JP3312337B2

JP3312337B2 - コンピュータグラフィックの表示方法

Info

Publication number: JP3312337B2
Application number: JP2000183497A
Authority: JP
Inventors: 宗利鵜沼; 良三武内
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1990-07-12
Filing date: 2000-06-19
Publication date: 2002-08-05
Anticipated expiration: 2020-06-19
Also published as: JP2001052203A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はコンピュータグラフィッ
クにて人間や動物等の多関節物体を動かす動作表現方法
におけるコンピュータグラフィックの表示方法係り、特
に、多関節物体の大きさを変えるときの動作の設定変更
が容易で且つ豊富な動作表現を可能にするに好適なコン
ピュータグラフィックの表示方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】人間の歩行動作，駈け足動作や馬，尺取
り虫の動き等をコンピュータグラフィックにて表現する
場合、一般的にキーフレーム法が用いられる。このキー
フレーム法は、動作対象とする人間や馬等の多関節物体
の或る時刻での形状と、次の時刻での形状とを決め、そ
の間の時刻での形状を補間法にて決定し、各形状を時系
列的に順次表示することで、全体的にその多関節物体が
動いているように表現するものである。このキーフレー
ム法は、動作対象の動きを決める時系列的な各形状を決
定するのに時間がかかり、処理時間が膨大となりオペレ
ータに負担を強いるという問題がある。

【０００３】そこで従来は、電子通信学会論文誌’８０
/１，Vol．J63-DNo.1の87頁「アニメーションプリミテ
ィブの合成による３角関数近似式動画像」に記載されて
いるように、人間の動きを１６ｍｍフィルムで撮影して
代表的な関節部分の動きを計測し、各関節部分の水平方
向，垂直方向の位置Ｘ，Ｙが時間Ｔの関数として基準位
置から何ｃｍのところにあるかにより、各関節部分の運
動軌跡を求めている。そして、その運動軌跡を直線と３
角関数曲線にて近似し、コンピュータは、この近似曲線
から時系列上の各形状データを算出しこれを順次表示す
るようにしている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来技術は、
撮影して求めた各関節の動きを、各時点での基準位置か
らのＸ位置，Ｙ位置の変化として近似曲線を求めてい
る。このため、この近似曲線を用いて動作を表現する場
合は良いが、動作対象の寸法が変わる場合や、各関節間
の寸法の比率を変えて動作させる場合に適用できず、そ
の大きさ，寸法比率のものについて再度撮影から繰り返
さなければならず、自由度が小さいという問題がある。
つまり、この従来技術は、撮影した実物のアナロジーと
してしかコンピュータグラフィック上で多関節物体を動
かすことができない。このことは、コンピュータグラフ
ィック上で、豊富な動作をさせることができないことを
意味する。つまり、例えば撮影した標準的な歩行動作を
コンピュータグラフィック上で表現できるだけで、この
標準的な動作に変更を加えて例えば「荒々しい歩行動
作」や「楽しそうな歩行動作」を表現できない。このた
め従来は、斯かる動作を表現したい場合には、実際に
「荒々しい歩行動作」等を人間に行わせこれを撮影して
その動作を解析しなければならない。換言すれば、豊富
な動作表現を実際に撮影することができない動物や昆
虫，想像上の物体は、コンピュータグラフィックにて様
々な動作形態で動かすことが困難であることを示す。

【０００５】本発明の第１の目的は、動作対象の大きさ
や各部の寸法比率の変更が生じた場合でも容易にコンピ
ュータグラフィックにおいて動作を変更させることが可
能なコンピュータグラフィックの表示方法を提供するこ
とにある。

【０００６】本発明の第２の目的は、コンピュータグラ
フィックにおいて動作対象に対し様々な動作形態をとら
せることが容易なコンピュータグラフィックの表示方法
を提供することにある。

【０００７】本発明の第３の目的は、実際のロボットを
動作させる場合でも上述したと同様の問題があるので、
ロボットの動作をロボットの大きさに依存させずに決定
でき、また、様々な動作を指令することのできるコンピ
ュータグラフィックの表示方法を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的は、多関節物体
の動きを周波数解析により測定し、その測定値を基に関
節の曲げ角度を表す関数を求め、その周期関数を基に、
多関節物体の画像を表示画面上に表示することで、達成
される。上記目的は、前記構成において、前記周波数解
析は、フーリェ解析であることで、達成される。上記目
的は、多関節物体の動きを測定し、その測定値を基に関
節の曲げ角度を表す周波数関数を求め、その周期関数を
基に、多関節物体の画像を表示画面上に表示すること
で、達成される。上記目的は、前記第１又は第３の構成
において、前記表示する画像が、多関節物体の関節に肉
付けがなされている画像であることで、達成される。

【０００９】

【実施形態】以下、本発明の一実施例を図面を参照して
説明する。

【００１０】図１は、本発明の第１実施例に係るコンピ
ュータグラフィック装置の構成図である。このコンピュ
ータグラフィック装置は、図２に示す様に、多関節物体
の一例である人間が動作する画像１をＣＲＴ等の表示画
面に表示するものである。この例において、人間１を、
図３に示す様に、多関節の線画として表現し、この線画
の各関節（この図３の例では、２が股の関節、３が膝の
関節、４が肘の関節、５が肩の関節を示す。）の曲げ角
度を制御して各種の形状をとらせ、この線画に人間とし
ての肉付けをすることで、図２の様に人間の動作画像を
表示する。

【００１１】図１に示すコンピュータグラフィック装置
は、各関節の曲げ角度を表す周期関数を基本動作毎に格
納した基本動作関数記憶装置１０と、該記憶装置１０内
の種々の関数のうちから所望の関数を選択する基本動作
選択装置１１と、該装置１１にて選択され記憶装置１０
から読み出された関数を読み込み該関数にて時系列に該
当関節の曲げ角度を算出する関節角演算装置１２と、該
演算装置１２における前記時系列に算出する速度つまり
当該関節の動作速度を制御する速度制御装置１３と、各
種の多関節物体の線画に肉付けする形状を格納した多関
節物体形状記憶装置１５と、多関節物体の形状を選択す
る形状選択装置１６と、演算装置１２で算出された関節
曲げ角度だけで表現されている多関節物体の動作を記憶
装置１５から読み出した形状で肉付けし二次元に表示す
る画像情報を生成するレンダリング装置１４と、該画像
情報を表示する表示装置１７とを備えて成る。

【００１２】基本動作関数記憶装置１０には、「歩行動
作」，「駈け足動作」，「座る動作」等の基本動作毎に
各関節の動きを関数化した関数が格納されている。そし
て、オペレータは、図２に示す様に、表示画面に表示さ
れている基本動作指定アイコン３０をピックすることで
基本動作を選択する。以下、人間の「歩行動作」につい
ての関数を例に説明する。

【００１３】図４は、歩く人間を真横（Ｘ軸方向）から
見たときの主要関節の曲げ角度の実測値の時間変化を示
す曲線である。２ａが腰関節の変化曲線であり、３ａが
膝関節の変化曲線であり、４ａが肘関節の変化曲線であ
り、５ａが肩関節の変化曲線である。この実測値は、２
周期（２歩）についてとったものであるが、各関節間の
動きに相関関係があることが判る。図５は、図４に示す
膝関節実測値３ａをフーリエ解析した結果である。主要
スペクトルは高々数次である。よって、関節の曲げ角度
の時間変化Θm(t)は、非常に低い次数の次の関数で表す
ことができる。

【００１４】

【数７】ここで、Ｄm：直流成分Ａmn：各周波数成分の振幅 Ψmn：位相ｍ：関節番号ｎ：ｎ次の高調波 Φm：基準関節の第１高調波と第ｍ関節との位相差（基
準関節ではΦm＝０となる。）尚、各関節の動きの間の調和は、各関節間の位相差Φm
で表現され、この位相差は保存される。

【００１５】図１の関節角演算装置１２は、この関数
（１）を用いて膝関節の動きを変数ｔの値を変えながら
演算し、各ｔでの膝関節の位置を順次表示することで、
動いてる膝が表示される。尚、動作速度であるが、図２
に示す動作指定アイコン３３にてそのアイコン中の縦バ
ー４０の表示をマウスカーソル等で左右に移動させるこ
とで図１の速度制御装置１３が作動する。関数角演算装
置１２は、第（１）式を用いて、時系列的に、Θm(t
１)，Θm(t２)，Θm(t３)…を演算するが、オペレータ
が動作速度を速く指定したとき、ｔ２−ｔ１＝ｔ３−ｔ
２＝…＝Δｔの値を大きくして演算する。

【００１６】上記の第（１）式で表される関数は、長さ
を示すパラメータを持たないので、モデルの大きさや寸
法比率等が変化しても、関数を変更する必要は無い。こ
のため、表示対象のモデルの大きさを変更する場合で
も、オペレータへの負担は軽くまた、変更後のモデルの
動作表示も迅速にできるようになる。つまり、本実施例
では、基本動作の種別，動作速度，多関節物体の形状を
選択するだけで、非常に少ない情報量，操作量で多関節
物体の動作を表現できる。

【００１７】図６は、本発明の第２実施例に係るコンピ
ュータグラフィック装置の構成図である。図１に示す第
１実施例に比べ、副詞成分記憶装置２０と副詞成分選択
装置２１が新たに設けられており、関節角演算装置１２
は、選択された基本動作関数と選択された副詞成分とを
用いて演算を行うようになっている。ここでいう副詞成
分と、日本語文法上の「副詞」に該当し、動作を修飾す
るものである。つまり、「うれしそうに」とか「悲しそ
うに」とか「楽しく」等である。本実施例では、この副
詞を関数化し、どのような副詞を選択するかをオペレー
タに指定させる。図２に示す様に、本実施例では、画面
上の副詞選択アイコン３１をピックすることで選択でき
るようにする。例えばアイコン３１にマウスカーソル等
を合わせ、左ボタンをピックする毎に、「愉快に」，
「楽しく」，「酔ったように」，「おっとりと」，…と
順次表示され、該当する副詞が現われたとき右ボタンを
ピックして選択する。基本動作として「歩行動作」を選
択し、副詞として「楽しく」を選択した場合、表示され
ている人間画像１は、「楽しく歩く」動作を行う。以
下、副詞の制御について説明する。

【００１８】図７（ａ）は「標準的に歩く」ときの膝関
節曲げ角度実測値の時間変化を示すグラフであり、図７
（ｂ）は「楽しく歩く」ときの膝関節曲げ角度実測値の
時間変化を示すグラフである。この図７（ｂ）に示す
「楽しく歩く」グラフのスペクトル解析の結果が図８で
あり、「標準的に歩く」ときのスペクトル解析の結果が
前記図５である。この両スペクトル解析の差が「楽し
く」の成分ということになり、これを図９に示す。尚、
図５，図８，図９にはパワースペクトルのみ表示してあ
り、また夫々の位相も異なる。この図９によれば、「楽
しく」主要スペクトルも高々数次ということになる。こ
の「楽しく」の副詞まで勘案した膝曲げ角度を示す関数
Θm(t)は次式（２）のようになる。

【００１９】

【数８】ここで、ｄｍn：「楽しく」の直流成分' ａmn：各周波数成分の「楽しく」の成分 ψmn：「楽しく」の位相成分オペレータが副詞として「楽しく」を選択装置２１（図
６）にて選択した場合には、副詞成分記憶装置２０から
ｄm，ａmn，ψmnの値が読み出され、この値が前記第
（１）と合成され第（２）式となって演算装置１２にて
計算される。これにより、「楽しく歩行」する人間の画
像が画面上に表示される。

【００２０】本実施例では、第１実施例の操作に副詞選
択操作を加えるだけで、副詞で修飾される動作を多関節
物体に行わせることが可能となる。

【００２１】図１０は、本発明の第３実施例に係るコン
ピュータグラフィック装置の構成図である。本実施例で
は、図６の第２実施例の構成に比べて、副詞制御装置２
２と副詞重み指示指示装置２３を付加してある。本実施
例では、関節角演算装置１２が演算する関数式として、
次の第（３）式を用いる。

【００２２】

【数９】この式において、αmは副詞の重みであり、βmは振幅の
重みである。副詞の重みαmは、これを変化させること
で、「標準的に歩く」〜「楽しく歩く」〜「非常に楽し
く歩く」までを指定できるようにする。或いは、「楽し
く」の反対の副詞「悲しそうに」の「非常に悲しそう
に」〜「標準的に」〜「非常に楽しく」までを指定する
ようにしてもよい。副詞重み指示装置２３によるこの指
定は、図２の副詞の強さを指定するアイコン３４の縦バ
ー４０の表示を左右に移動させることで行う。振幅の重
みβmは歩幅に相当し、図２のアイコン３２の縦バー４
０の表示を右にするほど大きな値をとるようにする。つ
まり、大きな歩幅で歩くようにする。

【００２３】本実施例によれば、第２実施例の操作に重
み指定操作を付加するのみで、副詞の程度や歩幅を変化
させることが可能となり、また、その変化を連続的に行
わせることが可能となる。

【００２４】図１１は、本発明の第４実施例に係るコン
ピュータグラフィック装置の構成図である。第３実施例
では、副詞として一種類のみを指定できる構成とした
が、本実施例では複数の副詞を指定できる副詞制御装置
２４と副詞重み指示装置２５を用いている。この実施例
によれば、例えば「楽しく」「ゆっくり」とした「歩行
動作」を行わせることができる。この場合の関数式は、
次式（４）で表される。尚、この第（４）式では、各パ
ラメータの重みを変化できるようにしてある。

【００２５】

【数１０】このように副詞を複数指定できる構成とすることで、よ
り豊富な動作表現が可能となる。

【００２６】上述した様に、本実施例によれば、関数式
のパラメータを連続的に変化させることができ、更に変
化させたパラメータによって対話形式で且つリアルタイ
ムに人間の動作表現を変えることが可能である。

【００２７】尚、上述した実施例は、コンピュータグラ
フィックでの動作表示であるが、関数角演算装置の演算
結果を動作指令として実物の多関節ロボットの動作制御
信号とすると、ロボットの大きさに依存しないロボット
制御装置を作ることができ、また、ロボットに副詞で表
現される豊富な動作をさせることが可能となる。また本
発明は前記実施形態に限るものではなく、例えば多関節
物体の各関節の曲げ角度を関数で表す場合、関節間の長
さとは独立に表すことができる。従って、表示する多関
節物体の形状を関節の曲げ角度を用いて算出する場合、
モデルの大きさに依存せずに、つまり関数を作り直さず
に算出することができる。このため、モデルの大きさに
変更が生じた場合でも、既に設定してある関数を用いて
計算することが可能となる。また、この関数のパラメー
タを変更して各関節での曲げ角度の変化速さ等を変更す
ることで、動作表現の変更が可能となる。

【００２８】

【発明の効果】本発明によれば、モデルやロボットの大
きさに依存しない関数式を用いて動作途中の形状を算出
するので、様々な大きさのモデルやロボットをリアルタ
イムに動かすことが可能となる。また、副詞で修飾され
る動作を行わせ且つその副詞で表現される程度を変更で
きるので、豊富な動作を表現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態に係るコンピュータグ
ラフィック装置の構成図。

【図２】コンピュータグラフィック装置の表示画面構成
図。

【図３】人間を線画として示した図。

【図４】人間の主要関節の曲げ角度変化の実測値を示す
グラフ。

【図５】図４の曲線３ａのスペクトル図。

【図６】本発明の第２の実施形態に係るコンュータグラ
フィック装置の構成図。

【図７】図７は曲げ角度変化を示すグラフ図であり、図
７（ａ）は図４の曲線３ａと同じで標準的な歩行動作に
おける膝関節の曲げ角度変化を示すグラフ、図７（ｂ）
は「楽しく歩く」ときの膝関節の曲げ角度変化を示すグ
ラフ。

【図８】図７（ｂ）のスペクトル図。

【図９】図９は図５と図８のスペクトル差を示すスペク
トル図。

【図１０】本発明の第第３の実施形態に係るコンピュー
タグラフィック装置の構成図。

【図１１】本発明の第４の実施形態に係るコンピュー
タグラフィック装置の構成図。

【符号の説明】

１０…基本動作関数記憶装置、１１…基本動作選択装
置、１２…関節角演算装置、１３…速度制御装置、１４
…レンダリング装置、１７…表示装置、２０…副詞成分
記憶装置、２１…副詞成分選択装置、２２，２４…副詞
制御装置、２３，２５…副詞重み指示装置。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平１−26274（ＪＰ，Ａ) 井上誠喜，吉良健二，井沢弘道，柔軟な歩行モデルの開発とキャラクターアニメーションの制作手法，テレビジョン学会技術報告，社団法人テレビジョン学会，Ｖｏｌ．８，Ｎｏ．25，ｐ．13−18 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G06T 1/00 G06T 11/60 - 17/50 G06F 17/50 G05B 19/18 - 19/46 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】多関節物体の動きを周波数解析により測
定し、その測定値を基に関節の曲げ角度を表す関数を求
め、その周期関数を基に、多関節物体の画像を表示画面
上に表示することを特徴とするコンピュータグラフィッ
クの表示方法。
【請求項２】請求項１において、前記周波数解析は、
フーリェ解析であることを特徴とするコンピュータグラ
フィックの表示方法。
【請求項３】多関節物体の動きを測定し、その測定値
を基に関節の曲げ角度を表す周波数関数を求め、その周
期関数を基に、多関節物体の画像を表示画面上に表示す
ることを特徴とするコンピュータグラフィックの表示方
法。
【請求項４】請求項１又は３において、前記表示する
画像は、多関節物体の関節に肉付けがなされている画像
であることを特徴とするコンピュータグラフィックの表
示方法。