[发明专利]一种基于示例动画的人物运动模拟方法

摘要

本发明涉及虚拟现实技术领域，且公开了一种基于示例动画的人物运动模拟方法，包括以下步骤：数据预处理阶段：步骤1：制作示例行走动作数据，通过动作捕捉设备结合美工修正的方式制作不同类型的基础示例行走动作，大量动作动画数据M＝{M1，M2，…，Mi},1≤i≤Num。该基于示例动画的人物运动模拟方法，根据用户需要设定虚拟人物行走时理想的前向速度、转向速度和横向速度，经过动作数据预处理阶段和混合行走动作实时计算阶段两个阶段，通过参数混合的方式实时驱动和控制虚拟人物在虚拟环境中进行运动，使得虚拟人物在虚拟环境中能够像真实人物一样自然的进行行走，有利于增强虚拟环境的逼真感与真实感，提高用户体验。

主权项

1.一种基于示例动画的人物运动模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：动作数据预处理阶段：步骤(1)：制作示例行走动作数据，通过动作捕捉设备结合美工修正的方式制作不同类型的基础示例行走动作，大量动作动画数据M＝{M₁，M₂，…，M_i}(1≤i≤Num)，Num为行走动画数据个数，然后通过动作美化工程师对捕捉的基本行走动作数据进行调整与精修，得到自然的人物行走动作，这些示例行走数据最终被抽象为虚拟人物骨骼的所有重要关节的旋转数据以及位移数据，然后手动的将每一个示例行走动作脚掌贴地的时刻打上时间戳，则某一个示例动作可以划分为多个子运动片段{Mⁱ(t₁→t₂)，Mⁱ(t₂→t₃)，…，Mⁱ(t_n‑1→t_n)}(n为该示例动作的总时间，t为时间戳)；步骤(2)：动作数据参数化，根据示例行走动作的运动数据提取三个运动参数：前向速度、转向速度和横向速度，分别计算每一个动作的前向速度v_f，转向速度v_t，横向速度v_s，通过这种信息提取方式，将每一个行走动作参数化表示为P_i＝(v_f，V_t，V_s)(i表示第i个动作)，所有的参数点构成参数点集合P＝{P₁，P₂，…，P_i}(1≤i≤Num)；步骤(3)：构建参数化三维空间，在得到参数点集合P之后，以前向速度v_f作为y轴参考，转向速度v_t，作为x轴参考，横向速度v_s作为z轴参考构建参数化三维空间，则步骤(2)中得到的参数点则会分布在此三维空间的范围，以动作的三个运动参数作为空间参考轴构建参数化三维空间；步骤(4)：构建参数化四面体，在上述构建的三维参数空间内，根据提取的行走动作参数点通过手动或者自动的方法构建参数化四面体，在示例动作数据量较少的情况下，可以通过人工识别和手工连接运动参数点的方式构建参数化四面体集合；而在有大量示例动作数据的情况下，优选采用三维约束Delaunay三角化算法自动构建参数化四面体集合V＝{T₁，T₂，…，T_n}，其中T_i＝(P_j1，P_j2，P_j3，P_j4)(1≤i≤n)，其中n为四面体个数，P_ji表示某个行走动作参数点，根据三维空间中的行走动作参数点构建参数化四面体。混合行走动作实时计算阶段：步骤(5)：设定理想的行走动作参数，用户根据自身需求设定行走动作参数P_C＝(V_cf，V_ct，V_cs)，其中V_cf为所设定的理想前向速度，V_ct为所设定的理想转向速度，V_cs为所设定的理想横向速度；步骤(6)：搜索邻近参数化四面体，根据步骤(5)所设定的目标行走动作参P_c在参数化四面体集合V内搜索距离最近的参数化四面体，一般情况下，P_c通常会处于参数化四面体集合V的某个四面体内部，则包含P_c的四面体为P_c的最邻近参数四面体，另外，对于P_c不处于参数化四面体集合V中任何一个四面体内部的特殊情况，则通过实时射线碰撞检测算法搜索距离P_c最近的四面体，并通过点面几何处理算法获取该四面体所有三角面中与P_c距离最近，且P_c位于该面外侧的三角面，该面记为S，为了后续动作混合计算结果的精确，P_c参数点最好处于参数化四面体内部，所以需要在P_c的最邻近的参数四面体上找到距离最近的点，记为P_cc参数点，用于替换参数点P_c，参与后续步骤计算，在本发明中，通过寻找三角面S上与P_c参数点距离最近的一点作为P_cc参数点，然后使用P_cc参数点的参数值替换所设定的P_c的参数值，这种计算方式仅仅针对于上述特殊情况；步骤(7)：计算动作混合权重值，通过步骤(6)可以得到所设定动作参数P_c的最邻近参数化四面体，该四面体的四个参数顶点分别为{P₁，P₂，P₃，P₄}，P_i＝(v_fi，v_ti，v_ti)(1≤i≤4)，P_c参数点位于该四面体内部，则：其中w₁为P₁参数点的混合权重，w₂为P₂参数点的混合权重，w₃为P₃点的混合权重，且上式可展开为：则w₁，w₂，w₃可以通过求解以下矩阵方程进行计算：在w₁，w₂，w₃计算完成之后，P₄点的混合权重w₄可以通过下列公式进行求解：w₄＝1‑(w₁+w₂+w₃)步骤(8)：合成行走动作，通过步骤(7)可以得到参数化四面体的四个参数点的混合权重，设该参数四面体相关联的四个基础示例动作为{M₁，M₂，M₃，M₄}，设根据参数P_c所合成的动作为M_result＝{M^result(t₁→t₂)，M^result(t₂→t₃)，…，M^result(t_n‑1→t_n)}，则M^result在某个时间片段运动数据可以通过以下公式进行计算：其中参数t表示时间，参与上述公式计算的主要为四个示例动作的根节点的位移信息以及所有关节的旋转信息，最后通过上述公式根据混合权重计算出符合给定运动参数的合成动作；步骤(9)：驱动人物行走，根据步骤(8)得到的合成动作数据，渲染引擎实时驱动虚拟人物模型做出与合成动作数据相符合的行走动画，步骤(5)‑步骤(8)描述的是渲染引擎刷新一帧的时间内所需计算的内容，用户可以根据虚拟人物需到达行走目标点的位置以及虚拟人物在当前帧的位置，实时计算虚拟人物在下一帧的前向速度、转向速度和横向速度，然后通过步骤(5)‑步骤(8)实时计算虚拟人物在下一帧的行走动作，通过上述算法可以自动驱动虚拟人物进行行走，并且自动调整行走方向，以到达目标点，由于上述算法效率可以满足渲染引擎实时渲染的性能要求，所在虚拟环境中可以驱动虚拟人物做出连续的行走动作并到达目标点。