Development of O(logN) Forward Dynamics Algorithm for Large-Scale Structure-Varying Kinematic Chains and Its Application to Computer Graphics Production

大规模变结构运动链O(logN)正向动力学算法的开发及其在计算机图形制作中的应用

• 批准号: 13555062
• 负责人: NAKAMURA Yoshihiko
• 金额: $ 8.06万
• 依托单位: The University of Tokyo
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• 财政年份: 2001
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2001 至 2002
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-13555062/
• 关键词: Dynamics Simulation; Multibody Dynamics; Computer Graphics; Human Figures; Animation; Motion Generation; Humanoid Robots; Structure Analysis; コンピュータグラフィックス; 振り付け生成; 動力学計算; モーションキャプチャ; 人体モデル; 並列計算; ロボティクス; 構造可変リンク系; 効率的計算アルゴリズム; 人間行動情報

The research results are summarized by the following four points :1. We developed an efficient forward dynamics computation algorithm for large-scale structure varying kinematic chains such as multiple human figures. The algorithm only requires O(N) computation for the forward dynamics of N articulated bodies. The computation time can be further reduced to O(logN) by applying parallel computation. The algorithm is as efficient as the most advanced forward dynamics algorithms and also applicable to structure-varying kinematic chains.2. We developed an inverse kinematics algorithm that computes a whole-body posture from the user-specified positions of a few links, and applied it to CG animation software package. The algorithm enables the users to create animations much easier than using existing CG software packages.3. We developed several methods for generating physically feasible motions of human figures by combining the above forward dynamics and the inverse kinematics algorithms. The users can generate physically natural motions through the simple interface.4. We developed an interface for game applications utilizing dynamics simulation. Our approach proved to be efficient for such motions as circus and acrobatic ones that are inherently difficult to be captured from human performance.

本文的研究成果主要有以下四点：1.针对多人等大型结构变化运动链，提出了一种高效的正动力学算法。该算法对N个关节物体的正向动力学仅需O(N)次计算。通过采用并行计算，计算时间可进一步减少到O(LogN)。该算法的效率与最先进的正向动力学算法相当，也适用于变结构运动链。我们开发了一种根据用户指定的几个环节的位置计算全身姿势的逆运动学算法，并将其应用于CG动画软件包。该算法使用户能够比使用现有的CG软件包更容易地创建动画。我们开发了几种方法，通过结合上述正向动力学和反向运动学算法来生成物理上可行的人体运动。用户可以通过简单的界面生成物理上自然的动作。我们利用动力学模拟为游戏应用程序开发了一个界面。事实证明，我们的方法对于马戏团和杂技这样的动作是有效的，这些动作本来就很难从人类的表演中捕捉到。

项目成果

栗原一貴, 鈴木一郎, 山根克, 中村仁彦: "モーションキャプチャと詳細人体モデルを用いた逆運動学計算による筋骨格力学計算"第20回日本ロボット学会学術講演会予稿集. 3C15 (2002)

Kazuki Kurihara、Ichiro Suzuki、Masaru Yamane、Hitoshi Nakamura：“使用运动捕捉和详细人体模型进行逆运动学计算的肌肉骨骼动力学计算”日本机器人学会第 20 届年会论文集 3C15（2002 年）。

K.Yamane, Y.Nakamura: "Efficient Parallel Dynamics Computation of Human Figures"Proceedings of the IEEE International Conference on Robotics and Automation. 530-537 (2002)

K.Yamane、Y.Nakamura：“人体的高效并行动力学计算”IEEE 国际机器人与自动化会议论文集。

Katsu Yamane, Yoshihiko Nakamura: "Synergetic CG Choreography through Constraining and Deconstraining at Will"Proc. of IEEE International Conference on Robotics and Automation. Vol.1. 855-862 (2002)

Katsu Yamane、Yoshihiko Nakamura：“通过随意约束和解除约束实现协同 CG 编排”Proc。

山根, 中村: "ヒューマンフィギュアの全身動作生成のための協応構造化インタフェース"第19回日本ロボット学会学術講演会講演論文集. (3A33). (2001)

Yamane, Nakamura：“生成人体全身运动的协作结构化接口”日本机器人学会第 19 届学术会议论文集 (3A33)。

K. Yamane and Y. Nakamura: "Synergetic CG Choreography through Constraining and Deconstraining at Will"Proceedings of 10th International Symposium of Robotics Research. (2001)

K. Yamane 和 Y. Nakamura：“通过随意约束和解除约束进行协同 CG 编排”第十届国际机器人研究研讨会论文集。