[发明专利]一种基于动能热力分布图的动态虚拟人仿真方法

摘要

本发明公开了一种基于动能热力分布图的动态虚拟人仿真方法，其步骤为：1）采集运动捕获数据，结合虚拟人的物理属性，在黎曼几何空间下，构造虚拟人的运动过程的动能模型，并在虚拟人的关节空间下根据动能模型描绘出运动的动能热力分布图；2）根据动能热力分布图对运动过程进行分析，根据图中的颜色变化，对运动过程进行分割，提取关键的控制参数和转换时间；3）基于姿势的虚拟人控制器，对关键的姿势进行实时的追踪；4）根据姿势的动能变化进行补偿力的计算，实现动态地控制虚拟人的实时运动仿真。应用本发明能够实时地、有效地控制虚拟人与虚拟环境进行实时的交互，增强了现有方法对虚拟环境交互的鲁棒性，提升了物理模拟虚拟人运动的真实感。

主权项

1.一种基于动能热力分布图的动态虚拟人仿真方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤1：动能模型与动能热力分布图的构造过程，具体包括：i)黎曼几何空间中对运动捕获数据进行处理首先采集运动捕获数据，再对数据的每一帧进行处理，其次人体关节的运动都是在父关节的子空间下运动的，考虑黎曼几何空间下，计算子关节在点A运动到点B的距离g_AB，其具体的公式为：其中l表示子关节到关节的距离，即骨骼的长度，arcos：[‑1，1]→[0，π]表示反三角函数，A，B则表示A点和B点的三维坐标信息；ii)运动过程的动能计算利用在运动捕获数据中每帧的间隔时间，根据黎曼空间下关节的运动距离，计算每个关节i运动的平动速度v_i，其次关节的质量m_i来自与虚拟人的物理定义，则运动的平动动能的计算通过公式得到；同时每个关节的转动动能计算通过公式得到，其中ω_i表示关节在三个轴转动的角速度I表示当前关节的转动惯量，通过公式计算得到，其中N(i)表示包括关节和所有子关节的集合；结合平动动能和转动动能，每个关节的动能模型E_i通过公式得到；iii)动能热力分布图的表示首先根据动能模型计算每个关节在每一帧的动能，其次根据动能描绘动能热力分布图，图的水平坐标表示时间帧数，而垂直坐标表示每个关节的动能；步骤2：基于动能热力分布图的运动分析，具体包括：i)运动过程的阶段性分割首先根据设定的阈值将动能热力分布图进行颜色分割，进而动能热力分布图转化成了离散的运动片段；ii)运动过程的控制参数提取首先提取运动片段的边界帧，其次在运动片段中检索动能变化最小的帧，动能变化d_e的计算公式为：d_e＝|E_j‑E_in|+|E_j‑E_out|其中E_j为运动片段中第j帧的动能，E_in为进入运动片段的第一帧，E_out为退出运动片段的最后一帧；其次对运动片段进行参数化建模，运动片段S的表达公式为：s＝{p_in，p_mid，p_out，t}其中t为运动片段的时间，p_in，p_mid，p_out分别为进入运动片段的姿势参数，动能变化最小的姿势参数和退出运动片段的姿势参数，姿势参数p的表达公式为：p＝{Q，E}其中Q为每个关节的目标角度构成的矩阵，E为每个关节的动能构成的矩阵；步骤3：基于姿势的虚拟人控制器，具体包括：首先虚拟人的关节是使用比例微分控制器进行模拟，比例微分控制器的反馈规则公式为：θ_t＝θ_d+c_sdd_s+c_svv_s+c_cdd_c+c_cvv_c其中θ_t和θ_d分别表示在比例微分控制器的目标角度和预计算的目标角度；d_s和d_c分别表示人体矢状面和冠状面上质心和支撑脚的距离，v_s和v_c分别表示人体矢状面和冠状面上质心的速度，c_sd和c_sv分别是矢状面上距离和速度的反馈参数，c_cd和c_cv分别是冠状面上距离和速度的反馈参数；其次比例微分控制器的力反馈τ的计算公式为：其中θ为关节的水平角度，为关节的水平角速度，k_p和k_d分别为比例系数和微分系数；步骤4：动态补偿力计算，具体包括：在力反馈τ计算完成后，由于不同运动切换之间的存在差异，在比例微分控制器的力反馈基础上引入虚拟补偿力的计算，实现虚拟人运动转换中保持平衡和姿势的稳定，其中质心的平衡与速度的补偿力F_b计算公式为：其中ε是仿真的时间步长，是每个关节的平动动能差，v为虚拟人质心的速度，T为运动片段的时间差；姿势修复的补偿力τ_p计算公式为：其中为每个关节的转动动能差，ω为关节的转动角速度。