[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

权利要求书

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。