BVH文件解析

2010-05-14

最近在做计算机动画方面的研究，读取BVH动作文件，从网上找了一些资料，介绍的不全，而且只是简单的介绍了BVH文件的结构，并没有看到BVH文件中每帧数据代表的真正含义。于是乎，自己摸索了许久，终于得到了正确的运动效果。

1、首先介绍一下BVH文件的基本概念，网上这方面的资料还是很多的，我进行了一些总结：

BVH（Biovision层次模型）是Biovision Hierarchy的缩写，它是由Biovision公司开发的一种描述动作捕获的数据文件格式。这种文件描述的人体动画十分逼真，因为它通过真实的人体模特穿上带有传感器的特殊衣服捕获动画。BVH文件来源也相当广泛，且易于制作，它可以利用3DMAX，POSER等软件制作；此外，这种文件是以文本形式存储的，因此操作简单，容易开发。

从计算机编程角度看来，程序员喜欢将很多东西分开对待，从而简化，也就是分而治之。
计算机动画肯定是复杂的，但是总有办法解决，于是动画被分为 蒙皮 & 骨骼动作
bvh文件存放的就是骨骼的构成和动作数据————
BVH是在BVA格式的基础上的改进，在动作捕获后，解析出来的
BVH文件分为2个主要部分：骨架信息 和 数据块
骨架信息 按照层级关系，定义了如root hip leg等位置和旋转分量，从而形成一个完整的骨架
数据块     对应上面的骨架各部位 标出每帧的数据信息

各种类型的动作捕捉仪导出的BVH文件还是有差别的，我是用的是Xsens惯性动作捕捉仪导出的BVH文件。文件基本的结构如下所示：

HIERARCHY
ROOT Hips
{
OFFSET 0.000000 0.000000 0.000000
CHANNELS 6 Xposition Yposition Zposition Yrotation Xrotation Zrotation
JOINT Chest
{
  OFFSET 0.000000 9.085309 -0.011154
  CHANNELS 3 Yrotation Xrotation Zrotation
  JOINT Chest2
  {
   OFFSET 0.000000 8.950749 0.022763
   CHANNELS 3 Yrotation Xrotation Zrotation
   JOINT Chest3
   {
    OFFSET 0.000000 8.911174 0.000000
    CHANNELS 3 Yrotation Xrotation Zrotation
    JOINT Chest4
    {
     OFFSET 0.000000 8.902070 0.000000
     CHANNELS 3 Yrotation Xrotation Zrotation
     JOINT Neck
     {
      OFFSET 0.000000 13.422772 0.000000
      CHANNELS 3 Yrotation Xrotation Zrotation
      JOINT Head
      {
       OFFSET 0.000000 8.338636 0.048151
       CHANNELS 3 Yrotation Xrotation Zrotation
       End Site
       {
        OFFSET 0.000000 15.778614 0.025430
       }
      }
     }
     JOINT RightCollar
     {
      OFFSET -2.767708 8.920939 0.000000
      CHANNELS 3 Yrotation Xrotation Zrotation
      JOINT RightShoulder
      {
       OFFSET -13.358980 0.000000 0.000000
       CHANNELS 3 Yrotation Xrotation Zrotation
       JOINT RightElbow
       {
        OFFSET 0.000000 -29.360726 0.000000
        CHANNELS 3 Yrotation Xrotation Zrotation
        JOINT RightWrist
        {
         OFFSET 0.000000 -23.728381 0.000000
         CHANNELS 3 Yrotation Xrotation Zrotation
         End Site
         {
          OFFSET 0.000000 -17.517202 0.000000
         }
        }
       }
      }
     }
     JOINT LeftCollar
     {
      OFFSET 2.767708 8.920939 0.000000
      CHANNELS 3 Yrotation Xrotation Zrotation
      JOINT LeftShoulder
      {
       OFFSET 13.358980 0.000000 0.000000
       CHANNELS 3 Yrotation Xrotation Zrotation
       JOINT LeftElbow
       {
        OFFSET 0.000000 -29.360726 0.000000
        CHANNELS 3 Yrotation Xrotation Zrotation
        JOINT LeftWrist
        {
         OFFSET 0.000000 -23.728381 0.000000
         CHANNELS 3 Yrotation Xrotation Zrotation
         End Site
         {
          OFFSET 0.000000 -17.517202 0.000000
         }
        }
       }
      }
     }
    }
   }
  }
}
JOINT RightHip
{
  OFFSET -7.475494 0.055214 0.005577
  CHANNELS 3 Yrotation Xrotation Zrotation
  JOINT RightKnee
  {
   OFFSET 0.000000 -38.197352 -0.005333
   CHANNELS 3 Yrotation Xrotation Zrotation
   JOINT RightAnkle
   {
    OFFSET 0.000000 -37.100850 -0.009018
    CHANNELS 3 Yrotation Xrotation Zrotation
    JOINT RightToe
    {
     OFFSET 0.000000 -9.655660 22.225547
     CHANNELS 3 Yrotation Xrotation Zrotation
     End Site
     {
      OFFSET 0.000000 -1.495764 7.116721
     }
    }
   }
  }
}
JOINT LeftHip
{
  OFFSET 7.475494 0.055214 0.005577
  CHANNELS 3 Yrotation Xrotation Zrotation
  JOINT LeftKnee
  {
   OFFSET 0.000000 -38.197352 -0.005333
   CHANNELS 3 Yrotation Xrotation Zrotation
   JOINT LeftAnkle
   {
    OFFSET 0.000000 -37.100850 -0.009018
    CHANNELS 3 Yrotation Xrotation Zrotation
    JOINT LeftToe
    {
     OFFSET 0.000000 -9.655660 22.225547
     CHANNELS 3 Yrotation Xrotation Zrotation
     End Site
     {
      OFFSET 0.000000 -1.495764 7.116721
     }
    }
   }
  }
}
}
MOTION
Frames: 1
Frame Time: 0.008333
0.000000 84.730760 0.000000 0.000000 -5.767889 0.000000 0.000000 11.653876 0.000000 0.000000 -5.885988 0.000000 0.000000 -0.000000 0.000000 0.000000 -0.000000 0.000000 0.000000 12.528808 0.000000 0.000000 0.711711 0.000000 0.000000 -0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 -90.000000 0.000000 -2.309063 0.000000 0.000000 2.309063 0.000000 0.000000 -0.000000 0.000000 0.000000 -0.000000 90.000000 0.000000 -2.309063 0.000000 0.000000 2.309063 0.000000 0.000000 8.520374 0.000000 0.000000 1.905768 0.000000 -0.000000 -4.658254 0.000000 0.000000 -0.000000 0.000000 0.000000 8.520374 0.000000 0.000000 1.905768 0.000000 -0.000000 -4.658254 0.000000 0.000000 -0.000000 0.000000

....

2、下面介绍如何读取并保存运动数据：

上面说过BVH包括两部分：骨架层次信息和每帧运动数据。层次信息保存了每个节点相对其父节点的位置信息，通过这些数据可以构造出骨架的初始姿态。如下图所示：

我是使用DirectX来绘制图形的，DX使用的左手坐标系，而BVH文件中使用的是右手坐标系，所以在绘制图形的时候，需要将得到的数据坐标系转换成左手坐标系。这里需要将层次信息中的z轴数据取反赋给DX中的z即可，x、y不变。

骨架中的各个关节节点相对父节点的位置读取并保存好之后，在渲染的时候，从根节点开始，依次求出每个关节在世界坐标中的位置，即可绘制出正确的骨架结构。

接下来就要读取运动数据了，首先可以从文件中读取出运动的总帧数，然后建立动态数组保存运动数据。运动数据的每帧保存的信息是这个样子的：

根节点的平移量(X、Y、Z)+除了site外所有节点的旋转信息（注意：旋转分量的次序是根据CHANNELS而定，旋转信息使用的是角度值表示的！）

每帧的旋转角度值，是相对于骨架的初始姿态的。知道这些后，接下来就是每行的读取帧数据了。代码如下：

  

vec.y = atof(words.at(j+6).c_str());
vec.x = atof(words.at(j+7).c_str());
vec.z = atof(words.at(j+8).c_str());

D3DXMATRIX matRotate;
D3DXMatrixIdentity(&matRotate);
D3DXMATRIX matY;
D3DXMatrixIdentity(&matY);
D3DXMatrixRotationY(&matY, -vec.y*3.14f/180.0f);
D3DXMATRIX matX;
D3DXMatrixIdentity(&matX);
D3DXMatrixRotationX(&matX, -vec.x*3.14f/180.0f);
D3DXMATRIX matZ;
D3DXMatrixIdentity(&matZ);
D3DXMatrixRotationZ(&matZ, vec.z*3.14f/180.0f);
D3DXMatrixMultiply(&matRotate, &matZ, &matX);
D3DXMatrixMultiply(&matRotate, &matRotate, &matY);

 

每帧相对初始姿态的数据保存好之后，在渲染时，将每一帧的旋转矩阵取出，乘以初始姿态在世界坐标系的变换矩阵，即可产生动画了