简介

BVH 表示 Biovision Hierarchy Data，是 Biovision 动捕设备的数据输出格式，是 BVA 格式的改进，广泛应用于动画制作软件。而该格式以文本形式储存，所以便于开发。
从需求的角度来讲，为了优雅地解决动画制作问题，它被分为了“蒙皮”和“骨骼”两个部分。而 BVH 就负责存储骨骼架结构和动作信息。
BVH 格式总体来说比较优秀，但是缺乏对运动时的骨架姿势的完整解释。因为 BVH 是通过偏移(Offset)来描述运动的，即保存的是每一帧关键节点对于父节点的相对位移。

文件解析

A BVH file has two parts, a header section which describes the hierarchy and initial pose of the skeleton; and a data section which contains the motion data.

BVH 文件数据分为两个部分：

  • 骨架信息(header section)：定义了骨架的组织结构，指导如何解析数据块。
  • 数据块(data section)：包含了每一帧各部分的数据信息。

并且以递归的形式给出定义。
下面给出一个示例文件，然后做进一步分析。

  1. HIERARCHY
  2. ROOT Hips
  3. {
  4.     OFFSET    0.00    0.00    0.00
  5.     CHANNELS 6 Xposition Yposition Zposition Zrotation Xrotation Yrotation
  6.     JOINT Chest
  7.     {
  8.         OFFSET     0.00     5.21     0.00
  9.         CHANNELS 3 Zrotation Xrotation Yrotation
  10.         JOINT Neck
  11.         {
  12.             OFFSET     0.00     18.65     0.00
  13.             CHANNELS 3 Zrotation Xrotation Yrotation
  14.             JOINT Head
  15.             {
  16.                 OFFSET     0.00     5.45     0.00
  17.                 CHANNELS 3 Zrotation Xrotation Yrotation
  18.                 End Site 
  19.                 {
  20.                     OFFSET     0.00     3.87     0.00
  21.                 }
  22.             }
  23.         }
  24.         JOINT LeftCollar
  25.         {
  26.             OFFSET     1.12     16.23     1.87
  27.             CHANNELS 3 Zrotation Xrotation Yrotation
  28.             JOINT LeftUpArm
  29.             {
  30.                 OFFSET     5.54     0.00     0.00
  31.                 CHANNELS 3 Zrotation Xrotation Yrotation
  32.                 JOINT LeftLowArm
  33.                 {
  34.                     OFFSET     0.00    -11.96     0.00
  35.                     CHANNELS 3 Zrotation Xrotation Yrotation
  36.                     JOINT LeftHand
  37.                     {
  38.                         OFFSET     0.00    -9.93     0.00
  39.                         CHANNELS 3 Zrotation Xrotation Yrotation
  40.                         End Site 
  41.                         {
  42.                             OFFSET     0.00    -7.00     0.00
  43.                         }
  44.                     }
  45.                 }
  46.             }
  47.         }
  48.         JOINT RightCollar
  49.         {
  50.             OFFSET    -1.12     16.23     1.87
  51.             CHANNELS 3 Zrotation Xrotation Yrotation
  52.             JOINT RightUpArm
  53.             {
  54.                 OFFSET    -6.07     0.00     0.00
  55.                 CHANNELS 3 Zrotation Xrotation Yrotation
  56.                 JOINT RightLowArm
  57.                 {
  58.                     OFFSET     0.00    -11.82     0.00
  59.                     CHANNELS 3 Zrotation Xrotation Yrotation
  60.                     JOINT RightHand
  61.                     {
  62.                         OFFSET     0.00    -10.65     0.00
  63.                         CHANNELS 3 Zrotation Xrotation Yrotation
  64.                         End Site 
  65.                         {
  66.                             OFFSET     0.00    -7.00     0.00
  67.                         }
  68.                     }
  69.                 }
  70.             }
  71.         }
  72.     }
  73.     JOINT LeftUpLeg
  74.     {
  75.         OFFSET     3.91     0.00     0.00
  76.         CHANNELS 3 Zrotation Xrotation Yrotation
  77.         JOINT LeftLowLeg
  78.         {
  79.             OFFSET     0.00    -18.34     0.00
  80.             CHANNELS 3 Zrotation Xrotation Yrotation
  81.             JOINT LeftFoot
  82.             {
  83.                 OFFSET     0.00    -17.37     0.00
  84.                 CHANNELS 3 Zrotation Xrotation Yrotation
  85.                 End Site 
  86.                 {
  87.                     OFFSET     0.00    -3.46     0.00
  88.                 }
  89.             }
  90.         }
  91.     }
  92.     JOINT RightUpLeg
  93.     {
  94.         OFFSET    -3.91     0.00     0.00
  95.         CHANNELS 3 Zrotation Xrotation Yrotation
  96.         JOINT RightLowLeg
  97.         {
  98.             OFFSET     0.00    -17.63     0.00
  99.             CHANNELS 3 Zrotation Xrotation Yrotation
  100.             JOINT RightFoot
  101.             {
  102.                 OFFSET     0.00    -17.14     0.00
  103.                 CHANNELS 3 Zrotation Xrotation Yrotation
  104.                 End Site 
  105.                 {
  106.                     OFFSET     0.00    -3.75     0.00
  107.                 }
  108.             }
  109.         }
  110.     }
  111. }
  112. MOTION
  113. Frames:    2
  114. Frame Time: 0.033333
  115.  8.03     35.01     88.36    -3.41     14.78    -164.35     13.09     40.30    -24.60     7.88     43.80     0.00    -3.61    -41.45     5.82     10.08     0.00     10.21     97.95    -23.53    -2.14    -101.86    -80.77    -98.91     0.69     0.03     0.00    -14.04     0.00    -10.50    -85.52    -13.72    -102.93     61.91    -61.18     65.18    -1.57     0.69     0.02     15.00     22.78    -5.92     14.93     49.99     6.60     0.00    -1.14     0.00    -16.58    -10.51    -3.11     15.38     52.66    -21.80     0.00    -23.95     0.00    
  116.  7.81     35.10     86.47    -3.78     12.94    -166.97     12.64     42.57    -22.34     7.67     43.61     0.00    -4.23    -41.41     4.89     19.10     0.00     4.16     93.12    -9.69    -9.43     132.67    -81.86     136.80     0.70     0.37     0.00    -8.62     0.00    -21.82    -87.31    -27.57    -100.09     56.17    -61.56     58.72    -1.63     0.95     0.03     13.16     15.44    -3.56     7.97     59.29     4.97     0.00     1.64     0.00    -17.18    -10.02    -3.08     13.56     53.38    -18.07     0.00    -25.93     0.00

该样例给出了这样一个骨架：
skeleton.png
BVH 格式 | Biovision Hierarchy format - 图2%22%20aria-hidden%3D%22true%22%3E%0A%20%3Cuse%20xlink%3Ahref%3D%22%23E1-MJMATHI-76%22%20x%3D%220%22%20y%3D%220%22%3E%3C%2Fuse%3E%0A%20%3Cuse%20xlink%3Ahref%3D%22%23E1-MJMATHI-52%22%20x%3D%22485%22%20y%3D%220%22%3E%3C%2Fuse%3E%0A%20%3Cuse%20xlink%3Ahref%3D%22%23E1-MJMAIN-3D%22%20x%3D%221522%22%20y%3D%220%22%3E%3C%2Fuse%3E%0A%20%3Cuse%20xlink%3Ahref%3D%22%23E1-MJMATHI-76%22%20x%3D%222579%22%20y%3D%220%22%3E%3C%2Fuse%3E%0A%20%3Cuse%20xlink%3Ahref%3D%22%23E1-MJMATHI-59%22%20x%3D%223064%22%20y%3D%220%22%3E%3C%2Fuse%3E%0A%20%3Cuse%20xlink%3Ahref%3D%22%23E1-MJMATHI-58%22%20x%3D%223828%22%20y%3D%220%22%3E%3C%2Fuse%3E%0A%20%3Cuse%20xlink%3Ahref%3D%22%23E1-MJMATHI-5A%22%20x%3D%224680%22%20y%3D%220%22%3E%3C%2Fuse%3E%0A%3C%2Fg%3E%0A%3C%2Fsvg%3E#card=math&code=vR%20%3D%20vYXZ&id=dVteO)
BVH 格式 | Biovision Hierarchy format - 图3

header section

HIERARCHY关键字标识header section的开始，随后在下一行定义了根节点ROOT，而Hips则是该节点的名称。观察上方给出的骨架示意图，Hips节点作为整个骨架的根节点，保证了整个树形图的最大深度相对较小，减小误差。

其后给出了OFFSET和CHANNELS两个属性。

  • OFFSET表示相对与父节点，该节点的偏移；
    • 对于根节点来说，它一般是0 0 0；
  • ·CHANNELS后有两个部分，首先是一个数字表示后面有几个通道。
    • 一般来说，根节点会有 6 个通道，如上示例有Xposition Yposition Zposition Zrotation Yrotation Xrotation，分别代表在data section中，帧序列的数据按这样的方式存储，前三个代表的是位移下每个分量的顺序（此处表示：依次为 x 坐标， y 坐标， z 坐标，一般只有根节点有这三个通道，用来表示骨架的位移），后三个代表的是旋转角度顺序；
    • 而对于非根节点，一般有 3 个通道，代表的旋转角度顺序；
    • 注意，这里使用的角度制而非弧度制；

而在其后，以JOINT为关键字又表示了其子节点的定义，即以递归的形式给出定义。
image.png

  • 在这张图中，Neck``LeftCollar``RightCollar是Chest的子节点，则Neck``LeftCollar``RightCollar的相对位置应当不变，之后的变换仅仅通过它们整体相对于Chest的旋转实现。

可以这么理解：

  • ROOT和JOINT在语法上基本一致，
    • 只不过第一个出现的节点需要用ROOT索引，且它有6个通道；
    • 而之后的子节点通过JOINT索引，且有3个通道。

而在递归定义的末端，你会发现一个End Site，它只有OFFSET属性而没有CHANNELS属性，这是因为：

  • 骨架是有若干“骨棒”组成的，这个“骨棒”称为segment，而定义一个segment需要两个端点，而End Site就是这个segment链的末端，它不具备旋转信息，因为它没有子节点，仅仅用来通过坐标表达最后一个segment的长度。

    One last note about the BVH hierarchy, the world space is defined as a right handed coordinate system with the Y axis as the world up vector. Thus you will typically find that BVH skeletal segments are aligned along the Y or negative Y axis (since the characters are often have a zero pose where the character stands straight up with the arms straight down to the side).

即世界坐标系一般是一个BVH 格式 | Biovision Hierarchy format - 图5轴朝上的右手系，并且骨架的初始姿势总是 T-Pose ，即人打开双手，像字母T一样站在地上。

data section

MOTION关键字标识data section的开始，之后两行分别是Frames和Frame Time，表示帧数和帧数长度（即帧率倒数，0.033333就是30帧）。
而再之后，则是真正的动画数据，根据header section给出的通道定义依次来给出每一帧的相对变化数据。

理解

根据我的个人理解，header section类似于将一根根棒焊接在能够自由旋转的节点上，并规定数据的组织顺序，即解决了骨架“长什么样”的问题，并指导如何描述骨架“怎么动”；
而data section则类似于按照header section给出的定义，具体该如何改变各个节点的状态。
除了发送给ROOT的位置坐标来表示骨架的位移（平移矩阵），之后的一系列数据都表示该节点该如何旋转（旋转矩阵），那么理所当然的，这个节点的所有子节点都会以这个节点为中心进行相应的旋转；每次递归都重复这样的操作，最终指挥整个骨架的变换。
那么，实际上，每一个节点相对于根节点的变化就可以通过这些变换矩阵按照顺序累乘得到。

参考资料