基于虛擬人設(shè)計與實現(xiàn)機器人舞蹈動作的一種方法

郭娜

【摘 要】本文在三維虛擬人骨骼模型仿真的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了機器人的舞蹈工作，并在結(jié)合機器人舞蹈工作基本規(guī)律跟實現(xiàn)舞蹈動作基本方法的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了三維虛擬人實現(xiàn)機器人舞蹈工作的關(guān)鍵幀數(shù)據(jù)庫，然后應(yīng)用中間幀過渡函數(shù)讓虛擬人骨骼模型仿真了機器人的舞蹈動作方案，結(jié)果證明該方面具備有一定的可行性，對于機器人的三維虛擬化以及仿真研究工作也有著非常重要的參考價值。

【關(guān)鍵詞】舞蹈動作;機器人;三維虛擬人

中圖分類號：J718? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ? ? ?文章編號：11007-0125（2019）01-0122-02

近年來我國的虛擬現(xiàn)實技術(shù)跟機器人技術(shù)均得到了一定的發(fā)展，給予虛擬人模擬仿真機器人舞蹈動畫的實現(xiàn)提供了足夠多的技術(shù)支撐，并作為一種嶄新的藝術(shù)形式得到了人們的廣泛認可，在未來游戲等多個領(lǐng)域中也有著良好的應(yīng)用前景。虛擬人通過計算機動畫技術(shù)以及虛擬角色模型的表現(xiàn)，能夠在音樂伴奏下進行舞蹈的演繹，借此來給人們一種新穎的視覺享受。

一、研究意義

虛擬人模擬仿真機器人舞蹈動畫作為一種新興的藝術(shù)形式，近年來也受到了人們的廣泛關(guān)注，但是因為仿人機器人在運動過程中動作本身的復(fù)雜性，以及各關(guān)節(jié)自由度的靈活性，也就難以控制機器人實現(xiàn)一些高難度的舞蹈工作，這也就要求相關(guān)技術(shù)人員能夠加強對運動控制方法的研究力度。目前在進行仿人機器人控制方法的研究時，多是將研究重點放置在雙足運動跟雙手協(xié)作兩個方面，并結(jié)合穩(wěn)定性最大的要求進行動作控制方法的優(yōu)化工作。運動軌跡跟運動姿態(tài)對于仿真機器人的運動控制有著非常重要的意義，在研究過程中，多是由某一真人表演者在主要關(guān)節(jié)處進行特定標記點的裝設(shè)，然后通過動作捕捉器對這些標記點的空間坐標進行連續(xù)快速的記錄，從而獲取到人體的運動數(shù)據(jù)。但是該研究模式中還存在有控制成本過于昂貴的問題，對仿人機器人運動控制的研究工作也就造成了一定的阻礙。此外仿人機器人跟真人運動的關(guān)節(jié)運動數(shù)據(jù)還存在有非常大的差異，導(dǎo)致了機器人的關(guān)節(jié)運動數(shù)據(jù)可能存在有較大的誤差，這也就要求相關(guān)技術(shù)人員能夠加強對虛擬人模擬仿真機器人的研究力度，借此來提升對仿人機器人的控制水平。

二、結(jié)構(gòu)分析

機器人的動作主要是表現(xiàn)在一定時間序列上面的空間位置跟姿態(tài)的幾何，其設(shè)計跟實現(xiàn)還有著非常大的主觀性、模糊性和復(fù)雜性。在舞蹈動作中隨著關(guān)節(jié)自由度的增加，還會導(dǎo)致各關(guān)節(jié)間的影響程度得到進一步的提升，并為后續(xù)的動作設(shè)計跟實現(xiàn)帶來了一定的難度。一般情況下仿人機器人其關(guān)節(jié)自由度還與其舞蹈動作性能有著直接的聯(lián)系，關(guān)節(jié)自由度越高，表明了該機器人的潛在應(yīng)用能力越強，而在關(guān)節(jié)自由度過少的情況下，還會導(dǎo)致機器人動作不夠靈活，一些比較復(fù)雜的動作也就難以實現(xiàn)。因此說在進行仿人機器人舞蹈動作的研究過程中，還需要將關(guān)節(jié)自由度數(shù)目控制在合理的范圍內(nèi)，來保障舞蹈動作的進行。因此說設(shè)計人員還需要在充分滿足基本舞蹈動作要求的基礎(chǔ)上，盡量減少關(guān)節(jié)的自由度，借此減少動作設(shè)計的工作量。

在本次研究中主要對NOBODY機器人的視頻動畫進行了分析，在結(jié)合仿人機器人自身結(jié)構(gòu)構(gòu)造情況的基礎(chǔ)上，還需要讓三維虛擬人的最小骨骼模型是由全身所有關(guān)節(jié)跟骨骼段所構(gòu)成，在整個三維虛擬人骨架模型上還需要包含有一個中心位置、54個關(guān)節(jié)以及53塊骨骼段，這樣才能夠?qū)崿F(xiàn)仿人機器人的相關(guān)舞蹈動作。

在最小人體骨骼模型中，每個部位都能夠繞著各自關(guān)節(jié)在不通過自由度方向上進行旋轉(zhuǎn)運動，在此基礎(chǔ)上產(chǎn)生虛擬人的運動。在本次研究中模擬人生模型的上肢共有18個關(guān)節(jié)，32個自由度，為了能夠表達出一些復(fù)雜的舞蹈動作，還對每個手指定義了三個關(guān)節(jié)，借此來滿足舞蹈動作的相關(guān)需求。可以說通過三維虛擬人最小骨骼模型的應(yīng)用，其能夠在保障仿人機器人舞蹈動作完整性的基礎(chǔ)上，對原本舞蹈動作過于復(fù)雜的問題進行有效的解決，在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)了基于三維虛擬人的仿人機器人舞蹈動畫。

三、三維虛擬人仿人機器人舞蹈動畫的虛擬數(shù)據(jù)庫

為了更好地實現(xiàn)三維虛擬人仿人機器人舞蹈動畫，還要求設(shè)計人員在結(jié)合該機器人最小人體骨骼模型的基礎(chǔ)上，專門設(shè)計一個虛擬舞蹈動作關(guān)鍵幀數(shù)據(jù)庫，來進行相關(guān)數(shù)組的存儲工作。因為舞蹈工作比較復(fù)雜，因此在該數(shù)據(jù)庫中還有著繁多的動畫關(guān)鍵幀。這也就需要相關(guān)設(shè)計人員能夠做好三維虛擬人舞蹈動畫虛擬數(shù)據(jù)庫表的設(shè)計工作，借此來保障相關(guān)舞蹈工作的有序進行。虛擬數(shù)據(jù)庫能夠?qū)ξ璧竸赢嬤^程中的各項參數(shù)以及動畫關(guān)鍵幀進行有效的記錄，并能夠讓仿人機器人根據(jù)預(yù)先編制好的程序來進行動作，從而準確實現(xiàn)多項舞蹈工作，對于仿人機器人的控制也有著一定的積極意義。因此說各設(shè)計人員在進行基于虛擬人的仿人機器人舞蹈動作設(shè)計過程中，還需要做好虛擬數(shù)據(jù)庫的搭建工作，對于各項動作參數(shù)跟動畫幀也需要進行及時的記錄跟處理，以保障該仿人機器人能夠?qū)崿F(xiàn)各項舞蹈工作。

四、三維虛擬人實現(xiàn)仿人機器人舞蹈動畫過程以及仿真結(jié)果

在三維虛擬人舞蹈動作中，其動作的平滑度對于各種舞蹈動作的可能性也會產(chǎn)生直接的影響。虛擬人舞蹈動作的特殊性還在于其是由一些關(guān)鍵動作合成的動畫序列，而相鄰的兩個舞蹈動作之間還存在有非常大的動作差異性，如果未做好平滑處理工作，會導(dǎo)致該舞蹈動作在相鄰關(guān)鍵動作銜接部位出現(xiàn)過大幅度的變化，從而導(dǎo)致跳幀現(xiàn)象的發(fā)生，并會給予人們帶來失真的感覺。通過設(shè)計過渡函數(shù)的應(yīng)用，則能夠?qū)ξ璧腹ぷ鬟M行有效的過度，并促使動作的平滑度得到進一步的提升，這樣仿人機器人在舞蹈過程之中其動作也就可以平緩過渡，不同動作之間也能夠進行流暢的銜接，從而充分滿足真實狀態(tài)下機器人舞蹈動畫的各項需求。

因此說在進行仿人機器人舞蹈動作的設(shè)計過程中，也就要求設(shè)計人員做好仿人機器人舞蹈動作的函數(shù)設(shè)計工作，還需要將閾值的合理選擇以及機器人的動作平滑度進行有效的設(shè)置，這樣也就能夠?qū)Ψ氯藱C器人相鄰舞蹈工作中的過渡速度以及過渡平滑度進行有效的掌握，借此來保障仿人機器人舞蹈動作的連貫性跟流暢性。在基于三維虛擬人骨骼模型的前提下對虛擬數(shù)據(jù)庫中關(guān)鍵幀進行讀取，也就能夠?qū)崿F(xiàn)NOBODY機器人各項舞蹈動作的仿真結(jié)果。

在本次研究中，主要在三維虛擬人骨骼骨骼模型仿真基礎(chǔ)上實現(xiàn)了對仿人機器人的各種舞蹈工作，并且獲得了良好的仿真效果。在研究中首先需要對機器人舞蹈動作的基本規(guī)律以及實現(xiàn)這些舞蹈工作的基本方法進行深入的分析，在該分析結(jié)果上構(gòu)建關(guān)鍵幀數(shù)據(jù)庫，隨后采用中間幀過渡函數(shù)來實現(xiàn)仿人機器人的各項舞蹈工作。通過本次研究的進一步加深，還能夠?qū)崿F(xiàn)二維視頻中關(guān)鍵幀算法的自動提取，并能夠直接將二維關(guān)鍵幀轉(zhuǎn)變?yōu)槿S關(guān)鍵幀，這樣也就能夠讓仿人機器人舞蹈仿真實現(xiàn)的工作量得到大幅度的降低，并能夠通過二維視頻自主趨勢三維虛擬人進行各種特定的舞蹈動作。

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