基于虚拟人设计与实现机器人舞蹈动作的一种方法

郭娜

【摘 要】本文在三维虚拟人骨骼模型仿真的基础上实现了机器人的舞蹈工作，并在结合机器人舞蹈工作基本规律跟实现舞蹈动作基本方法的基础上，构建了三维虚拟人实现机器人舞蹈工作的关键帧数据库，然后应用中间帧过渡函数让虚拟人骨骼模型仿真了机器人的舞蹈动作方案，结果证明该方面具备有一定的可行性，对于机器人的三维虚拟化以及仿真研究工作也有着非常重要的参考价值。

【关键词】舞蹈动作;机器人;三维虚拟人

中图分类号：J718   文献标志码：A             文章编号：11007-0125（2019）01-0122-02

近年来我国的虚拟现实技术跟机器人技术均得到了一定的发展，给予虚拟人模拟仿真机器人舞蹈动画的实现提供了足够多的技术支撑，并作为一种崭新的艺术形式得到了人们的广泛认可，在未来游戏等多个领域中也有着良好的应用前景。虚拟人通过计算机动画技术以及虚拟角色模型的表现，能够在音乐伴奏下进行舞蹈的演绎，借此来给人们一种新颖的视觉享受。

一、研究意义

虚拟人模拟仿真机器人舞蹈动画作为一种新兴的艺术形式，近年来也受到了人们的广泛关注，但是因为仿人机器人在运动过程中动作本身的复杂性，以及各关节自由度的灵活性，也就难以控制机器人实现一些高难度的舞蹈工作，这也就要求相关技术人员能够加强对运动控制方法的研究力度。目前在进行仿人机器人控制方法的研究时，多是将研究重点放置在双足运动跟双手协作两个方面，并结合稳定性最大的要求进行动作控制方法的优化工作。运动轨迹跟运动姿态对于仿真机器人的运动控制有着非常重要的意义，在研究过程中，多是由某一真人表演者在主要关节处进行特定标记点的装设，然后通过动作捕捉器对这些标记点的空间坐标进行连续快速的记录，从而获取到人体的运动数据。但是该研究模式中还存在有控制成本过于昂贵的问题，对仿人机器人运动控制的研究工作也就造成了一定的阻碍。此外仿人机器人跟真人运动的关节运动数据还存在有非常大的差异，导致了机器人的关节运动数据可能存在有较大的误差，这也就要求相关技术人员能够加强对虚拟人模拟仿真机器人的研究力度，借此来提升对仿人机器人的控制水平。

二、结构分析

机器人的动作主要是表现在一定时间序列上面的空间位置跟姿态的几何，其设计跟实现还有着非常大的主观性、模糊性和复杂性。在舞蹈动作中随着关节自由度的增加，还会导致各关节间的影响程度得到进一步的提升，并为后续的动作设计跟实现带来了一定的难度。一般情况下仿人机器人其关节自由度还与其舞蹈动作性能有着直接的联系，关节自由度越高，表明了该机器人的潜在应用能力越强，而在关节自由度过少的情况下，还会导致机器人动作不够灵活，一些比较复杂的动作也就难以实现。因此说在进行仿人机器人舞蹈动作的研究过程中，还需要将关节自由度数目控制在合理的范围内，来保障舞蹈动作的进行。因此说设计人员还需要在充分满足基本舞蹈动作要求的基础上，尽量减少关节的自由度，借此减少动作设计的工作量。

在本次研究中主要对NOBODY机器人的视频动画进行了分析，在结合仿人机器人自身结构构造情况的基础上，还需要让三维虚拟人的最小骨骼模型是由全身所有关节跟骨骼段所构成，在整个三维虚拟人骨架模型上还需要包含有一个中心位置、54个关节以及53块骨骼段，这样才能够实现仿人机器人的相关舞蹈动作。

在最小人体骨骼模型中，每个部位都能够绕着各自关节在不通过自由度方向上进行旋转运动，在此基础上产生虚拟人的运动。在本次研究中模拟人生模型的上肢共有18个关节，32个自由度，为了能够表达出一些复杂的舞蹈动作，还对每个手指定义了三个关节，借此来满足舞蹈动作的相关需求。可以说通过三维虚拟人最小骨骼模型的应用，其能够在保障仿人机器人舞蹈动作完整性的基础上，对原本舞蹈动作过于复杂的问题进行有效的解决，在此基础上实现了基于三维虚拟人的仿人机器人舞蹈动画。

三、三维虚拟人仿人机器人舞蹈动画的虚拟数据库

为了更好地实现三维虚拟人仿人机器人舞蹈动画，还要求设计人员在结合该机器人最小人体骨骼模型的基础上，专门设计一个虚拟舞蹈动作关键帧数据库，来进行相关数组的存储工作。因为舞蹈工作比较复杂，因此在该数据库中还有着繁多的动画关键帧。这也就需要相关设计人员能够做好三维虚拟人舞蹈动画虚拟数据库表的设计工作，借此来保障相关舞蹈工作的有序进行。虚拟数据库能够对舞蹈动画过程中的各项参数以及动画关键帧进行有效的记录，并能够让仿人机器人根据预先编制好的程序来进行动作，从而准确实现多项舞蹈工作，对于仿人机器人的控制也有着一定的积极意义。因此说各设计人员在进行基于虚拟人的仿人机器人舞蹈动作设计过程中，还需要做好虚拟数据库的搭建工作，对于各项动作参数跟动画帧也需要进行及时的记录跟处理，以保障该仿人机器人能够实现各项舞蹈工作。

四、三维虚拟人实现仿人机器人舞蹈动画过程以及仿真结果

在三维虚拟人舞蹈动作中，其动作的平滑度对于各种舞蹈动作的可能性也会产生直接的影响。虚拟人舞蹈动作的特殊性还在于其是由一些关键动作合成的动画序列，而相邻的两个舞蹈动作之间还存在有非常大的动作差异性，如果未做好平滑处理工作，会导致该舞蹈动作在相邻关键动作衔接部位出现过大幅度的变化，从而导致跳帧现象的发生，并会给予人们带来失真的感觉。通过设计过渡函数的应用，则能够对舞蹈工作进行有效的过度，并促使动作的平滑度得到进一步的提升，这样仿人机器人在舞蹈过程之中其动作也就可以平缓过渡，不同动作之间也能够进行流畅的衔接，从而充分满足真实状态下机器人舞蹈动画的各项需求。

因此说在进行仿人机器人舞蹈动作的设计过程中，也就要求设计人员做好仿人机器人舞蹈动作的函数设计工作，还需要将阈值的合理选择以及机器人的动作平滑度进行有效的设置，这样也就能够对仿人机器人相邻舞蹈工作中的过渡速度以及过渡平滑度进行有效的掌握，借此来保障仿人机器人舞蹈动作的连贯性跟流畅性。在基于三维虚拟人骨骼模型的前提下对虚拟数据库中关键帧进行读取，也就能够实现NOBODY机器人各项舞蹈动作的仿真结果。

在本次研究中，主要在三维虚拟人骨骼骨骼模型仿真基础上实现了对仿人机器人的各种舞蹈工作，并且获得了良好的仿真效果。在研究中首先需要对机器人舞蹈动作的基本规律以及实现这些舞蹈工作的基本方法进行深入的分析，在该分析结果上构建关键帧数据库，随后采用中间帧过渡函数来实现仿人机器人的各项舞蹈工作。通过本次研究的进一步加深，还能够实现二维视频中关键帧算法的自动提取，并能够直接将二维关键帧转变为三维关键帧，这样也就能够让仿人机器人舞蹈仿真实现的工作量得到大幅度的降低，并能够通过二维视频自主趋势三维虚拟人进行各种特定的舞蹈动作。

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