JPH08329272A

JPH08329272A - アニメーション作成方法

Info

Publication number: JPH08329272A
Application number: JP35483995A
Authority: JP
Inventors: Toshiyasu Kunii; 利泰国井; Ritsunei Son; 立寧孫
Original assignee: KONGOUZEN SOUHONZAN SHIYOURINJI
Current assignee: KONGOUZEN SOUHONZAN SHIYOURINJI
Priority date: 1995-12-30
Filing date: 1995-12-30
Publication date: 1996-12-13

Abstract

(57)【要約】【課題】作業容易なコンピュータ・アニメーション作
成方法を提供する。【解決手段】人間の基本的な動きを分析し関節に働く
力あるいはトルクをデータベースに入力しておき、体の
各部分を他の部分と区別して動力学方程式を適用して計
算し、体の各部分の相互結合関係及びそれぞれの関節の
動きの範囲を含む制約条件をチェックし、これらの制約
条件によりチェックされた動き及び力を逆動力学を適用
して計算し、アニメーションを行うために、体の各部分
を他の部分と区別して動力学方程式を適用して計算し、
体の各部分の相互結合関係及びそれぞれの関節の動きの
範囲を含む制約条件をチェックし、これらの制約条件に
よりチェックされた動き及び力を逆動力学を適用して計
算し、この動きや力などの結果を表示する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、コンピュ−タを用
いて人間の動きを画面上に再現するアニメーション作成
方法に関するものである。

【従来の技術】

【０００２】コンピュータによるアニメーションはウィ
リアムス，アイザックス，フォーセィ及びセルビィが対
象物の物理的特性および対象を支配する物理的法則を考
慮に入れるようにしたことにより、近年ますますリアル
に、また美しくなってきている。ナイジェル及びカルバ
ートがアニメーションにおいて用いた対象物の動きを表
す方法は運動学（キネマテックス）と呼ばれる。この方
法は力やトルクを無視して、位置，速度，加速度のみを
用いて動きを表現するものであるが、この運動学を適用
したアニメーションにおいては、アニメータが動きの設
計を明確に行わなければならない。

【０００３】しかし、対象物の動きはそれ自体の性質や
環境との相互作用により決定されるので、運動学を適用
したアニメーションにおいてリアルな動きを生成するた
めに必要な現象について計量を行うのは容易ではない。

【０００４】これに対して、物体の運動を力との関係で
論じる動力学（ダイナミックス）として知られている方
法があり、この方法をアニメーション作成に適用すれば
少ない操作で複雑な動きを作成することができる。ま
た、この動力学を適用したアニメーション作成方法によ
れば、もう一つの大きな長所すなわち運動学を適用した
アニメーション作成における動きの設計の限界を避ける
ことができる。なお、以下の説明において逆動力学（イ
ンバースダイナミックス）なる用語が使用されている
が、これは一般に、動力学が力を与えて動き（例えば、
加速度）を計算するものであるのに対し、その逆計算す
なわち動きから力を計算するもので、用語は異なるが同
一の手法である。

【０００５】しかし、動力学を適用したアニメーション
作成方法においては、計量が困難な慣性モーメント，重
心，関節の摩擦，筋肉／靭帯の弾性等の動的パラメータ
のデータが必要であり、これらのデータがないと運動学
を適用したアニメーション作成方法の場合と同様に非現
実的な動きになってしまう。また、比較的手間のかかる
動力学方程式を解く必要があり、関節を有し自由度が２
００もある人体においては、６００もの微分方程式を同
時に解かなければならない。

【０００６】そのため、これまでに提案された動力学を
適用したアニメーション作成方法は実際の動きを再現す
るのに適しているとは言えず、人体や動物体の完全な動
きを再現する動力学を適用して動きの力を考慮したアニ
メーション作成方法はなかった。

【０００７】今までにも、アニメータの知識と技術を得
るためにツェルツァー等により人工知能（ＡＩ）やエキ
スパートシステムに基づいた研究は行われていた。ま
た、バドラーは自身の動力学を適用したアニメーション
を制約条件に基づいた方法を用い、ドリュウェリーとツ
ォツォスは目標指向アニメーションのためにフレームに
基づく方法の研究を行った。

【０００８】これらの研究における知識には、大きさ、
慣性のモーメントなどの人体や動物体の動きの基本的デ
ータ及びそれぞれの関節の動きの範囲を規定する制約条
件が含まれるが、これらの知識はアニメータの直観によ
り得られるものである。

【０００９】従来の動力学を適用したアニメーション作
成方法は、人体の場合を例に挙げると１．人体モデルを作成２．人間の実際の動作を入力３．入力された動作を解析４．新規な動作を作成５．動作を画面に表示の５つの段階からなっている。

【００１０】第１段階の「人体モデルを作成」では、人
体を動きの最小単位となる部分に分解し、これら各々の
部分固有の性質、相互の関係及び関節の動きの範囲等の
制約条件に基づき人体モデルを作成し、適宜のコンピュ
ータ言語で作成したデータとしてコンピュータのデータ
ベースに入力しておく。

【００１１】第２段階の「人間の実際の動作を入力」で
は、計算の対象となる動作をビデオ画像のフレーム単位
あるいはフィルム画像のコマ単位で上記第１段階と同様
にしてコンピュータのデータベースに入力する。この場
合、複数の方向から同時に撮影した画像を用いれば、次
の段階の計算をより具体的に行うことができる。

【００１２】第３段階の「入力された動作を解析」で
は、第２段階で入力された動作について各部分の重心お
よび全体の重心を計算し前記の逆動力学を用いて各関節
に働く力及びトルク、全体の重心に働く力及びトルクを
解析する。

【００１３】各部分の動作を計算するため、この動作解
析においては重心の線加速度を求めるのにニュートンの
方程式を用い、重心の角加速度を求めるのにオイラーの
方程式を用い、線加速度及び角加速度が得られたら、こ
れらを積分して速度を求め、さらに積分して位置を求め
る。

【００１４】この新規な動きを作成する第４段階におい
ては、ギブズの式を用いて動力学方程式を精密に解くウ
ィルヘルムスが提案した方法が優れている。しかし、ウ
ィルヘルムスの方法は概念が複雑であるうえに、ｎをア
ニメーションにおいて動きの最小単位になる人体を構成
する部分の数とした場合の計算量Ｏ（ｆ（ｎ））がｎ^４
の関数Ｏ（ｎ^４）であり計算量が多いため、コンピュー
タによる計算が高くつくという理由で実際のアニメーシ
ョンには用いられていない。

【００１５】一方、アームストロングは計算量Ｏ（ｆ
（ｎ））がｎの関数Ｏ（ｎ）である計算を用いたアニメ
ーション作成方法を提案した。このアームストロングの
方法は、関節の線加速度と角加速度の間に一定の関係が
存在するという考えに基づいているが、この関係は軸の
回りの回転について無視することができる時にのみ成立
する。したがって、画面上に表示することができるのは
人体を構成する部分を線で表す線画（ライン・ピクチ
ャ）のみであり、軸の回りの回転について無視すること
ができない場合には、アームストロングの方法を用いる
ことはできない。したがって、アームストロングの方法
によっては人体を立体的に肉付けしてリアルに表示する
ことはできない。

【００１６】このように、実際のアニメーション作業に
おいては使いやすい対話形式によりリアルタイムに応答
する方法が必要であるにもかかわらず、これまでのアニ
メーション作業は試行錯誤により行われ対話形式による
リアルタイムに応答するものではなかった。

【００１７】第５段階の「動作を画面に表示」において
は設計の途中あるいは設計が終了した新しい動きを画面
に表示するが、その際に表示された人体の動作と力の関
係に逆動力学を適用してラグランジェの方程式を用いて
計算し、重心の位置、体の各関節に発生している力の方
向を人体に合成して表示する。

【００１８】

【発明が解決しようとする課題】動力学を適用したアニ
メーション作成方法において上記の複雑な計算が必要に
なるということと、対話形式による使いやすい方法がな
いということとの間には人間の動きに関する知識が欠け
ているという共通の問題が存在する。そこで、本発明に
おいては動力学を適用した新しいアニメーション作成方
法を提案し、実際の人間の動きを解析して得られた人間
の動きについての知識を用いて新規な人体の動きの完全
な作成を行う。

【００１９】すなわち、本発明は試行錯誤あるいはアニ
メータの直感によることなく、コンピュータを用いて対
話形式により線画ではない肉付けされ立体的な人体や動
物体の動きの作成を実現することができるアニメーショ
ン作成方法を提供することを課題とするものである。

【００２０】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明の動力学を適用したアニメーション作成方法
においては最初に、人間や動物の基本的な動きを解析
し、人体や動物体のそれぞれの関節に発生する力及びト
ルクを含む動的パラメータのデータを基本的な動きに関
する知識としてデータベースに入力する。

【００２１】次に、アニメータはデータベースにアクセ
スし、得られたデータを加工するが、コンピュータは制
約条件に制約された動きの形で、前記逆動力学の計算結
果を力の形でリアルタイムでアニメータにフィードバッ
クし、満足の行く結果が得られるまでこの過程を繰り返
すことにより、動きを対話形式により設計する。

【００２２】この動力学を適用したアニメーション作成
方法の計算量はｎの関数Ｏ（ｎ）であり、ウィルヘルム
スの方法に存在したコンピュータによる計算が高くつく
という問題を解決している。また、試行錯誤あるいはア
ニメータの直感によることなく、対話形式により線画で
はないなめらかに肉付けされた立体的でリアルな人体や
動物体の動きの作成を実現することができるアニメーシ
ョン作成方法を提供することができる。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、図面を用いて本願発明の実
施例について説明する。図１に本発明のフローチャート
を示すが、このフローチャートは１．人体モデルを作成２．人間の実際の動作を入力３．入力された動作を解析４．動作の設計５．動力学６．制約条件を適用７．逆動力学を適用８．結果を画面に表示の各段階から構成されている。

【００２４】第１段階の「人体モデルを作成」では、人
体を動きの最小単位となる部分（すなわち、関節で分離
される部分）に分解し、これら各々の部分固有の性質、
相互の関係及び関節の動きの範囲等の制約条件に基づい
て人体モデルを作成し、適宜のコンピュータ言語で記述
したデータとしてコンピュータのデータベースに入力し
ておく。

【００２５】第２段階の「人間の実際の動作を入力」で
は、計算の対象となる動作をビデオ画像のフレーム単位
あるいはフィルム画像のコマ単位で上記第１段階と同様
にコンピュータのデータベースに入力する。この場合複
数の方向から同時に撮影した画像を用いれば、次の段階
の計算をより具体的に行うことができる。

【００２６】第３段階の「入力された動作を解析」で
は、第２段階で入力された動きから逆動力学を用いて計
算し、各部分の重心、各関節に働く力及びトルク、全体
の重心、重心に働く力及びトルクを解析する。

【００２７】入力された動作の解析のみを行う場合は、
第３段階で得られた各部分の重心、各関節に働く力及び
トルク、全体の動き及び重心、全体の重心に働く力及び
トルクを矢印等により入力された実際の動作に重ねて画
面上に表示する。このようにして、動作の解析が行われ
る。

【００２８】次に、上記の解析結果を利用して新しい動
きを設計する場合について説明する。新しい動作を設計
するためには、予め第１段階の人体モデルのデータ、第
２段階で得られた人間の実際の動作のデータ及び第３段
階で得られた解析結果のデータを上記と同様にデータベ
ースに入力しておく。

【００２９】第４段階の動作の設計においては、アニメ
ータは最初にデータベースから基本的な動作を選択す
る。図２に示すのは格闘技の一種である少林寺拳法にお
ける左肘の動きをデータベースに基いて作成した制御グ
ラフであるが、この制御グラフにおいて横軸は時間を、
縦軸は体のそれぞれの関節に発生する力をＸ，Ｙ，Ｚの
３軸について表している。なお、当然のこととして同一
の関節に発生する２つの力は、大きさが同じで方向が逆
である。

【００３０】また、複雑な動作は数個の制御グラフによ
り表される。例えば人物がイスから立ち上がって歩くと
いう動作を表す制御グラフは、連続した動作を合成して
構成される。なお、他の部分のそれぞれのグラフは例に
挙げた左肘の場合と同じ方法で設計する。

【００３１】次に、力が発生するすべての人体の部分に
ついて、制御グラフの横軸および縦軸の拡大・縮小を含
む物理的変数の変更を一括に行う全体的な変更及び体の
ある一部分に発生する力等の物理的変数を変更する部分
的な変更を行う。

【００３２】第５段階の「動力学を適用」においては、
各部分の動作はアニメータにより指定された力及び各部
分の動きを支配する動力学方程式に基づいて各部分の動
きが計算される。その場合、図３（ａ）に示すように本
来体の各部分は相互に結合関係にあるのであるが、計算
量を減らすため（ｂ）に示すように体の各部分は他の部
分と切り放され、人体の各部分の相互結合関係と関節の
動作の範囲に関する制約条件も一時的に無視される（図
３の（ｂ）参照）。

【００３３】各部分の動作を計算するため、本発明の動
作解析においては重心の線加速度を求めるのにニュート
ンの方程式を用い、重心の角加速度を求めるのにオイラ
ーの方程式を用い、線加速度及び角加速度が得られた
ら、これらを積分して速度を求め、さらに積分して位置
を求める。

【００３４】第６段階の「制約条件の適用」では、各部
分の動作の計算結果について、人体の各部分の相互結合
関係と関節の動きの範囲の２つの物理的制約条件がチェ
ックされる。この処理は、基本的な部分から始まり、そ
の下位（例えば、人体の中心部から離れた部分）のそれ
ぞれの部分の位置、配列方向が順次チェックされる。こ
こでは下位の部分が上位の部分（例えば、人体の中心部
に近い部分）に常に接続されているか否か及び個々の関
節の動作が決められた範囲を越えているか否かの２つの
チェックを行う。

【００３５】その結果、図４（ａ）に示すように下位の
部分が上位の部分に接続されていない場合には、下位の
部分が上位の部分に接続されるように下位の部分を平行
移動させ、個々の関節の動きが一定の範囲を越えている
場合には、回転させてその関節の動きが範囲内になるよ
うに調整し、図４（ｂ）に示すような自然な姿勢に修正
する。

【００３６】第７段階の「逆動力学の適用」において
は、力と動作の関係を表現するラグランジュの方程式を
用いて、動きのデータから体の各関節に起こる力を計算
する。

【００３７】新しい動作を設計する場合に、満足の行く
結果が得られない場合には第５段階から第６段階までの
過程を繰り返して、コンピュータ画面の表示との対話形
式により新しい動作の設計を行う。

【００３８】第８段階の「動作を画面に表示」において
は設計の途中あるいは設計が終了した新しい動きを画面
に表示する。その際に表示された人体の重心の位置、発
生している力の方向を人体に合成して表示することがで
き、このようにすれば表示された動作をより具体的に表
示することができる。

【００３９】本発明においては、図１に示すように単純
な線形回帰アルゴリズムによっているから、逆動力学の
計算を行うための計算量はｎの関数であるＯ（ｎ）であ
る。これにより、ｎ個の関節をもつ人体モデル全ての動
作に適応でき、３次元関節モデルの各部分に時間ｔにお
ける前記Ｘ，Ｙ，Ｚの値を与えることにより、物理的に
は現実世界と同じ動きがコンピュータ内部に再現でき
る。

【００４０】このような、所謂逆動力学により、合理的
で完全な力の組合せを得ることができる。また、逆動力
学によらなければアニメータが完全な力の設計を見つけ
ることは不可能である。本発明においては、体の部分の
個々の配列方向はその関節の限界を越えると変化し、体
の各部分の個々の位置は体の物理的な制約条件にあては
まるようにされる。

【００４１】このようにして得られた人体の動きは人体
の下位の部分が上位の部分に常に接続され、個々の関節
の動作が決められた範囲を越えていていない自然なもの
であるから、そのまま肉付けして立体的にリアルに表示
することができる。

【００４２】また、本発明は試行錯誤あるいはアニメー
タの直感によることなく、コンピュータを用いて対話形
式により人体の動きを設計することができる。

【００４３】以上説明した実施例においては人体を対象
とする場合に次いてのみ説明したが、この方法は動物体
へも全く同様にして適用可能である。

【００４４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の動力学を
適用したアニメーション作成方法は、実際の人間の基本
的な動きの解析及び新しい動きを作成する２つの過程か
らなる。そして、人間の基本的な動きの解析は人体モデ
ルの作成、実際の動作の入力、入力された動作の解析の
３段階で進み、新しい動きの作成は動力学、制約条件、
逆動力学の３段階で進み。動力学の段階では人体を関節
によって分離された５０個のそれぞれ独立した部分に分
け、個々の部分の動きはニュートンの方程式とオイラー
の方程式を用いて他の部分の動きとは切り放して計算さ
れる。制約条件の段階では体の部分の相互結合関係及び
関節の動きの範囲がチェックされる。逆動力学の段階で
は、制約条件により修正された新しい動きを生む力を計
算する。その場合の全体の計算量はＯ（ｎ）となり、従
来のＯ（ｎ^４）と比較して大幅に計算量が低減される。
したがって、本発明のアニメーション作成方法により、
これまでの動力学によるアニメーションにあった計算の
問題を解決し、実際のアニメーション作業にうまく応用
できるようにし、リアルタイムのフィードバックができ
るようになった。そして、人体の各部分の動きを計算す
るため、重心の線加速度をニュートンの方程式を用い
て、重心の角加速度をオイラーの方程式を用いて求めて
いるから、体の部分の各々の重心の位置及びそれらの重
心にかかる力を求めて表示することができ、同様に全体
の重心の位置及びその重心にかかる力も求めて表示する
ことができる。また、線画ではないなめらかに肉付けさ
れた立体的でリアルな人体の動きの作成を実現すること
ができる。その上、アニメータはモデルの人体をディス
プレイ画面上で様々な視点から見ることができ、コンピ
ュータ画面との対話形式により体の部分を並行移動させ
たり、回転させたりすることができる。従って、アニメ
ータは絵とモデルの人体との間の対応関係を正確に把握
することができる。従来のアニメーション作成方法にお
ける知識には人体の動きの基本的データ及びそれぞれの
関節の動きの範囲を規定する制約条件が含まれるが、こ
の知識はアニメータの直観により得られるのに対して、
本発明のアニメーションにおける知識は人間の実際の動
きを解析して得られた実際の動的パラメータを指してい
る。したがって、この知識から作られた動きは科学的で
信頼性があり、リアルな動きを作ることができる。な
お、最近オブジェクト指向のモデルが様々な分野で用い
られており、オブジェクト指向の方法によるとユーザイ
ンターフェースは直接操作モデルになる。この直接操作
モデルは画面に表示された映像が対象物に反応するもの
であるから、本発明のアニメーション作成方法を用いれ
ば対象物を対象物空間で直接扱ったり操作したりするこ
とができる。また、本発明において示す動作解析方法及
び動作設計方法は、アニメーション作成方法以外にロボ
ットあるいは数値制御装置などの工業設備のプログラム
作成、スポーツあるいは芸能等における動作の学習、動
物の調教等の用途に適用すれば非常に有用である。

【図面の簡単な説明】

【図１】アニメーション作成方法のフローチャート。

【図２】関節に働く力の例の制御グラフ。

【図３】動力学による計算の模式図。

【図４】逆動力学による計算の模式図。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】人体モデルの動きをコンピュータ画面上に
再現するためのアニメーション作成方法において、前記人体を関節で区分される動きの最小単位に分解して
作成した部分からなる人体モデルの前記最小単位の固有
の性質、相互の関係および関節の動きの範囲の制約条件
を記述したデータをデータベースに入力する段階と、前記人体の実際の動作をビデオ画像のフレーム単位ある
いは画像のコマ単位の何れかに基づいて記述したデータ
をデータベースに入力する段階と、前記動作入力段階で入力したデータに基づいて実際の人
体の全体および前記人体モデルの最小単位に対応する各
部分の重心、各関節に働く力、トルクを解析してデータ
ベースに入力する段階と、データベースから前記人体モデルの基本的な動作に対応
する前記人体の実際の動作の解析データをデータベース
から選択し、実際の人体のモデルの最小単位に対応する
各部分の重心、各関節に働く力、トルクから新しい動作
を他の部分と切り離し、各部分の相互関係と関節の動き
の範囲の物理的制約条件を無視して計算する段階と、前記計算した新しい動作に対して前記各部分の相互関係
と関節の動きの範囲の物理的制約条件を適用して前記新
しい動作を修正する過程を繰り返す段階と、からなることを特徴とするアニメーション作成方法。