数据局部特征驱动的人体运动合成方法研究

摘要

人体运动合成技术是计算机动画技术的重要组成部分，可细分为模型驱动和数据驱动两大类方法，基于后者的人体运动合成技术在现阶段更适合于构建自然、真实的人体全身运动动画。目前，在数据驱动人体运动合成的主流方法中，存在着人工定制过多，对样本的依赖性较强等问题。本文从运动的局部特征入手，以人体运动合成中的运动过渡生成、无滑步位移运动生成以及虚拟人的实时控制等运动合成中的关键环节为研究对象，探索了解决前述问题的有效途径与方法。提出了基于拉普拉斯坐标的运动过渡生成算法、基于接触的运动图的虚拟人位移运动生成方法和支持实时交互控制的虚拟人运动合成方法。
　　运动过渡生成是数据驱动人体运动合成的基本技术。为了减少人工定制、减轻对样本的依赖，提出基于拉普拉斯坐标的运动过渡生成算法。将人体运动表示为多维向量空间中采用顶点集合定义的曲线段，利用顶点代表运动某一帧中若干个通道的数据，利用顶点间的邻域关系代表这些数据之间的时序关系，进而利用关于顶点的拉普拉斯坐标来表示运动在时间上的局部特征。在尽量保持拉普拉斯坐标不变的情况下将代表两段运动的曲线段进行拼接，生成这两段运动之间的运动过渡。实验结果表明，该方法只需要分别指定两段运动中参与过渡的帧数就可以生成平滑的、同时带有两段输入运动局部特征的运动过渡。由于无需为每个参与过渡的帧分配权值，同时无需通过对样本的学习来生成运动过渡，该方法的人工定制因素更少且样本依赖程度更低。
　　滑步现象是数据驱动人体运动合成中常见的失真现象。为了避免对大量样本的搜索和优化，直接生成无滑步的运动，提出基于接触的运动图并将其应用于虚拟人位移运动的生成。利用运动中人体足部与地面接触的局部信息构建基于接触的运动图。结合图上节点和边在改变运动方向上的不同可能性，利用它们蕴含的足部与地面的局部接触信息，通过对图上运动序列进行调整，直接生成沿水平地面上指定路径行进的无滑步位移运动。实验结果表明，利用基于接触的运动图，只需很少的样本就能够直接生成无滑步的虚拟人位移运动，且能够包含双足腾空的运动片段。由于无需通过对大量相关样本进行优化和搜索来去除滑步现象，这种方法对样本的要求大大降低。
　　根据用户输入实时生成无滑步的全身运动在现阶段主流应用系统中难以实现。为了使虚拟人能够实时响应用户输入生成无滑步位移运动，提出支持实时交互控制的虚拟人运动合成方法。利用面向基于接触的运动图路径匹配算法中匹配单元的局部性，将不同时刻的待匹配路径看做不同输入，在每个时间片中对当前待匹配路径执行最多一步匹配，实现支持动态路径的在线匹配。通过动态改变待匹配路径，实现对虚拟人位移运动的实时控制。实验结果表明，该方法能够根据用户的输入实时地自动生成符合要求的虚拟人无滑步位移运动。由于在运行过程中无需针对各种特殊情况分别考虑虚拟人的响应策略，该方法所需要的人工定制更少。
　　研究显示，利用运动数据的局部特征，能够有效减少人体运动合成中的人工定制，减轻对样本的依赖，提高数据驱动运动合成的自动化程度。

目录

声明

摘要

图表目录

主要符号表

1 绪论

1．1 问题提出与研究意义

1．2 国内外相关研究进展

1．2．1 基于线性混合的方法

1．2．2 基于图结构的方法

1．2．3 基于机器学习的方法

1．2．4 小结

1．3 本文主要研究思路与内容

1．4 本文组织结构与内容安排

2 人体运动数据获取方式与编辑策略

2．1 引言

2．2 人体运动数据获取方式

2．2．1 人体运动捕捉设备

2．2．2 运动数据存储格式

2．2．3 小结

2．3 人体运动数据编辑策略

2．3．1 运动样例的数据结构

2．3．2 姿态编辑

2．3．3 位置及朝向编辑

2．4 本章小结

3 基于拉普拉斯坐标的运动过渡生成

3．1 引言

3．2 基于拉普拉斯坐标的运动局部特征表达

3．2．1 局部特征表达方式选择

3．2．2 三维拉普拉斯坐标及其应用

3．2．3 运动数据到多维曲线的映射

3．2．4 多维拉普拉斯坐标

3．3 局部特征保持的运动过渡生成方法

3．3．1 拉普拉斯坐标保持的多维曲线编辑方法

3．3．2 算法流程

3．4 实验结果及分析

3．4．1 实验数据选取及参数配置

3．4．2 实验结果

3．4．3 实验分析

3．5 本章小结

4 基于接触的运动图及其在虚拟人位移运动合成中的应用

4．1 引言

4．2 基于接触的运动图

4．2．1 基于接触状态的运动数据分段

4．2．2 可变片段

4．2．3 基础运动图

4．2．4 基于接触的运动图

4．3 面向基于接触的运动图的路径匹配

4．3．1 权值定义

4．3．2 图上运动序列

4．3．3 面向节点的无滑步状态改变策略

4．3．4 面向边的无滑步状态改变策略

4．3．5 算法流程

4．4 实验结果及分析

4．4．1 接触状态判定方法

4．4．2 实验数据选取及参数配置

4．4．3 实验结果

4．4．4 实验分析

4．5 本章小结

5 支持实时交互控制的虚拟人位移运动合成方法

5．1 引言

5．2 在线无滑步路径匹配算法

5．2．1 单步匹配

5．2．2 算法流程

5．3 基于路径操作的实时控制策略

5．3．1 支持动态改变的路径表达

5．3．2 支持实时操作的路径定义

5．3．3 算法流程

5．4 实验结果及分析

5．4．1 数据准备

5．4．2 实验结果

5．4．3 实验分析

5．5 本章小结

6 总结与展望

6．1 结论

6．2 创新点摘要

6．3 展望

参考文献

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢

作者简介