Anthropometry for Computer Graphics Human Figures

108 Pages·2016·1.25 MB·English

UUnniivveerrssiittyy ooff PPeennnnssyyllvvaanniiaa
SScchhoollaarrllyyCCoommmmoonnss
Center for Human Modeling and Simulation Department of Computer & Information Science
January 1989
AAnntthhrrooppoommeettrryy ffoorr CCoommppuutteerr GGrraapphhiiccss HHuummaann FFiigguurreess
Marc R. Grosso
State University of New York
Richard D. Quach
Oracle Corporation
Ernest Otani
General Motors Technical Center
Jianmin Zhao
University of Pennsylvania
Susanna Wei
University of Pennsylvania
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RReeccoommmmeennddeedd CCiittaattiioonn
Grosso, M. R., Quach, R. D., Otani, E., Zhao, J., Wei, S., Ho, P., Lu, J., & Badler, N. I. (1989). Anthropometry
for Computer Graphics Human Figures. Retrieved from https://repository.upenn.edu/hms/67
University of Pennsylvania Department of Computer and Information Science Technical Report No. MS-CIS-89-71.
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AAnntthhrrooppoommeettrryy ffoorr CCoommppuutteerr GGrraapphhiiccss HHuummaann FFiigguurreess
AAbbssttrraacctt
Anthropometry as it applies to Computer Graphics is examined in this report which documents the
Anthropometry work done in the Computer Graphics Research Laboratory at the University of
Pennsylvania from 1986 to 1988. A detailed description of the basis for this work is given along with
examples of the variability of computer graphics human figures resulting from this work. Also discussed
is the unique and versatile user interface developed to allow easy manipulation of the data used to
describe the anthropometric parameters required to define human figure models. The many appendices
contain the specifics of our models as well as much of the data used to define the models.
CCoommmmeennttss
University of Pennsylvania Department of Computer and Information Science Technical Report No. MS-
CIS-89-71.
AAuutthhoorr((ss))
Marc R. Grosso, Richard D. Quach, Ernest Otani, Jianmin Zhao, Susanna Wei, Pei-Hwa Ho, Jiahe Lu, and
Norman I. Badler
This technical report is available at ScholarlyCommons: https://repository.upenn.edu/hms/67
ANTHROPOMETRY FOR COMPUTER GRAPHICS
HUMAN FIGURES
1
Marc R. Grosso
2
Richard D. Quach
3
Ernest Otani
JianminZhao
Susanna Wei
Pei-Hwa Ho
Jiahe Lu
NormanI. Badler
Department of Computer and InformationScience
University of Pennsylvania
Philadelphia, PA. 19104{6389
1Departmentof Learning and Instruction, Science Education, 593 Baldy Hall, State University of New York at Bu(cid:11)alo,
Bu(cid:11)alo,NewYork14260.
2OracleCorp,c/o575S.Rengstor(cid:11)Avenue#122,MountainView,CA 94040
3GeneralMotorsTechnicalCenter/MD54,Warren,Michigan48090-9040.
i
Contents
1 Introduction 1
2 Anthropometry Issues 1
3 Implementation of Anthropometric Scaling 2
4 Joints 5
4.1 Monaxial(or Uni{Axial)Joints (1 Degree of Freedom) : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 5
4.2 Bi{AxialJoints (2 Degrees of Freedom) : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 5
4.3 Tri{Axial(or Multi{Axial)Joints (3 Degrees of Freedom) : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 5
5 Joint Limits 6
6 Mass 6
7 Moment of Inertia 7
8 Segment/Body Volume 7
9 BODY.FIG 8
10 BODY DESCRIPTION FILES 8
10.1 Segment Variable Descriptions : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 8
10.2 AdditionalMeasurements : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 13
10.3 Skin fold measurements : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 14
10.4 Somatotype : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 15
10.5 Mass : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 16
10.6 Joint Names : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 16
11 User Interface 20
11.1 GIRTHFUN : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 20
11.2 JACK Menus : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 21
11.3 MEX Window Menus : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 21
11.4 Spreadsheet Anthropometry Scaling System (SASS) : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 21
12 SASS: The Spreadsheet Anthropometry Scaling System 21
12.1 Getting Started : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 22
12.2 Anthropometric Spreadsheet : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 22
12.2.1 Anthropometric Group Status: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 22
12.2.2 Standard (Global)Data : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 22
12.2.3 Data Section for Girth, Joint Limits,and Center of Mass : : : : : : : : : : : : : : : : 24
12.2.4 CommandMenu : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 25
12.3 Database Query Spreadsheet : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 29
12.3.1 SummaryData Section : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 29
12.3.2 Query/Selected List Section : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 29
12.3.3 CommandMenu : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 29
12.4 DisplayAnthropometric Data for Real Person : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 37
12.5 Exit SASS : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 39
13 Biostereometric Data 39
13.1 Biostereometric body model : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 40
13.2 Biostereometric data tiling: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 40
13.3 Establishing joint centers in the biostereometric data : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 40
ii
14 Open Issues 43
14.1 Joint motionfor spherical joints: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 43
14.2 Field of view : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 44
14.3 Joint centers in complexhuman(cid:12)gure models : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 44
15 Results and examples of human (cid:12)gure model 44
16 Future Needs 47
16.1 DynamicsRelated Factors : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 47
16.2 Anthropometry Related Factors : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 47
16.3 Biostereometric body modelimprovementsand extensions : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 48
17 Appendices 50
A Body Segment and Joint List 50
B Male Girths 53
C Female Girths 54
D Figure de(cid:12)nition(cid:12)le, BODY.FIG 55
E Segmented torso de(cid:12)nition (cid:12)le 66
F Sample Figure Description File, MALE50.FIG 68
G Joint motion variable list 72
H Male Joint Limits 74
I Female Joint Limits 75
J JLIMITS.H 76
K Mass Values 79
L Center of Mass 80
L.1 Determinationof the center of masslocations : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 80
L.2 The Database : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 82
M List of Psurfs { Skinnybody 84
N List of Psurfs { Polybody 85
O \An Anthropometric Database for Computer Graphics Human Figures" 86
P Biostereometric Figure File 89
Q Fields of the Anthropometric Database 95
List of Figures
th
1 Polybody modelmale and female 50 %ile (cid:12)gures. : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 3
th
2 Polybody and skinnybody male50 %ile (cid:12)gures. : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 4
3 SampleAnthropometric Spreadsheet for Girth. : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 23
4 Anthropometric Spreadsheet Screen Layout. : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 24
iii
5 SampleAnthropometric Spreadsheet for Strength. : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 26
6 CommandMenu for Anthropometric Spreadsheet. : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 27
7 SASS Statistics Data File Formatfor Girth, Joint Limits,and Center of Mass. : : : : : : : : 28
8 SASS Statistics Data File Formatfor Strength. : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 28
9 SampleDatabase Query Spreadsheet.: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 30
10 Database Query Spreadsheet Screen Layout.: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 31
11 CommandMenu for Database Query Spreadsheet. : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 31
12 SampleDatabase Input File for Girth. : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 34
13 The Sequence of Pop-up Menus Used in the Sample Query. : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 38
14 Biostereometric (cid:12)gures: femaleas contours (originaldata);maleistiledandgivenjointspheres. 41
15 Polybody modelrange of male(cid:12)gure sizes : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 45
16 Polybody modelrange of female(cid:12)gure sizes : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 46
iv
ANTHROPOMETRY FOR COMPUTER GRAPHICS
HUMAN FIGURES
Abstract
Anthropometry as it applies to Computer Graphics is examined in this report which documents
the Anthropometry work done in the Computer Graphics Research Laboratory at the University of
Pennsylvania from 1986 to 1988. A detailed description of the basis for this work is given along with
examplesofthevariablity ofcomputergraphics human(cid:12)guresresulting fromthiswork. Alsodiscussedis
theunique andversatile userinterface developed toallow easymanipulation ofthedatausedtodescribe
the anthropometric parameters required to de(cid:12)ne human (cid:12)gure models. The many appendicies contain
the speci(cid:12)cs ofour models as well as much ofthe data used tode(cid:12)ne the models.
Acknowledgements This research is partially supported by Lockheed Engineering and Management
Services, Paci(cid:12)c Northwest Laboratories B{U0072{A{N, the Pennsylvania Benjamin Franklin Partnership,
NASA Grants NAG{2{426 and NGT{50063, NSF CER Grant MCS{82{19196, NSF Grants IST{86{12984
andDMC85{16114,andAROGrantDAAG29{84{K{0061includingparticipationbytheU.S.ArmyHuman
EngineeringLaboratory. PartsofthisreporthavebeenwrittenusingthecomputerfacilitiesoftheComputer
Science Department, State University of New York at Bu(cid:11)alo, Bu(cid:11)alo, New York 14260.
v
1 Introduction
This technical report is a compilation of the work done at the University of Pennsylvania’s Computer
Graphics Laboratory in anthropometry for computer graphics human (cid:12)gures and related areas since 1986.
This report documents and explains the reasoning used and assumptions made during this work and when
putting manyof the pieces of data into place.
Detailed descriptions of the implementation and use of the many factors involved in anthropometric
scaling are provided. These descriptions, hopefully, will provide a sound and clear basis for understanding
the work which has been done and how the information is, can, and should be used. An itemized list of
the required data is included. The speci(cid:12)c details of the measurements used and the actual data values are
found in the manyappendices.
A unique and extremely useful user interface has been developed to work with this information. A
brief introduction to this interface, the Spreadsheet Anthropometry Scaling System (SASS), developed by
Richard Quach, is given here. SASS provides the ability to use, review, and modify the individual data
items needed for the description and depiction of a human(cid:12)gure for computer graphics systems. Diagrams
of human(cid:12)gures are included to show the variabilityof the human(cid:12)gures producible.
2 Anthropometry Issues
Anthropometry, the science of human body measurement, has been an area of interest throughout history
[LOH88]:
In his authoritative book \A History of the Study of Human Growth," Professor Tanner writes
that the ancient Greeks, as well as sculptors and painters of the Renaissance, measured the
humanbody to estimate body proportions and, thus, reproduce life{likeimagesofvarying sizes.
Interest in absolute size developed later in the 17th and 18th centuries out of militaryconcerns.
The European armies preferred taller soldiers, and recruiting o(cid:14)cers became anthropometrists.
Interest in scienti(cid:12)c study of growth and in the relative importance of nature versus nurture in
explaininghumanvariabilityhas been pronounced since the 19th century.
Thus,anthropometryasweknowittodayhasbeen anactiveareaofresearch sincethe 19thcentury. The
vastmajorityofthe workin\modern"anthropometryhasbeen doneby Anthropologistswhowere studying
various populations of people and the e(cid:11)ects of some environmental factor on the population. While there
are studies dating back to the mid{ to late{ 1800’s, more recent studies covering groups of adults (i.e.
populations) from around the world are summarized in the Anthropometry Source Book [NAS78]. Its two
volumeshave become one of the foundationsources for contemporary anthropometry.
Anthropometric studies di(cid:11)er greatly in the number and kindof measurementsselected. They allreport
astatisticalanalysisofthevaluesofeach measurementgivingatleastamedianwithstandarddeviationand
the maximumand minimumvalues. The studies typically report the above values along with a breakdown
st th th th th th th
at selected percentiles of the population, typically 1 , 5 , 25 , 50 , 75 , 95 and 99 percent of the
population.
Some of the data found in these studies was used in the NASA Man{Systems Integration Manual
[NAS87], as the basis for the estimated measurements for male and female astronauts in the year 2000,
using the body dimensions of American males (both blacks and whites) and Japanese females. It is felt
that these populations provide the maximum range in body sizes in the developed world today since the
American maleis amongthe largest of malesand the Japanese femaleis the smallestof females. There is a
4
growth rate factor which is used to adjust the values in projecting to the year 2000.
The measurementsselected forinclusion inthe NASA Man{Systems Integration Manual [NAS87],were
chosen to meet the various needs ofNASA and were not intended to be a complete set ofmeasurements for
all purposes or for all possible users. These measurements served as the basis for the human (cid:12)gure model
we developed but are are not complete enough to totally describe our human (cid:12)gure model. This is due to
4refertoFigure3.2.3.3{1,AssumedSecularGrowthRateofStature[NAS87]
1
either data missing fromthe NASA Man{Systems Integration Manual [NAS87] or to measurements which
were not included in that report. Most of the missing values can be found in the Anthropometry Source
Book [NAS78]. There are a number of measurements required for our model which were not found in any
of the resources availableto us. Where this occurred intelligent estimates have been madebased upon data
values fromclosely related measurements (possibly froma di(cid:11)erent population)or by calculatingthe values
fromother measurements. In no case were the unde(cid:12)ned values set arbitrarily.
3 Implementation of Anthropometric Scaling
Acomputerprogram,SASS{Spreadsheet AnthropometryScalingSystem{waswrittenwhichwillgenerate
the dimensionsofeachsegmentofahuman(cid:12)gurebased uponpopulationdatasuppliedasinput. Themodel
we use currently consists of thirty{one (31) segments or body structures, of which twenty{four (24) have
a geometrical representation (see Appendix A for the complete list). For each segment or body structure
withgeometricalrepresentation, there are three measurementswhichare needed, the segment(or structure)
length,width,anddepth(orthickness). Therefore, werequireaminimumofseventy{two(72)measurements
be made to describe the physical dimensionsof our human(cid:12)gure. The list of measurements upon which we
base our human (cid:12)gure can be found in Appendix A. These measurements were compiled from the NASA
Man{ Systems Integration Manual [NAS87] and the Anthropometry Source Book, Volume II [NAS78].
The geometric primitive we use is a polyhedral surface (psurf). Using psurfs we can easily describe the
nodes or vertices, edges, and faces which will result in a displayable shape to represent each segment. This
representation of segments forms the foundation for the human (cid:12)gure models which we currently use. See
Figures 1 and 2 for examples of the \polybody"and \skinnybody" models.
Each psurf for the various segments is stored in a Unix archive (cid:12)le, in normalized format where the Z
(length) dimensionranges fromzero (0) to positive one (+1), and the X (depth) and Y (width) dimensions
range from negative one ((cid:0)1) to positive one (+1). This normalized format is an integral part of the
variabilityof human(cid:12)gures available.
Inordertodisplaythesepsurfs,usingeitherrealmeasurementsforapersonorpercentilemeasurementsfor
somespeci(cid:12)ble population,thepsurfsmustbescaled. Thescalingfactorsforeachdimension,x,y,andz,can
bespeci(cid:12)edforeachpsurf. Thesescalingfactorswillbeusedwhenthe(cid:12)gures(andtheirpsurfs)aredisplayed
using JACK, an interactive interface to 3{D articulated models ( [PHI88a], [PHI88b], and [PHI88c]).
JACK uses the PEABODY language syntax to represent (cid:12)gures (human and any other geometrically
de(cid:12)nable, usually segmented) which are to be displayed or manipulated. PEABODY expects a (cid:12)le to be
input which de(cid:12)nes the relationships of each psurf and allows for the de(cid:12)nition of joints, constraints, and
sites (features or attachment points) for the (cid:12)gure. For the human (cid:12)gure the (cid:12)le \BODY.FIG" contains
the required de(cid:12)nitions. (See Section 9 and Appendix D for details). Since the PEABODY syntax is
(cid:13)exible and extensible, the human (cid:12)gure de(cid:12)nition can be extended to include additional factors as they
become needed or available. Segment dimensions (as psurf scale factors), segment masses, segment centers
ofmass,jointlimits,and segmentmomentsofinertiaare currently de(cid:12)ned inadditionto joints,constraints,
and sites. These items are identi(cid:12)ed by meaningful variable names within the \BODY.FIG" (cid:12)le. The
addition of segment strength values is expected in the very near future. See Appendix D for the current
\BODY.FIG" (cid:12)le.
The values forthe PEABODYdescriptors are input toJACK froma(cid:12)le, (\*.(cid:12)g"),calledabody def-
inition(cid:12)le. Its nameis typed bythe user or else selected directly froma JACK menu. This latter optionis
goodonlyforsomeprede(cid:12)ned,defaultbodymodels. Anexampleofabodyde(cid:12)nition(cid:12)leis\MALE50.FIG"
th
which contains the data representing a 50 percentile male (cid:12)gure for the NASA crewmember trainee pop-
ulation. The current \MALE50.FIG" (cid:12)le can be found in Appendix F. All such body de(cid:12)nition (cid:12)les
de(cid:12)ning human (cid:12)gures will have structure identical to \MALE50.FIG" but with di(cid:11)erent values for the
variable names listed. These body de(cid:12)nition (cid:12)les also identify the psurf archive (cid:12)le to use (\SKINNY.A"
for askinny body (cid:12)gure), the PEABODY language(cid:12)le identifyinghow the psurfs relate to each other and
other pertinent information, (i.e. \BODY.FIG" for a human (cid:12)gure), along with all values necessary for
the human(cid:12)gure. Each of these values are assigned to a corresponding variable namewhich is found in the
\BODY.FIG"(cid:12)le. In this way,the body iscompletelyde(cid:12)ned and stored inthe datastructures initialized
when \BODY.FIG" is read in by JACK.
2
th
Figure 1: Polybody modelmaleand female50 %ile (cid:12)gures.
3