어기를 원리를 이해하지 않아도 쉽게 원하는 행동패턴을 가지는 다관절체를 생성할 수 있도록 하기 위한, 인간형 다관절체의 애니메이션 생성 장치 및 그 방법에 관한 것이다.

본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 장치는, 인간형 다관절체의 애니메이 션 생성 장치에 있어서, 애니메이션에 이용할 인간형 다관절체를 생성하기 위한 다관절체 생성수단; 상기 다관절체 생성수단에서 생성한 인간형 다관절체의 동작을 제어하기 위한 관절 제어수단; 상기 다관절체 생성수단에서 생성한 인간형 다관절체의 최상위 관절의 회전 및 위치를 조절하기 위한 가상 관절 제어수단; 레퍼런스(reference) 데이터를 이용하여 상기 관절 제어수단의 파라미터를 설정하기 위한 파라미터 설정수단; 상기 인간형 다관절체의 주변 환경을 생성하기 위한 환경 생성수단; 및 상기 환경 생성수단에서 생성한 환경에서 상기 인간형 다관절체를 제어하여 동역학 시뮬레이션을 수행하기 위한 물리 시뮬레이션수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.

한편, 본 발명의 방법은, 인간형 다관절체의 애니메이션 생성 방법에 있어서, 애니메이션에 이용할 인간형 다관절체를 생성하는 단계; 레퍼런스(reference) 데이터를 이용하여 상기 생성한 인간형 다관절체의 동작을 제어하는 관절 제어기의 파라미터를 설정하는 단계; 상기 인간형 다관절체의 최상위 관절의 회전 및 위치를 조절하는 가상 관절 제어기의 이득을 조절하는 단계; 상기 인간형 다관절체의 주변 환경을 생성하는 단계; 및 상기 생성한 주변 환경에서 인간형 다관절체를 제어하여 동역학 시뮬레이션을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 관절 제어기를 통하여 원하는 시간에 원하는 자세를 취하게 동역학 시뮬레이션을 제어한다.

또한, 본 발명은 여러 가지의 행동패턴을 관절 제어기를 통해서 블렌딩(blending)할 수 있다.

상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 3 은 본 발명에 따른 인간형 다관절체의 애니메이션 생성 장치의 일실시예 구성도이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 인간형 다관절체의 애니메이션 생성 장치는, 애니메이션에 이용할 인간형 다관절체를 생성하기 위한 다관절체 생성기(31), 상기 다관절체 생성기(31)에서 생성한 인간형 다관절체의 동작을 제어하기 위한 관절 제어기(32), 상기 다관절체 생성기(31)에서 생성한 인간형 다관절체의 최상위 관절(일예로 골반)의 회전 및 위치를 조절하기 위한 가상 관절 제어기(33), 레퍼런스(reference) 데이터를 이용하여 상기 관절 제어기(32)의 파라미터를 설정하기 위한 파라미터 설정부(34), 상기 인간형 다관절체의 주변 환경(일예로 위치하는 지면(ground plane))을 생성하기 위한 환경 생성부(35), 및 상기 환경 생성부(35)에서 생성한 환경에서 상기 인간형 다관절체를 제어하여 동역학 시뮬레이션을 수행하기 위한 물리 시뮬레이션 엔진(36)을 포함한다.

여기서, 상기 파라미터 설정부(34)는 사용자로부터 입력받은 데이터를 이용 하여 상기 관절 제어기(32)의 파라미터를 설정할 수도 있다.

또한, 상기 가상 관절 제어기(33)는 초기 이득값이 설정되어 있으며, 상기 이득값은 사용자에 의해 조정 가능하다.

본 발명은 상기 물리 시뮬레이션 엔진(36)으로부터의 시뮬레이션 결과를 출력하기 위한 출력부(도면에는 도시되어 있지 않음)를 더 포함할 수도 있다.

도 4 는 본 발명에 따른 인간형 다관절체의 애니메이션 생성 방법의 일실시예 흐름도이다.

먼저, 애니메이션에 이용할 인간형 다관절체를 생성한다(401).

이후, 레퍼런스(reference) 데이터를 이용하여 상기 생성한 인간형 다관절체의 동작을 제어하는 관절 제어기의 파라미터를 설정한다(402). 이때, 이득을 고정하지 않음으로써, 다양하게 조정되어 질 수 있고 결과적으로 원하는 동작을 생성할 수 있다. 여기서, 상기 관절 제어기는 비례 미분 제어기가 바람직하고, 상기 레퍼런스 데이터는 키 프레임뿐만 아니라, 모션캡쳐 데이터를 포함한다.

그리고, 상기 인간형 다관절체의 최상위 관절(일예로 골반)의 회전 및 위치를 조절하는 가상 관절 제어기의 이득을 조절한다(403).

이후, 상기 인간형 다관절체의 주변 환경(일예로 위치하는 지면(ground plane))을 생성한다(404). 이때, 주변 환경은 지면의 기하학적인 정보뿐만 아니라, 지면의 마찰계수 등과 같은 정보를 포함한다.

이후, 상기 생성한 주변 환경에서 인간형 다관절체를 제어하여 동역학 시뮬레이션을 수행한다(405). 여기서, 시뮬레이션 과정은 1/100정도의 샘플링 타임으로 시뮬레이션의 결과를 지속적으로 업데이트하며, 이때 모든 샘플링 타임에서의 업데이트된 결과가 최종적인 애니메이션이 된다.

이후, 사용자는 상기 시뮬레이션 결과를 확인하여 만족스럽지 못하면 관절 제어기의 파라미터 및 가상 관정 제어기의 이득을 다시 조정한 후 상기 과정을 반복 수행하고, 만족스러우면 종료한다. 이때, 상기 최종적인 애니메이션 확인 과정은 기준값을 설정하여 자동으로 시뮬레이션 결과의 정합성을 판단할 수도 있다.

여기서, 상기 "402" 과정에 대해 좀 더 상세히 살펴보면 하기와 같다.

먼저, 모션캡쳐 데이터를 이용하여 직접적으로 제어할 수 있는 관절 제어기를 구성한다. 이때, 관절 제어기의 기본적인 구조로는 'Inertia-scaled Proportional Derivative(PD) Controller'가 바람직하다.

상기 관절 제어기는 기준값이 잘 지정되어 있는 경우 매우 안정적인 컨트롤 결과를 보여주며, 그 구조 또한 매우 직관적이다. 이때, 상기 인간형 다관절체의 각 내부 관절들에 적용되는 관절 제어기는 하기의 [수학식 1]과 같다.

여기서,

는 관절에 적용될 토크의 양이고, I는 해당 관절에 적용되는 관성모멘트(moment of inertia)이며,

와

는 제어기의 이득(gain)에 해당되는 부분으로, 각각 스프링의 역할을 하는 부분과 댐퍼의 역할을 하는 부분이다.

그리고,

와

는 원하는(desired) 관절각과 각속도로서, 이 값들은 모션캡쳐 데이터와 동일한 값으로 설정하여 입력으로 들어오는 모션캡쳐 데이터와 동일한 관절각을 가지려고 계속적으로 힘을 물리 시뮬레이션 엔진으로 전달한다.

사용자는

와

를 조정하며 그 반응 속도를 더 빠르거나 느리게 할 수 있으며, 발생하는 토크의 양도 조절할 수 있다. 일반적으로, 충분히 값을 주었을 경우는 모션캡쳐 데이터와 거의 동일한 관절각을 가지게 할 수 있으며, 값을 줄여주었을 경우는 중력 및 기타 외력의 영향에 크게 지배되는 움직임을 가지게 된다.

이러한 원리를 이용하여 이득을 시간에 따라 보간(interpolation)할 경우 모션캡쳐 데이터와 동역학 시뮬레이션간의 자연스러운 연결이 가능할 뿐만 아니라 다양한 움직임을 생성할 수 있다.

뿐만 아니라, 두 개 이상의 동작으로부터 관절 제어기를 생성하여, 이 제어기에서 발생하는 토크들을 적절히 블렌딩(blending)할 수 있으며, 결과적으로 신체의 각 부위에 발생하는 토크를 각 모션캡쳐 데이터들로부터 직접 설정할 수 있다.

특히, 이러한 관절 제어기(피드백 제어기)는 항상 사용자가 원하는 자세를 원하는 시간에 맞춰줄 수 있기 때문에, 이러한 원리를 이용하면 동역학 시뮬레이션을 제어함에 있어 기존의 애니메이터들에게 친숙한 키프레임을 이용한 애니메이션 제작방식과 유사한 제작환경을 제공할 수 있다.

다음으로, 상기 "403" 과정에 대해 좀 더 상세히 살펴보면 하기와 같다.

상기 "402" 과정에서 내부 관절각에 대한 토크 제어를 설명하였다. 하지만, 내부 관절각만을 조정하여 실제 모션캡쳐 데이터와 동일한 동작을 얻어내기는 힘들다.

이론적 완벽하게 실제 물리적인 환경이 설정된 경우라면 인간형 다관절체는 입력 동작과 동일한 동작을 할 것이지만, 실제 다관절체의 경우 모션캡쳐 데이터 이용시 많은 근사과정이 들어갔기 때문에 그렇지 못하다. 특히, 지면과 발바닥과의 반발력 모델이 조금이라도 틀린 경우, 전체적인 움직임에서 큰 오차가 발생하게 된다.

이를 보정해주기 위해서 가상적인 관절을 최상위 관절과 지면 사이에 생성한다. 기본적으로는 내부 관절 제어기와 동일한 역할을 하나, 최상위 관절의 회전뿐만 아니라, 위치도 조정 가능하도록 하기의 [수학식 2]와 같은 가상 관절 제어기를 추가한다.

여기서, F는 발생하는 힘, M은 관절에 영향을 미치는 질량이며, P 와

는 각각 최상위 관절의 위치와 속도를 나타낸다.

상술한 바와 같은 본 발명의 방법은 프로그램으로 구현되어 컴퓨터로 읽을 수 있는 형태로 기록매체(씨디롬, 램, 롬, 플로피 디스크, 하드 디스크, 광자기 디 스크 등)에 저장될 수 있다. 이러한 과정은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있으므로 더 이상 상세히 설명하지 않기로 한다.

이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.

상기와 같은 본 발명은, 레퍼런스 데이터를 이용하여 인간형 다관절체의 동작을 제어하는 관절 제어기의 파라미터를 설정하고, 상기 인간형 다관절체의 최상위 관절의 회전 및 위치를 조절하기 위한 가상 관절 제어기를 구비함으로써, 레퍼런스 데이터와 동역학 시뮬레이션의 다양한 연결을 용이하게 하고, 사용자가 복잡한 관절 제어기를 원리를 이해하지 않아도 쉽게 원하는 행동패턴을 가지는 다관절체를 생성할 수 있도록 하는 효과가 있다.

Claims (7)

1. 인간형 다관절체의 애니메이션 생성 장치에 있어서,

   애니메이션에 이용할 인간형 다관절체를 생성하기 위한 다관절체 생성수단;

   상기 다관절체 생성수단에서 생성한 인간형 다관절체의 동작을 제어하기 위한 관절 제어수단;

   상기 다관절체 생성수단에서 생성한 인간형 다관절체의 최상위 관절의 회전 및 위치를 조절하기 위한 가상 관절 제어수단;

   레퍼런스(reference) 데이터를 이용하여 상기 관절 제어수단의 파라미터를 설정하기 위한 파라미터 설정수단;

   상기 인간형 다관절체의 주변 환경을 생성하기 위한 환경 생성수단; 및

   상기 환경 생성수단에서 생성한 환경에서 상기 인간형 다관절체를 제어하여 동역학 시뮬레이션을 수행하기 위한 물리 시뮬레이션수단

   을 포함하는 인간형 다관절체의 애니메이션 생성 장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 물리 시뮬레이션수단으로부터의 시뮬레이션 결과를 출력하기 위한 출력수단

   을 더 포함하는 인간형 다관절체의 애니메이션 생성 장치.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 관절 제어수단은,

   이득이 고정되지 않은 비례 미분 제어기인 것을 특징으로 하는 인간형 다관절체의 애니메이션 생성 장치.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 레퍼런스 데이터는,

   모션캡쳐 데이터인 것을 특징으로 하는 인간형 다관절체의 애니메이션 생성 장치.
5. 인간형 다관절체의 애니메이션 생성 방법에 있어서,

   애니메이션에 이용할 인간형 다관절체를 생성하는 단계;

   레퍼런스(reference) 데이터를 이용하여 상기 생성한 인간형 다관절체의 동작을 제어하는 관절 제어기의 파라미터를 설정하는 단계;

   상기 인간형 다관절체의 최상위 관절의 회전 및 위치를 조절하는 가상 관절 제어기의 이득을 조절하는 단계;

   상기 인간형 다관절체의 주변 환경을 생성하는 단계; 및

   상기 생성한 주변 환경에서 인간형 다관절체를 제어하여 동역학 시뮬레이션을 수행하는 단계

   를 포함하는 인간형 다관절체의 애니메이션 생성 방법.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 동역학 시뮬레이션 결과를 출력하는 단계

   를 더 포함하는 인간형 다관절체의 애니메이션 생성 방법.
7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,

   상기 레퍼런스 데이터는,

   모션캡쳐 데이터인 것을 특징으로 하는 인간형 다관절체의 애니메이션 생성 방법.

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