-Puppet Animation by the Use of CyberGlove-

نویسندگان

  • Masatake SATO
  • Vladimir SAVCHENKO
  • Ryutarou OHBUCHI
چکیده

This paper presents an approach to realize a tool for interactive and intuitive deformation of 3D shapes, to be used, for example as a character animation tool. The approach combines a fast algorithm for 3D free form deformation that employs compactly supported radial basis function (CSRBF) with a high degrees-of-freedom input device of hand joint angles, namely, the CyberGlove. While shape deformation algorithm by using CSRBF allows for fast and reasonable shape deformations, it is not a simple task to position the CSRBF so that desired shape deformations can be created. In our approach, the 10 CSRBF are attached to the tip of the fingers of the CyberGlove worn on both hands of the users. This allows the user an intuitive manipulation of 3D shapes in a manner somewhat similar to clay modeling. While the shape deformation algorithm does not produce physically accurate deformation, the deformation is fast, plausible and quite useful. For example, using a 32k polygon mesh, a deformation involving all the 15k vertices can be produced at about 30 frames-per-second. Keyword 3D shape deformation and animation,virtual reality input device,radial basis functions 1. 序章 3 次元形状の生成と編集は,現実世界で行うか (彫刻な ど),仮想世界で行うか (形状CADソフトなど)を問わず,ス キルと手 間 のかかる複 雑 な作 業 である.近 年 ,現 実 の物 体 の形 状 をレーザースキャナ等 で取 り込 む事 が多 いが,大 抵 の場合取り込んだデータの編集に手間がかかる. 近年,形状CAD等の仮想モデリングツールとバーチャル リアリティ (VR)によるユーザーインターフェースの統 合が試 みられている.例えば[1]では,指の関節 角 と手の空間 上 で の位置情報を獲得する装置であるデータグローブを用い,3 次 元 形 状 をリアルタイムで操 作 する.同 システムではニュー ラルネットワークを用 いて手 のジェスチャーを認 識 する事 で モデリングのための命令を入力する.しかし,定義されたジェ スチャーが人間にとって不自然なため,オペレータの訓練が 必要である. 別の解決策として,必要な操作個々に対して「タンジブル (触る事のできる)な」実態をインターフェースとして使うアプロ ーチがある.例えば Schkhole らのシステム[1]では,データグ ローブの様 なデバイスに加 え,トング,ボール等 の実 体 を持 ち,かつ操 作 に直 接 的 に対 応 する道 具 を用 いた.タンジブ ルなインターフェースは,物に触れたりつかんだりする感覚を 提示する.しかし物の形は固定されているため,例えば,形 状 変 形 をする工 具 を触 る事 ができても,変 形 対 象 となる形 状そのものを触る事はできない.また,変形や彫刻に伴 うは ずの触覚や力覚も表現できない. 作業に伴う力を触覚や力覚に提示するアプローチも考え 画像電子学会 第 210 回研究会 発表 予稿 (2004 年 5 月 21 日 山梨大学) られる.例 えば機 械 のアームを用 い,仮 想 空 間 上 における 物 体 と 1 点 と の 接 触 を 力 と し て 表 示 で き る デ バ イ ス Phantom[3]がある.FreeFormConcept [4]は Phantom を効 果的に用い,造形する 3 次元形状を「触れ」つつ 3 次 元形状モデリングのできるシステムである.また, Baxter らの 2 次元絵画システム [5]では,仮想空間上の キャンパスに油絵の具で絵を描いた際に生ずるであろ う絵筆の変形や絵の具の粘性などの力を物理シミュレ ーションし,これを Phantom で表示した.しかしこれらの 力覚表示デバイスはある 1 点での接触による力の表示しか できない.例 えば,多 点 での接 触 ,さらには線 や面 のような 広がりのある接触で生ずる力を表 示する事は,今日の力覚 表示装置では大変困難である. 別の解決策として,物理的な変形モデルを基に現実的な 形 状 変 形 をシミュレーションする手 法 がある.単 に見 かけの 形だけから物理シミュレーションを行っても「それらしい」変形 はできない.例えば顔の表 情のアニメーションでは,解剖学 的,生理学的に正しい筋肉,脂肪,頭蓋骨,等のモデルが 必要である.このアプローチでは,計算時間がかかる事が多 いものの,「自 然 な」変 形 が得 られる. [6,7,8]が典 型 的 な 例である.筋 肉,質 点のバネモデル,有 限 要 素 法 [9]は,モ デルを基 にした変 形 アニメーションにおいて最も多 く利 用 さ れる手 法 である.この手 法 の主 な問 題 点 は,モデルやその 要 素 に対 して妥 当 なパラメータを見 つける事 が難 しい点 で ある.例 として,筋 肉 の弾 力 性 を再 現 する場 合 ,個 人 差 や 疲労による違いを考慮したパラメータを見つける事は困難で ある.また,写 実 的 な変 形 を行 うには実 時 間 を越 える計 算 時間がかかる場合が多いのも問題である. 写 実 的 な形 状 と変 形 のモデルはそれ独 自 の長 所 を備 え てはいるが,1 方で物理的には正確でない形状やその変形 のモデルも重要で,現に広 く用いられている.これは例 えば, それなりのアーティストが操 作 すれば,ゴムでできた人 形 の 「非 現 実 的 」な変 形 をする顔 からも生 き生 きとして魅 力 的 な 表情が生れる事からも分かるであろう.2 次元セルアニメーシ ョンの場 合 もそうであるように,ある意 味 で,変 形 が「非 現 実 的」であるがゆえに魅力的な,迫力のある,あるいは愛らしい 動 きや表 情 が創 り出 される事 も多 いのである.こうした非 現 実的変形には,写実的モデルに比べて計算量が少ない,と いう現実的な利点もある.この利点は,プレイステーション等 のゲームコンソールのように計 算 能 力 が限 られており,かつ 実時間の形状変形応答が要求されている場合に非常に重 要となる. 本論文では VR デバイスとノンリアリスティックな形状変形 アルゴリズムとを統合した形状変形の手法を提案し,その結 果について考 察する.本研究で用いた形状変形アルゴリズ ムは CSRBF を用いてスペースマッピングを高速に行うもので, 物 理 的 な正 しさよりも実 行 速 度 に重 点 をおいている.また VR デ バ イ ス に は CyberGlove[12] を 用 い て い る . CyberGlove は仮想空間上の物体と多点での接触が行える ため,例 えば人 形 の頬 が膨 れるような,複 雑 な形 状 変 形 を 容易に生成できる.形状変形の際に CSRBF が必要なパラ メータは,CyberGlove から取 得したデータを加 工して生 成 する.本論文で提案する手法の長所は以下の 2 点である. CyberGlove を用いる事で多点接触による形状変形操 作を実現し,直感的かつインタラクティブな 3 次元形状 の操作を可能にした. 有限の台を持つ Radial Basis Functions (CSRBF)によ る高 速 かつシンプルな形 状 変 形 アルゴリズムを利 用 し た . 形 状 変 形 の 際 の 変 位 量 の 場 を 決 定 す る た め , CSRBF を両手指の先端に割り当てた. 本論文では,CyberGlove のデータから求まる指先の 1 デ ータから形状変形への対応付けの方法を 2 種類提案する. この対応は,直感的,自然な変形操作を実現するために重 要である. 本章以降の各章では,2 章で開発したシステムの概要, 形状変形のアルゴリズム,CyberGlove を用いた形状変形の 操作を,3 章ではシステムの実装,実行 例,性能評価の結 果を,第 4 章では結論と今後の課題について述べる. 2. アルゴリズム 2.1. 概要 人間の手指の位置とその変化から変形の向きや大きさを 求め,これを CSRBF を用いた高速な形状変形で実時間で 実 現するのが本 論文 で提 案 する形状アニメーションの手 法 である.本論文で提案するシステムでは,操作者は,指の角 度を測定する機能を持つ CyberGlove を両手に装着し,仮 想 空 間 内 の物 体 の変 形 を行 う.刻 々計 測 される手 の位 置 の時 間 差 分 から形 状 変 形 の向 きや大 きさを計 算 するが,こ の方法として,本論文では 2 種類を提案する.以後,この 2 種類の計算法を Type-1,Type-2 と呼ぶ (2.3.1 と 2.3.2 を参 照 ).仮想空間上において人間の手の動きを再現する必要 があったため,本研究では独自に簡単化した手の骨格であ る VR Hand を作成した.VR Hand は,CyberGlove から関節 角のデータを取り込み,手の各指関節の座標データを算出 して出力する (2.2 を参照 ). Type-1 は,CSRBF に与えるパラメータであるベクトル (コ ントロールベクトル)の始点を,形状変形の最初に手の姿 勢 の指 先 座 標 から取 り込 む.終 点 については手 の姿 勢 が変 化する度に更新する.1 方 Type-2 は,現時点とその直前の 手 の姿 勢 から指 先 の変 位 量 を求 め,コントロールベクトルと する.CyberGlove からは新たな関節角のデータが 1 定時間 毎 に出 力 されるため,コントロールベクトルの始 点 ,終 点 は 手の動きに合わせて動的に変化する.Type-1,Type-2 とも に CSRBF を用いた形状変形アルゴリズムを基にしている. 形状変形アルゴリズムは下記の 5 段階の処理によって構成 画像電子学会 第 210 回研究会 発表 予稿 (2004 年 5 月 21 日 山梨大学)

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تاریخ انتشار 2004