基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的虛擬人運(yùn)動合成方法研究

何長鵬　羅鴻斌　張燕

摘要：由于在虛擬人技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)兼顧到虛擬人形象化建模的同時還要滿足運(yùn)動合成的實時性要求，為了解決上述問題，文章提出一種局域數(shù)據(jù)驅(qū)動的虛擬人運(yùn)動合成方法。首先將捕獲的運(yùn)動數(shù)據(jù)按照H-Anim標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行簡化處理之后存儲在數(shù)據(jù)庫中；其次從Poser中選取不同的人物模型，分別提取出符合簡化后的運(yùn)動捕獲數(shù)據(jù)所描述的人體骨架結(jié)構(gòu)。

關(guān)鍵詞：虛擬人；骨架提?。粩?shù)據(jù)驅(qū)動；運(yùn)動合成；形象化建模 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TP391 文章編號：1009-2374（2017）01-0003-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.01.002

1 概述

虛擬人是人類在虛擬環(huán)境中的化身，即人體在虛擬環(huán)境中的幾何特性與行為特性的表示。在現(xiàn)代計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)中，虛擬人應(yīng)用主要集中在虛擬試衣、虛擬維護(hù)、軍事訓(xùn)練、交互游戲、動畫和影視特效制作和虛擬康復(fù)訓(xùn)練等方面。除了上述應(yīng)用之外，還可以利用虛擬人完成很多模擬性的實驗，這樣可以大大降低實驗的風(fēng)險和成本。虛擬人作為人類的化身，按理應(yīng)該具備人體的基本特性。但是人體是一個較為復(fù)雜的生命體系統(tǒng)，由骨骼、皮膚、肌肉和神經(jīng)系統(tǒng)等組成，其中關(guān)節(jié)和骨骼的自由度較多，想要完全構(gòu)建出一個具備生理特征的數(shù)字化虛擬人，難度非常大。目前，虛擬人技術(shù)所要解決的問題就是在保證人體基本結(jié)構(gòu)不變的前提下，如何有效地對人體骨骼結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化處理，構(gòu)建出具有逼真外形的虛擬人模型。由于肌肉和神經(jīng)系統(tǒng)的建立存在著很大的困難，研究的難度巨大，所以骨骼模型往往會忽略掉肌肉和神經(jīng)系統(tǒng)。依據(jù)人體解剖學(xué)原理，人們制定了兩個重要的國際標(biāo)準(zhǔn)H-Anim和MPEG-4來表示虛擬人骨骼結(jié)構(gòu)，主要是將人體的骨骼和關(guān)節(jié)進(jìn)行簡化，減少其自由度，這樣可以降低建模的難度。人們在遵循這兩種標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，通過使用基于幾何的方法、基于二維照片重構(gòu)方法和基于人體測量學(xué)的方法等，構(gòu)造了形象化的虛擬人，但是沒有充分考慮運(yùn)動合成的效率問題。

本文在兼顧虛擬人形象化建模的同時考慮到要滿足運(yùn)動合成的實時性要求，提出一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的虛擬人運(yùn)動合成方法。首先，在分析人體層次化結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，將人體運(yùn)動捕獲數(shù)據(jù)BVH進(jìn)行簡化處理；其次，選擇三維人體造型軟件Poser中相關(guān)人物模型提取其骨架結(jié)構(gòu)，將運(yùn)動捕獲數(shù)據(jù)BVH映射到此骨架結(jié)構(gòu)，根據(jù)運(yùn)動約束條件對虛擬人運(yùn)動姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整，建立符合H-Anim標(biāo)準(zhǔn)的形象化的虛擬人模型；再次，將皮膚網(wǎng)格模型與骨架結(jié)構(gòu)進(jìn)行綁定，骨架帶動皮膚網(wǎng)格發(fā)生變形，產(chǎn)生逼真、平滑的虛擬人運(yùn)動；最后，通過相關(guān)實驗證明了該方法的有效性。

2 運(yùn)動捕獲數(shù)據(jù)分析

本文將使用美國卡內(nèi)基梅隆大學(xué)（CMU，Carnegie Mellon University）提供的免費(fèi)的運(yùn)動捕獲數(shù)據(jù)庫當(dāng)中的運(yùn)動數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。人體運(yùn)動捕獲數(shù)據(jù)能夠直接記錄人體的運(yùn)動行為并將其生成計算機(jī)動畫。運(yùn)動捕獲數(shù)據(jù)中包含著豐富的細(xì)節(jié)信息，自然逼真。捕獲到的運(yùn)動數(shù)據(jù)描述了骨架結(jié)構(gòu)和各時間點(diǎn)的參數(shù)。運(yùn)動數(shù)據(jù)有很強(qiáng)的復(fù)用性，可以提高動畫制作的效率。運(yùn)動捕獲數(shù)據(jù)文件格式有ASF/AMC、C3D、CSM、HTR、BVH等許多種類型，其中BVH是一種通用的人體特征動畫文件格式，可以將上述不同類型的運(yùn)動數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為BVH格式的運(yùn)動數(shù)據(jù)。下面將重點(diǎn)介紹BVH格式的運(yùn)動捕獲數(shù)據(jù)表現(xiàn)形式。

BVH文件包含骨架信息和關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)，將人體結(jié)構(gòu)用樹形結(jié)構(gòu)來表示。BVH格式文件主要分為兩部分：第一部分按照層級關(guān)系定義了關(guān)節(jié)樹和每個關(guān)節(jié)點(diǎn)的名稱、通道數(shù)目、關(guān)節(jié)與關(guān)節(jié)之間的相對位置，即人體各部分的骨骼長度；第二部分記錄了運(yùn)動的數(shù)據(jù)，定義了動作數(shù)據(jù)幀以及幀之間的時間間隔。在捕獲數(shù)據(jù)中還包括一些人體運(yùn)動的約束信息，例如運(yùn)動的物理約束、運(yùn)動特點(diǎn)等。約束信息被認(rèn)為是人體運(yùn)動數(shù)據(jù)的元數(shù)據(jù)，可將其指定給一幀、一個幀序列或整個運(yùn)動片段。另外，運(yùn)動捕獲數(shù)據(jù)包含人體關(guān)節(jié)點(diǎn)很多，為了加速渲染，需要將人體結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化處理，選取重要的人體關(guān)節(jié)點(diǎn)，其中髖關(guān)節(jié)Hip為根節(jié)點(diǎn)。

根節(jié)點(diǎn)Hip包含人體模型在三維場景中的坐標(biāo)值（X，Y，Z）和3個旋轉(zhuǎn)參數(shù)；對于非根節(jié)點(diǎn)Joint，則只含有偏移量Offset和旋轉(zhuǎn)度，其中偏移量Offset表明該節(jié)點(diǎn)針對它的父節(jié)點(diǎn)的偏移位置。而末端效應(yīng)器End Site表示終結(jié)遞歸，該關(guān)節(jié)的定義到此為止。數(shù)據(jù)塊以Motion關(guān)鍵字開始，其中Frames定義了動畫幀數(shù)，F(xiàn)rame Time定義了幀率。

3 算法實現(xiàn)

3.1 人物模型選擇

通?？梢允褂眉す鈷呙韬投S照片測量的方法構(gòu)建虛擬人表面模型。但考慮到這些精密儀器成本比較昂貴，使用時需要復(fù)雜的環(huán)境和專業(yè)的知識。對于絕大部分應(yīng)用系統(tǒng)而言，采用這些精密儀器獲得高密度的數(shù)據(jù)集是一種資源的浪費(fèi)，是完全沒有必要的。本文在前人工作的基礎(chǔ)上，選用人體建模軟件Poser中的人物模型作為運(yùn)動合成的對象，取代對真實人體進(jìn)行三維掃描建立的數(shù)字化人體模型。主要利用Poser平臺提供的交互式的運(yùn)動數(shù)據(jù)導(dǎo)入、導(dǎo)出功能菜單，預(yù)先將簡化后的BVH運(yùn)動數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Poser平臺中的人物模型，產(chǎn)生相應(yīng)的動作，以便用戶觀察其動作姿態(tài)。根據(jù)實驗內(nèi)容，我們將不同的運(yùn)動數(shù)據(jù)BVH文件導(dǎo)入到Poser平臺中對應(yīng)的不同的人物模型，發(fā)現(xiàn)Poser平臺中的人物模型與BVH定義的人體層級關(guān)系以及關(guān)節(jié)點(diǎn)的數(shù)目不一致性，導(dǎo)致運(yùn)動數(shù)據(jù)驅(qū)動人物模型時發(fā)生扭曲變形，產(chǎn)生的動作姿態(tài)不符合運(yùn)動特征。另外，Poser平臺中人物模型各個部分已預(yù)先進(jìn)行了連接，設(shè)置了運(yùn)動約束，需要手動對人體姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整，但有時其姿態(tài)的調(diào)整可能是無效的。

3.2 人體骨架的提取

人體表面模型較為復(fù)雜，在建模時需要由2000多個多邊形組成。我們將Poser平臺中的人物模型導(dǎo)出OBJ格式的文件進(jìn)行解析。不同的人體骨架提取方法，主要思想是對人體模型進(jìn)行分解確定人體的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，將各部分網(wǎng)格模型進(jìn)行簡化并平滑收縮處理，提取出曲線骨架以后再提煉出符合H-Amin層級結(jié)構(gòu)的骨骼，這樣可以保存原有的人體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

3.3 骨架與皮膚層建立映射關(guān)系

人體骨架提取出來以后，需要將虛擬人皮膚層與骨架綁定。當(dāng)運(yùn)動數(shù)據(jù)BVH驅(qū)動人體骨架運(yùn)動時，骨架將會帶動皮膚變形產(chǎn)生逼真的人體動畫。虛擬人皮膚層與骨架的綁定，本文將采用蒙皮變形技術(shù)。蒙皮變形技術(shù)是骨骼皮膚動畫的關(guān)鍵技術(shù)，所謂的皮并不是模型的貼圖而是將網(wǎng)格中的頂點(diǎn)綁定在骨骼上，表示頂點(diǎn)受骨骼的影響以及影響的權(quán)重（Weight）。傳統(tǒng)的頂點(diǎn)混合蒙皮算法僅對皮膚頂點(diǎn)做了一個線性混合插值，存在皮膚塌陷和打結(jié)的缺點(diǎn)。

4 實驗結(jié)果和分析

為了驗證該方案的可行性，我們選擇在Intel Core i3 2.53GHz 2048MB的PC機(jī)上，在Windows 10操作系統(tǒng)下，使用Microsoft Visual Studio 2015集成開發(fā)環(huán)境并結(jié)合OpenGL開發(fā)包和Poser 9來實現(xiàn)。根據(jù)研究的內(nèi)容，將Poser平臺中的人物模型保存為OBJ格式的文件進(jìn)行讀取，從中提取出人體骨架，并實現(xiàn)了與皮膚層的綁定。在完成了蒙皮之后，用BVH數(shù)據(jù)驅(qū)動虛擬人運(yùn)動，實驗截取了一個周期內(nèi)人體步行的序列片段，從算法的效率以及運(yùn)動的逼真度進(jìn)行分析，可以驗證該方法的有效性。

5 總結(jié)與展望

虛擬人運(yùn)動合成技術(shù)研究關(guān)注的焦點(diǎn)是如何實現(xiàn)運(yùn)動合成的實時性和高效性。在虛擬試衣、交互游戲、動畫和影視特效制作等領(lǐng)域，除了注重運(yùn)動合成的效率，還會特別關(guān)注虛擬人的外形，形象化的人物模型將會增加用戶的沉浸感，增加用戶的樂趣。在綜合考慮上述兩方面因素的基礎(chǔ)上，本文提出一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的虛擬人運(yùn)動合成方法。我們選用人體建模軟件Poser平臺中的模型作為運(yùn)動合成的對象，可以改變傳統(tǒng)的形象化建模方法耗時耗力的缺點(diǎn)，加快形象化建模的速度，提高渲染的速率。此外，為了加快虛擬人運(yùn)動合成的速度，從Poser平臺中的人物模型提取出其符合H-Amin標(biāo)準(zhǔn)的人體骨架，將人體骨架與皮膚層進(jìn)行映射，通過BVH運(yùn)動數(shù)據(jù)驅(qū)動虛擬人運(yùn)動合成。

參考文獻(xiàn)

[1] J.Hou，F(xiàn).Xu，L.Wu，H.H.Mi.Avatar-based

human communication：a review[J].International

Journal of Modelling and Simulation，2012，（4）.

[2] 何長鵬，侯進(jìn)，王獻(xiàn).基于骨骼的三維虛擬人運(yùn)動合

成方法研究[J].計算機(jī)工程與科學(xué)，2014，36（4）.

[3] 宋慶文，周源華.一種基于模型的人體建模系統(tǒng)[J].

計算機(jī)應(yīng)用與軟件，2004，21（1）.

[4] 呂治國，李焱，賀漢根.基于Poser模型的三維人體建

模方法[J].計算機(jī)工程，2008，34（13）.

[5] 趙建軍，魏毅，夏時洪，等.基于物理的角色動畫合

成方法綜述[J].計算機(jī)研究與發(fā)展，2015，52（12）.

基金項目：甘肅省高等學(xué)校科研資助項目（2014A-084）；甘肅政法學(xué)院科研資助青年項目（GZFXQNLW003）。

作者簡介：何長鵬（1986-），男，甘肅武威人，甘肅政法學(xué)院公安技術(shù)學(xué)院助教，碩士，研究方向：虛擬人技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)安全；羅鴻斌（1979-），男，甘肅莊浪人，甘肅政法學(xué)院公安技術(shù)學(xué)院副教授，碩士，研究方向：數(shù)字圖像處理、電子取證；張燕（1985-），女，甘肅榆中人，甘肅氣象信息與技術(shù)裝備保障中心助理工程師，碩士，研究方向：模式識別、網(wǎng)絡(luò)安全。

（責(zé)任編輯：黃銀芳）