人体运动捕捉数据格式的研究*

2018-02-12陈燕王强

九江学院学报(自然科学版) 2018年1期

陈燕王强

(安徽新华学院安徽合肥 230088)

运动捕捉技术(motion capture)在计算机动画、影视、游戏等领域已得到广泛的应用，其实质是通过在人体关键部位安装运动捕捉装置，实时捕捉真实人体运动状态，并记录人体在运动过程中各个关节旋转数据和约束信息，然后以一定的格式存储在计算机中[1]。由于捕捉设备的原理不同，捕捉的数据存储格式也不相同，主要有：ASF&AMC(acclaim skeleton file，acclaim motion capture data )， HTR (hierarchical translation rotation)，BVH，C3D等。

由于捕捉的人体运动数据格式较多，造成数据段通用性不好，使得人体运动捕捉数据的成本还较高。唐琛实现了OGRE描述的运动数据文件到BVH定义的动画文件的格式转换[2]。文章在人体运动捕捉数据格式转换方面做了新的探索，设计实现了一个工具HTA(HTR to acclaim)，HTA可以将输入的HTR文件转换为ASF&AMC文件。

1 结构体定义

为实现人体运动捕捉数据格式的转换，先定义缓存区域，以便保存所有输入输出的数据。本文设计结构体：htrFormat和acclaimFormat，对应HTR数据文件和ASF&AMC数据文件。

1.1 结构体htrFormat

HTR文件是Motion Analysis公司定义的文件格式，被划分为4个部分：文件头、骨骼层次的声明、基础位置和数据流[3]。

HTR文件的缓存结构体设计如下：

struct htrFormat {

char *fileTyPe； /*文件类型 */

char *datatype； /*数据类型 */

int fileVersion； /*文件版本*/

int numSegments； /*骨骼数*/

int numFrames； /*总帧数*/

int dataFrameRate； /*帧采样速率 */

char *eulerRotationOrder； /*旋转顺序*/

char *calibrationUnits； /*平移的数据单位*/

char *rotationUnits； /*旋转的数据单位*/

char *globalAxisofGravity； /*全局垂直方向*/

char *boneLengthAxis； /*沿骨骼的轴*/

float scaleFactor； /*缩放因子*/

struct htrSegmentHierarchy *childParent； /*层次*/

struct htrBasePosition *basePosition； /*基础位置*/

struct htrSegmentData *segmentData； /*骨骼段数据*/

结构体前12个成员变量对应HTR文件头部分，后3个成员变量为结构体类型，负责记录HTR文件中的骨骼层次的声明、基础位置和数据段信息。

1.2 结构体acclaimFormat

ASF&AMC是Acclaim公司定义的数据格式，共包含两个文件：骨骼文件ASF和运动文件AMC[4]。ASF文件是层次模型文件，主要储存人体骨架结构数据，共31个关节点，其中根节点是其他节点的父节点。AMC文件用于储存每一帧的运动数据。该运动数据按照一定的频率进行采样得到若干运动帧数据，每帧数据包含若干行，由所有关节的运动信息组成，其中根关节包括平移和旋转信息，其它关节只包括旋转信息，以一种分层的方式来存储[5]。

acclaimFormat记录ASF、AMC文件中的数据，具体设计如下：

struct acclaimFormat {

char *version； /*文件版本*/

char *name； /*设备名称 */

float unitsMass； /*质量系数*/

float unitsLength； /*长度系数*/

char unitsAngle[5]； /*角度*/

char * documentation； /*注释 */

char rootOrder； /*根节点的变换顺序*/

char rootAxis[5]； /*初始旋转顺序*/

double rootPosition[3]； /*初始位置*/

double rootOrientation[3]； /*初始旋转值*/

struct acclaimBoneData * boneData； /*骨骼段数据*/

struct acclaimHierarchy *hierarchy； /*层次数据*/

struct acclaimFrameData *frameData； /*帧数据*/

}；

acclaimFormat后3个成员变量为结构体类型，分别记录骨骼信息、骨骼层次关系和AMC文件中的数据。

2 HTR文件解析

结构体定义后，数据格式的转换首先要把已有的HTR数据文件写到数据缓存中。定义结构体htrFormat的变量htrFile和存放解析的标记的指针数组token。

具体过程如下：

(1)打开HTR文件；

(2)根据关键字[Header]找到文件头部分。依次解析文件头的12部分信息，保存到htrFile的相应成员变量中，如FileTyPe的处理如下：

htrFile->fileType=(char *)malloc((strlen(token[1])+1)*sizeof(char))； /*分配内存*/

strcpy(htrFile->fileType， token[1])； /*保存类型*/

(3)根据关键字[SegmentNames&Hierarchy]找到骨骼层次部分。首先根据骨骼段数分配所需的内存，然后根据骨骼数目循环解析每一骨骼的层次信息并保存到htrFile的成员变量childParent中。childParent也是结构体类型，由child和parent两个成员变量来表明当前骨骼和其父骨骼。

(4)根据关键字[BasePosition]找到基础位置部分。根据骨骼数目循环解析每一骨骼的8种信息并保存到htrFile的成员变量basePosition中。basePosition也是结构体类型，由name、boneLength、位置信息(tx、ty、tz)和旋转信息(rx、ry、rz)。

(5)最后一部分为数据信息。根据骨骼段名称依次解析每段骨骼的帧数据，保存在htrFile的成员变量segmentData中。segmentData也是结构体类型，由segmentName、frame组成，其中frame为结构体类型变量，成员变量为帧号frameNo、平移信息(tx、ty、tz)、旋转信息(rx、ry、rz)和缩放系数SF。

3 htrFormat到acclaimFormat

当HTR文件中的数据写入到内存后，就可以移入acclaimFormat类型的结构体变量acclaimFile中。过程如下：

(1)acclaimFormat的成员中是简单信息的可直接写入，如：strcpy(acclaimFile->version，“1.10”)。

(2)根据htrFile->eulerRotationOrder决定的旋转顺序，在平移顺序不变的情况下写入acclaimFile->rootOrder和acclaimFile->rootAxis的值。将HTR文件的父节点作为根节点的孩子节点，所以acclaimFile->rootPosition和acclaimFile-> rootOrientation均为0。

(3)对于boneData部分，其name、length、axis、dof可根据htrFile->basePosition的name、bonelength和旋转旋转信息(rx、ry、rz)写入，direction由globalAxisofGravity决定，dofNumber、limits、bodyMass、cofMass根据情况直接赋值。

(4)对于层次部分，ASF是先列出父骨骼，再是所有的子骨骼，与HTR文件差别很大。所以，需要先求出有多少骨骼带有子骨骼。先处理父节点为GLOBAL的节点，添加其所有子节点，然后再依次处理其他带子节点的节点。

(5)对于运动数据部分，循环处理每一帧，帧数为htrFile->numFrames的值。先处理每帧的根节点，其数据信息均为0。再处理其他骨骼数据(平移和旋转)，如：

acclaimFile->frameData.motionData.tx = htrFile-> segmentData.frame.tx；