摘要：關(guān)節(jié)角色動(dòng)畫一般是由角色的骨架模型控制運(yùn)動(dòng)，人物角色動(dòng)畫作為關(guān)節(jié)動(dòng)畫領(lǐng)域熱門研究方向之一，廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)動(dòng)畫，人體運(yùn)動(dòng)分析，人機(jī)工程，運(yùn)動(dòng)捕捉以及計(jì)算機(jī)視覺(jué)等領(lǐng)域。人體骨架的各部分長(zhǎng)度具有一定的自然比例特點(diǎn)。因此，我們提出了一種基于人物骨架長(zhǎng)度比例特點(diǎn)的人物角色建模方法，通過(guò)研究人體各部分骨架長(zhǎng)度的比例特點(diǎn)，將骨架模型參數(shù)化，并最終建立滿足運(yùn)動(dòng)捕捉數(shù)據(jù)的層次骨架模型。實(shí)驗(yàn)表明，該文提出的方法可以快速的獲得標(biāo)準(zhǔn)的人體骨架模型，方便于角色動(dòng)畫的建立，參數(shù)化的骨架也使我們能夠獲得不同人物特征的骨架模型，滿足于不同領(lǐng)域的需要。

關(guān)鍵詞：關(guān)節(jié)動(dòng)畫；骨架；比例；運(yùn)動(dòng)捕捉

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2013）07-1630-03

人物角色動(dòng)畫作為關(guān)節(jié)動(dòng)畫領(lǐng)域的一項(xiàng)熱點(diǎn)的研究對(duì)象，它的重要性逐漸的受到人們的重視，并廣泛的應(yīng)用于影視動(dòng)畫，游戲娛樂(lè)，工業(yè)設(shè)計(jì)，人體運(yùn)動(dòng)分析以及運(yùn)動(dòng)捕捉等多個(gè)領(lǐng)域。

人類比較熟悉自身的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，而且人體的骨架包括多個(gè)運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)，具有很多的自由度和運(yùn)動(dòng)參數(shù)[1]，因此獲得真實(shí)感的人物動(dòng)畫非常困難。往往需要花費(fèi)大量的時(shí)間來(lái)繪制各個(gè)關(guān)鍵幀的運(yùn)動(dòng)。關(guān)節(jié)角色動(dòng)畫是由一種層次結(jié)構(gòu)的骨架模型來(lái)驅(qū)動(dòng)角色動(dòng)作，骨架作為關(guān)節(jié)模型重要的組成部分，對(duì)于生成良好的動(dòng)畫效果至關(guān)重要。如何能夠獲得合適的模型骨架成為人們?cè)絹?lái)越關(guān)心的問(wèn)題。[2]當(dāng)今比較流行的運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)，通過(guò)攝像頭，傳感器等外部設(shè)備定位人體主要的運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)，記錄人體各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，從而獲得真實(shí)的人體運(yùn)動(dòng)動(dòng)畫。如何重用運(yùn)動(dòng)捕捉數(shù)據(jù)，使運(yùn)動(dòng)捕捉數(shù)據(jù)滿足相似層次結(jié)構(gòu)但不同比例的骨架模型需要，正是我們希望研究的問(wèn)題。傳統(tǒng)獲取人物角色模型的方法，是通過(guò)一些動(dòng)畫建模軟件，如3Dmax，Maya，Poser等[3]，由動(dòng)畫師手工建立適合模型的骨架，然后與模型的網(wǎng)格連接來(lái)驅(qū)動(dòng)模型動(dòng)作。這就需要花費(fèi)大量的時(shí)間來(lái)建立合適的骨架模型，而且對(duì)于不同特征的模型，需要重新建立骨架。另外，還有采用三維掃描儀的方法來(lái)獲取真實(shí)人體表面的幾何數(shù)據(jù)，通過(guò)幾何重構(gòu)的方法獲得人體模型，在關(guān)節(jié)動(dòng)畫的應(yīng)用中需要再次提取模型的骨架或者構(gòu)建滿足于模型需求的骨架模型，需要專門的掃描設(shè)備，成本高，速度慢，不滿足于實(shí)際應(yīng)用的需求。

為此我們提出了一種人體骨架模型參數(shù)化建模方法?；谌宋锝巧羌芴赜械淖匀槐壤卣鳎约澳承╆P(guān)鍵部分滿足黃金分割率，從而采用H-Animation標(biāo)準(zhǔn)的骨架層次結(jié)構(gòu)，建立標(biāo)準(zhǔn)的參數(shù)化骨架模型。該方法不僅可以獲取標(biāo)準(zhǔn)的人體骨架模型，并在應(yīng)用中根據(jù)模型大小特點(diǎn)的不同靈活并自動(dòng)的生成合適的骨架模型，尤其對(duì)于運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)領(lǐng)域具有 重要的意義。

1人體骨架

1.1 人體骨架特點(diǎn)

自然人體的骨架起著支撐身體的作用，是人體運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的一部分。骨骼之間一般用關(guān)節(jié)和韌帶連接，骨骼通過(guò)繞關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)來(lái)達(dá)到運(yùn)動(dòng)的效果。人體的自然結(jié)構(gòu)是以頭部垂直于地面的方向?yàn)檩S的對(duì)稱結(jié)構(gòu)，四肢對(duì)稱的分布于身體的兩側(cè)。人體的四肢是主要的運(yùn)動(dòng)部分。頭部通過(guò)頸部關(guān)節(jié)與身體連接；手臂通過(guò)肩部關(guān)節(jié)與身體連接，肘部關(guān)節(jié)連接小臂，手腕關(guān)節(jié)連接手部；腿部通過(guò)胯關(guān)節(jié)連接身體，膝部關(guān)節(jié)連接小腿，腳腕關(guān)節(jié)連接足部。因此，我們可以將人體骨架看作是一種層次的結(jié)構(gòu)。

1.2 骨架比例分析

人體的骨架結(jié)構(gòu)滿足一定的自然比例特點(diǎn)，早在公元1世紀(jì)，羅馬工程師馬克 維特魯威就將人體的自然比例應(yīng)用到建筑的丈量上，并且總結(jié)出了人體結(jié)構(gòu)的比例規(guī)律。達(dá)芬奇著名的畫作《維特魯維人》形象的展示了人體自然比例的特點(diǎn)，后來(lái)人們常以這一精準(zhǔn)的比例來(lái)形容男性“完美比例”。雖然西方人和東方人以及男性和女性的骨骼長(zhǎng)度存在差別，但是骨骼的基本結(jié)構(gòu)是一樣的，而且骨骼的長(zhǎng)度滿足一定的比例特點(diǎn)。人類在進(jìn)化的過(guò)程中，頭骨和腿骨的變化最大，而軀體外形變化很小，人體結(jié)構(gòu)中有許多部分比例都接近黃金分割率1：0.618。其中，1）臍部：作為頭頂——足底的黃金分割點(diǎn)；2）咽喉：作為頭頂——臍部的黃金分割點(diǎn)；3）膝部關(guān)節(jié)：作為臍部——足底的黃金分割點(diǎn)；4）肘部關(guān)節(jié)：作為肩部關(guān)節(jié)——指尖的黃金分割點(diǎn)；5）乳頭：軀干縱方向的黃金分割點(diǎn)等。另外還存在一個(gè)黃金矩形，即長(zhǎng)寬比為1：0.618。它是軀體的輪廓矩形，長(zhǎng)為肩頂?shù)酵蔚椎拈L(zhǎng)度，寬為肩寬和臀寬的平均數(shù)。

在我國(guó)的人體繪畫領(lǐng)域，通常還有著這樣一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，“立七坐五蹲三”；另外還有頭高比例標(biāo)準(zhǔn)，頭高為身高與頭長(zhǎng)的商，頭高=身高/頭長(zhǎng)。通常，正常成人的身高和頭長(zhǎng)比值在6到8之間，在我國(guó)學(xué)術(shù)界比較認(rèn)可8頭高這個(gè)說(shuō)法，8頭身作為一個(gè)完美的身體比例，許多教科書采用這一比例來(lái)刻畫人體，8頭身也對(duì)我們?nèi)梭w模型的構(gòu)建提供了便利。另外，還有9頭身標(biāo)準(zhǔn)，西方文藝復(fù)興時(shí)期就開始采用這一標(biāo)準(zhǔn)，通常我們使用這一標(biāo)準(zhǔn)刻畫英雄人物，或者動(dòng)畫中完美的人體形象。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)人體骨架8頭身比例分割圖

接下來(lái)我們分析標(biāo)準(zhǔn)8頭高的人體骨架結(jié)構(gòu)比例特點(diǎn)。除了關(guān)鍵關(guān)節(jié)點(diǎn)以及部分人體長(zhǎng)度遵循黃金分割率之外，人體八頭身比例分割如圖1所示。我們?cè)诮５臅r(shí)候依據(jù)頭高長(zhǎng)度為基準(zhǔn)，依次確定人體正常站立姿態(tài)各部分骨架比例分布。其中人體軀干部分，肘部關(guān)節(jié)作為手臂的中心分割點(diǎn)，膝蓋關(guān)節(jié)作為腿部的中心分割點(diǎn)，其中大腿與小腿等距，并且約等于兩倍的頭長(zhǎng)。人體臍部作為人體的質(zhì)量中心平分上體乳頭下部與大腿部關(guān)節(jié)的分割點(diǎn)。 因此，我們通過(guò)人體八頭身比例分割示意圖的分析，可以在給定頭高的情況下，建立參數(shù)化的骨架模型。

2 骨架模型參數(shù)化

2.1 H-Animation標(biāo)準(zhǔn)

在VRM1.2.0中定義了H-Animation標(biāo)準(zhǔn)來(lái)構(gòu)造人體骨架。H-Animation標(biāo)準(zhǔn)在VRML97/X3中定義了具有骨架關(guān)節(jié)特點(diǎn)的人體骨架層次結(jié)構(gòu)模型。 H-Animation標(biāo)準(zhǔn)也明確了不同的骨架層次級(jí)別，其中最簡(jiǎn)化的模型級(jí)為L(zhǎng)OA0；LOA1是適合于底端的實(shí)時(shí)3D層次模型；LOA2是采用簡(jiǎn)化了脊椎部分骨骼的模型；LOA3則是目前最完備的人體骨骼結(jié)構(gòu)，其中主要包括了手指部分各關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)。由于我們關(guān)心骨架關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)的節(jié)點(diǎn)位置，因此我們采用H-Animation標(biāo)準(zhǔn)的LOA1層級(jí)。而且此層級(jí)的人體骨架結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)捕捉數(shù)據(jù)中的骨架結(jié)構(gòu)相似，同樣采用關(guān)節(jié)點(diǎn)連接關(guān)鍵的運(yùn)動(dòng)骨骼部分來(lái)構(gòu)造滿足于人體運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)的拓?fù)涔羌軐哟谓Y(jié)構(gòu)。

2.2 運(yùn)動(dòng)捕捉數(shù)據(jù)骨架層次結(jié)構(gòu)

運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)是一種通過(guò)在捕捉對(duì)象的主要運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)加裝傳感器設(shè)備來(lái)記錄現(xiàn)實(shí)角色運(yùn)動(dòng)信息數(shù)據(jù)的技術(shù)。通過(guò)運(yùn)動(dòng)捕捉數(shù)據(jù)來(lái)驅(qū)動(dòng)虛擬角色骨架動(dòng)作來(lái)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)動(dòng)畫。運(yùn)動(dòng)捕捉數(shù)據(jù)中建立了模型的骨架層次結(jié)構(gòu)，人體骨架以位于人體模型幾何中心的位置作為根節(jié)點(diǎn)，通過(guò)各個(gè)主要骨架運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)的特點(diǎn)連接頭部和四肢形成一種具有層次結(jié)構(gòu)的骨架模型，并且利用運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)記錄的各個(gè)主要運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)來(lái)驅(qū)動(dòng)根節(jié)點(diǎn)位移以及其他各關(guān)節(jié)點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)動(dòng)畫。通過(guò)使用參數(shù)化骨架模型的方法，可以依據(jù)人體某一特定關(guān)節(jié)的長(zhǎng)度來(lái)構(gòu)造整個(gè)模型骨架，使得運(yùn)動(dòng)捕捉更具實(shí)時(shí)性，而且在一定程度上解決了由于捕捉對(duì)象骨架和預(yù)先建立骨架模型的不匹配的運(yùn)動(dòng)重定向問(wèn)題。

2.3 參數(shù)化骨架模型建立

我們從之前所介紹的人物結(jié)構(gòu)比例畫法以及標(biāo)準(zhǔn)人體八頭身比例分割示意圖中可以知道，如果給定初始長(zhǎng)度值，我們就能夠利用這個(gè)定長(zhǎng)來(lái)構(gòu)造出整個(gè)人體結(jié)構(gòu)層次骨架。所以，我們也可以利用參數(shù)化的方法調(diào)整骨架參數(shù)從而構(gòu)造滿足不同特征的人體骨架。另外，針對(duì)人物關(guān)節(jié)角色動(dòng)畫的應(yīng)用，我們還可以利用參數(shù)來(lái)限制骨架各部分的自由度以及運(yùn)動(dòng)參數(shù).

通常，我們定義人體模型臍部為整個(gè)人體骨架的根節(jié)點(diǎn)，用Root表示。人體模型的運(yùn)動(dòng)利用根節(jié)點(diǎn)Root的位移，以及各主要運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)來(lái)得到動(dòng)畫，我們利用Ri來(lái)定義各關(guān)節(jié)部分的旋轉(zhuǎn)，Troot表示根節(jié)點(diǎn)的位移，因此我們可以得到整個(gè)骨架的運(yùn)動(dòng)方程：

其中i=（1.....n） 表示骨架關(guān)節(jié)點(diǎn)的標(biāo)號(hào)。因此我們得到人體骨架Skeleton=（D1.，D2...Di-1），Di（1，2...i-1）表示人體骨架各部分長(zhǎng)度。Joint =（J1，J2...Jn-1）來(lái)表示骨架各關(guān)節(jié)點(diǎn)位置。

在人體骨架模型中，我們假設(shè)人體頭頂至足底為身高H，頭高為H頭高，f為黃金分割率0.618，h為各部分骨骼長(zhǎng)度。臍部作為頭頂至足底的黃金分割點(diǎn)，然而我們?cè)?頭身比例分割圖中看到，以臍部分割，上身與下身的比例為3：7，但是我們?cè)诖俗裱S金分割率的條件，這樣我們可以得到更加美觀的人體模型。我們利用骨架各部分的比例特點(diǎn)，通過(guò)定義頭高為定值，從而得到各關(guān)鍵部分骨骼的長(zhǎng)度值：

根據(jù)H-Animation標(biāo)準(zhǔn)的LOA1層級(jí)的定義以及為了滿足運(yùn)動(dòng)捕捉數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的要求，我們將人體骨架解構(gòu)為16個(gè)主要關(guān)節(jié)部分，J1，J2，......J15 ，ROOT。骨架各關(guān)節(jié)點(diǎn)定義如圖2所示。

在構(gòu)建人體骨架比例模型的應(yīng)用系統(tǒng)中，我們將以上16個(gè)關(guān)節(jié)長(zhǎng)度定義為由統(tǒng)一的頭高H表示，通過(guò)利用各部分關(guān)節(jié)長(zhǎng)度的比例特點(diǎn)計(jì)算得到各部分長(zhǎng)度的參數(shù)化公式，并將此統(tǒng)一化的骨架層次結(jié)構(gòu)作為模型模板，根據(jù)不同應(yīng)用的要求，通過(guò)調(diào)整骨架各部分參數(shù)來(lái)構(gòu)造不同特征的骨架模型。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)運(yùn)行于Intel Core2 Duo CPU P8600 2.4GHz， RAM 4GB的PC機(jī)上，Windows 7 操作系統(tǒng)，使用Windows Visual Studio 2010 Visual C++集成開發(fā)環(huán)境，并結(jié)合OpenGL軟件包實(shí)現(xiàn)。

4 結(jié)論

本文提出了一種基于人物骨架長(zhǎng)度比例特點(diǎn)的參數(shù)化骨架模型建立方法。能夠快速準(zhǔn)確的獲得標(biāo)準(zhǔn)的人體骨架。對(duì)于Poser等軟件，可以方便的建立整個(gè)標(biāo)準(zhǔn)人體骨架。并且根據(jù)運(yùn)動(dòng)捕捉數(shù)據(jù)的骨架層次結(jié)構(gòu)建立骨架，能夠良好的滿足人物角色運(yùn)動(dòng)捕捉的要求，在Motion Builder，Maya等軟件中可以方便的將運(yùn)動(dòng)捕捉數(shù)據(jù)運(yùn)用于骨架。然而，我們的方法是針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的人體骨架，當(dāng)今的動(dòng)畫電影領(lǐng)域要求我們能夠獲得擬人化的動(dòng)畫形象。未來(lái)，我們希望能夠在此基礎(chǔ)上研究能夠快速并且方便的提取模型骨架的方法，建立關(guān)節(jié)骨架模型并獲得不同特點(diǎn)的動(dòng)畫人物形象。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張三元.數(shù)字化仿真人體模型的設(shè)計(jì)方法[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2000，12（1）.

[2] 呂治國(guó)，李焱，賀漢根.基與Poser模型的三維人體建模方法[J].計(jì)算機(jī)工程，2008，34（13）.

[3] 李健，萬(wàn)群生. VRML交互研究與基于H-Animation人體骨架的個(gè)性化定制[J].計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)， 1999.

[4] M.Meredith，S.Maddock. "Motion Capture File Format Explained"， Department of Computer Science，University of Sheffielf.

[5] J.E Chadwick，D.R.Haumann，and R.E.Parent.Layered construction for deformable animated characters[C].In SIGGRAPH '89：Proceedings of the 16th annual conference on Computer graphics and interactive techniques，1989.

[6] CMU. CMU Graphics Lab Motion Capture Database[DB]. http：//mocap.cs.cmu.edu，2001.

[7] Michael Gleicher，Regartting Motion to New Characters[C].In SIGGAPH '98，1998.

[8] Terrie Winson，F(xiàn)orensic Anthropology[OL]. http：//www.anthro4n6.net/forensics/，2004.