郭娜

【摘 要】本文在三維虛擬人骨骼模型仿真的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的舞蹈工作，并在結(jié)合機(jī)器人舞蹈工作基本規(guī)律跟實(shí)現(xiàn)舞蹈動(dòng)作基本方法的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了三維虛擬人實(shí)現(xiàn)機(jī)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(jī)器人的舞蹈動(dòng)作方案，結(jié)果證明該方面具備有一定的可行性，對(duì)于機(jī)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(jià)值。

【關(guān)鍵詞】舞蹈動(dòng)作;機(jī)器人;三維虛擬人

中圖分類號(hào)：J718? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：11007-0125（2019）01-0122-02

近年來我國(guó)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)跟機(jī)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(jī)器人舞蹈動(dòng)畫的實(shí)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(rèn)可，在未來游戲等多個(gè)領(lǐng)域中也有著良好的應(yīng)用前景。虛擬人通過計(jì)算機(jī)動(dòng)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(jìn)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(jī)器人舞蹈動(dòng)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?yàn)榉氯藱C(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過程中動(dòng)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(jī)器人實(shí)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(qiáng)對(duì)運(yùn)動(dòng)控制方法的研究力度。目前在進(jìn)行仿人機(jī)器人控制方法的研究時(shí)，多是將研究重點(diǎn)放置在雙足運(yùn)動(dòng)跟雙手協(xié)作兩個(gè)方面，并結(jié)合穩(wěn)定性最大的要求進(jìn)行動(dòng)作控制方法的優(yōu)化工作。運(yùn)動(dòng)軌跡跟運(yùn)動(dòng)姿態(tài)對(duì)于仿真機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)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(jìn)行特定標(biāo)記點(diǎn)的裝設(shè)，然后通過動(dòng)作捕捉器對(duì)這些標(biāo)記點(diǎn)的空間坐標(biāo)進(jìn)行連續(xù)快速的記錄，從而獲取到人體的運(yùn)動(dòng)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(duì)仿人機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制的研究工作也就造成了一定的阻礙。此外仿人機(jī)器人跟真人運(yùn)動(dòng)的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)還存在有非常大的差異，導(dǎo)致了機(jī)器人的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)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(qiáng)對(duì)虛擬人模擬仿真機(jī)器人的研究力度，借此來提升對(duì)仿人機(jī)器人的控制水平。

二、結(jié)構(gòu)分析

機(jī)器人的動(dòng)作主要是表現(xiàn)在一定時(shí)間序列上面的空間位置跟姿態(tài)的幾何，其設(shè)計(jì)跟實(shí)現(xiàn)還有著非常大的主觀性、模糊性和復(fù)雜性。在舞蹈動(dòng)作中隨著關(guān)節(jié)自由度的增加，還會(huì)導(dǎo)致各關(guān)節(jié)間的影響程度得到進(jìn)一步的提升，并為后續(xù)的動(dòng)作設(shè)計(jì)跟實(shí)現(xiàn)帶來了一定的難度。一般情況下仿人機(jī)器人其關(guān)節(jié)自由度還與其舞蹈動(dòng)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(jī)器人的潛在應(yīng)用能力越強(qiáng)，而在關(guān)節(jié)自由度過少的情況下，還會(huì)導(dǎo)致機(jī)器人動(dòng)作不夠靈活，一些比較復(fù)雜的動(dòng)作也就難以實(shí)現(xiàn)。因此說在進(jìn)行仿人機(jī)器人舞蹈動(dòng)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(dòng)作的進(jìn)行。因此說設(shè)計(jì)人員還需要在充分滿足基本舞蹈動(dòng)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(dòng)作設(shè)計(jì)的工作量。

在本次研究中主要對(duì)NOBODY機(jī)器人的視頻動(dòng)畫進(jìn)行了分析，在結(jié)合仿人機(jī)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(gè)三維虛擬人骨架模型上還需要包含有一個(gè)中心位置、54個(gè)關(guān)節(jié)以及53塊骨骼段，這樣才能夠?qū)崿F(xiàn)仿人機(jī)器人的相關(guān)舞蹈動(dòng)作。

在最小人體骨骼模型中，每個(gè)部位都能夠繞著各自關(guān)節(jié)在不通過自由度方向上進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，在此基礎(chǔ)上產(chǎn)生虛擬人的運(yùn)動(dòng)。在本次研究中模擬人生模型的上肢共有18個(gè)關(guān)節(jié)，32個(gè)自由度，為了能夠表達(dá)出一些復(fù)雜的舞蹈動(dòng)作，還對(duì)每個(gè)手指定義了三個(gè)關(guān)節(jié)，借此來滿足舞蹈動(dòng)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(jī)器人舞蹈動(dòng)作完整性的基礎(chǔ)上，對(duì)原本舞蹈動(dòng)作過于復(fù)雜的問題進(jìn)行有效的解決，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了基于三維虛擬人的仿人機(jī)器人舞蹈動(dòng)畫。

三、三維虛擬人仿人機(jī)器人舞蹈動(dòng)畫的虛擬數(shù)據(jù)庫

為了更好地實(shí)現(xiàn)三維虛擬人仿人機(jī)器人舞蹈動(dòng)畫，還要求設(shè)計(jì)人員在結(jié)合該機(jī)器人最小人體骨骼模型的基礎(chǔ)上，專門設(shè)計(jì)一個(gè)虛擬舞蹈動(dòng)作關(guān)鍵幀數(shù)據(jù)庫，來進(jìn)行相關(guān)數(shù)組的存儲(chǔ)工作。因?yàn)槲璧腹ぷ鞅容^復(fù)雜，因此在該數(shù)據(jù)庫中還有著繁多的動(dòng)畫關(guān)鍵幀。這也就需要相關(guān)設(shè)計(jì)人員能夠做好三維虛擬人舞蹈動(dòng)畫虛擬數(shù)據(jù)庫表的設(shè)計(jì)工作，借此來保障相關(guān)舞蹈工作的有序進(jìn)行。虛擬數(shù)據(jù)庫能夠?qū)ξ璧竸?dòng)畫過程中的各項(xiàng)參數(shù)以及動(dòng)畫關(guān)鍵幀進(jìn)行有效的記錄，并能夠讓仿人機(jī)器人根據(jù)預(yù)先編制好的程序來進(jìn)行動(dòng)作，從而準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)舞蹈工作，對(duì)于仿人機(jī)器人的控制也有著一定的積極意義。因此說各設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行基于虛擬人的仿人機(jī)器人舞蹈動(dòng)作設(shè)計(jì)過程中，還需要做好虛擬數(shù)據(jù)庫的搭建工作，對(duì)于各項(xiàng)動(dòng)作參數(shù)跟動(dòng)畫幀也需要進(jìn)行及時(shí)的記錄跟處理，以保障該仿人機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)各項(xiàng)舞蹈工作。

四、三維虛擬人實(shí)現(xiàn)仿人機(jī)器人舞蹈動(dòng)畫過程以及仿真結(jié)果

在三維虛擬人舞蹈動(dòng)作中，其動(dòng)作的平滑度對(duì)于各種舞蹈動(dòng)作的可能性也會(huì)產(chǎn)生直接的影響。虛擬人舞蹈動(dòng)作的特殊性還在于其是由一些關(guān)鍵動(dòng)作合成的動(dòng)畫序列，而相鄰的兩個(gè)舞蹈動(dòng)作之間還存在有非常大的動(dòng)作差異性，如果未做好平滑處理工作，會(huì)導(dǎo)致該舞蹈動(dòng)作在相鄰關(guān)鍵動(dòng)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(huì)給予人們帶來失真的感覺。通過設(shè)計(jì)過渡函數(shù)的應(yīng)用，則能夠?qū)ξ璧腹ぷ鬟M(jìn)行有效的過度，并促使動(dòng)作的平滑度得到進(jìn)一步的提升，這樣仿人機(jī)器人在舞蹈過程之中其動(dòng)作也就可以平緩過渡，不同動(dòng)作之間也能夠進(jìn)行流暢的銜接，從而充分滿足真實(shí)狀態(tài)下機(jī)器人舞蹈動(dòng)畫的各項(xiàng)需求。

因此說在進(jìn)行仿人機(jī)器人舞蹈動(dòng)作的設(shè)計(jì)過程中，也就要求設(shè)計(jì)人員做好仿人機(jī)器人舞蹈動(dòng)作的函數(shù)設(shè)計(jì)工作，還需要將閾值的合理選擇以及機(jī)器人的動(dòng)作平滑度進(jìn)行有效的設(shè)置，這樣也就能夠?qū)Ψ氯藱C(jī)器人相鄰舞蹈工作中的過渡速度以及過渡平滑度進(jìn)行有效的掌握，借此來保障仿人機(jī)器人舞蹈動(dòng)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(duì)虛擬數(shù)據(jù)庫中關(guān)鍵幀進(jìn)行讀取，也就能夠?qū)崿F(xiàn)NOBODY機(jī)器人各項(xiàng)舞蹈動(dòng)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(shí)現(xiàn)了對(duì)仿人機(jī)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(duì)機(jī)器人舞蹈動(dòng)作的基本規(guī)律以及實(shí)現(xiàn)這些舞蹈工作的基本方法進(jìn)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(shí)現(xiàn)仿人機(jī)器人的各項(xiàng)舞蹈工作。通過本次研究的進(jìn)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(dòng)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(jī)器人舞蹈仿真實(shí)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(shì)三維虛擬人進(jìn)行各種特定的舞蹈動(dòng)作。

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