[发明专利]骨骼姿态计算方法、人物虚拟模型驱动方法及存储介质

说明书

一种骨骼姿态计算方法、人物虚拟模型驱动方法及存储介质，其中骨骼姿态计算方法是人物虚拟模型驱动方法的关键步骤，该方法包括基于反向运动学的骨骼姿态迭代计算过程，使用逆向推导的思想，根据肢端的姿态信息变化量来逆向计算人体骨骼链的中间关节的关节角度变化量，使得每次迭代之后各个关节角度都接近最佳值，有效保证模拟肢体动作时的平滑渐变效果，满足逼真地模拟肢体动作的应用需求。此外，迭代计算过程中采取了多重判断机制，能够将各个关节角度变化量以及肢端的姿态信息变化量及时地更新至下一次的迭代计算之中，简化了判断过程并确保了迭代循环的有效性，利于在确保计算结果正确的情形下提高系统的计算速度，可增强肢体动作捕捉过程的实时性。

技术领域

本发明涉及运动捕捉技术，具体涉及骨骼姿态计算方法、人物虚拟模型驱动方法及存储介质。

背景技术

运动捕捉技术(Motion capture，简称Mocap)是指在运动物体的关键部位设置跟踪器，由动捕系统捕捉跟踪器位置，再经过计算机处理后得到三维空间坐标的数据。当三维空间坐标数据被计算机识别后，可以应用在动画制作、步态分析、生物力学、人机工程等领域。特别是在电影特效领域，将多个摄影机捕捉到的真人影像换为数字模型，捕捉并记录演员表演时的动作，然后把这些动作同步到电脑中的虚拟角色上，使虚拟角色的动作和真人毫无差别，以达到逼真、自然的效果。

根据设备运行原理的不同，运动捕捉技术本身也有着诸多分类，常见的有机械式动捕系统、声学式动捕系统、电磁式动捕系统、光学式动捕系统以及惯性动捕系统。其中，光学式动作捕捉凭借着采集精度高、可实时反馈等优势成为现阶段应用最为广泛、发展较为成熟的运动捕捉技术。

常见的光学式运动捕捉大多基于计算机视觉原理，从理论上说，对于空间中的一个点，只要它能同时为两部相机所见，则根据同一时刻两部相机所拍摄的图像和相机参数，可以确定这一时刻该点在空间中的位置，而当相机以足够高的速率连续拍摄时，从图像序列中就可以得到该点的运动轨迹。典型的光学式运动捕捉系统通常使用6-8个相机在表演场进行环绕排列，这些相机的视野重叠区域就是表演者的动作范围，为了便于处理，要求表演者穿上单色的服装，在身体诸如关节、髋部、肘、腕等关键部位贴上一些视觉系统可识别的标志或发光点(即Marker)，使用相机以每秒60帧以上拍摄速率连续地拍摄表演者的动作，并将图像序列保存下来，然后再进行分析和处理，识别其中的标志点，并计算其在每一瞬间的空间位置，进而得到其准确的运动轨迹。

光学式动捕系统在游戏和电影领域运用都比较广泛，通过对目标上特定光点(比如捕捉球或荧光贴点)的监视和跟踪来完成运动捕捉的任务，由于每一个光点都对应一个捕捉目标的特殊部位，所以光点的移动就可以映射成为目标的分段位移，甚至结构非常复杂的目标(比如人体)，在高光点数量、高定位精度的基础下，也能够构建出目标物每一个细致关节的移动。

在游戏动画制作或者电影特效制作的应用中，虚拟模型通常用一组刚体表示的骨骼构架，两骨骼之间由关节连接。因此，当给定各个关节的变化角度时，可以应用正向运动学方法(是指从关节参数指定的值计算端部执行器的位置的方法)得到虚拟模型的肢端位置。然而，在交互式操作、轨迹控制等应用功能中往往需要根据虚拟模型某一肢体末端骨骼的位置反求同一肢体上各个关节的旋转角度，此时，需要采用反向运动学(InverseKinematics，简称IK，是指给定肢端和固定端的位置姿态求运动链上各关节转角)的方式对相关关节转角进行求解。

在采用反向运动学求解的实际应用中，通常将配置有多个反光标记点的刚体(或者捕捉球)设置于运动目标(比如人体)的肢体端部，运用多个光学相机高速拍摄运动目标的动作，获取刚体(或者捕捉球)的位置信息，借助生物学上的人体模型，并通过反向运动方式的求解方式模拟出该肢体上端部之间的各个关节的旋转角度，进而准确地模拟出拍摄时间间隔内运动目标的连续运动轨迹。