[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

说明书

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。

技术领域

本发明属于计算机图形学领域，具体地说是一种基于动能热力分布图的动态虚拟人仿真方法，其部分技术包括运动捕获数据分析，虚拟比例微分控制器原理以及虚拟补偿力计算等。

背景技术

虚拟世界中，双足仿真虚拟人的运动一直以来都是计算机图形学领域的一个重要的研究方向，并且在游戏开发与电影制作等计算机图形软件领域有着广泛的应用前景。传统的虚拟人动画仿真是使用运动捕捉设备对人体动画进行采集和重现，它的局限性在于无法与虚拟环境进行实时的交互以及只能对采集的动画进行剪辑和拼接来完成动画的重用。而基于物理的虚拟人仿真则可以应对环境的实时交互，并且产生新的虚拟人动画。目前对于基于物理的虚拟人多使用虚拟的三维机器人作为表示，并用机器人控制技术作为驱动虚拟人运动的基础。

基于姿势的控制技术是基于物理的虚拟人动画生成技术的一种较为流行的方法，其概念基础是使用比例微分控制器驱动关节产生趋于目标角度的运动轨迹。然而在追踪运动轨迹时无法保证精确的追踪轨迹，这导致使用这种方法产生的动画对于环境变化非常敏感，并且运动动画不够生动。使用已有的运动捕获数据来引导控制器对于精准姿势的追踪可以改善基于姿势的动画生成技术的缺点。

然而运动捕获数据只具有空间变换信息，仅仅使用空间变换信息来引导基于物理的虚拟人运动具有局限性。对于虚拟人的物理属性也必须考虑，以达到精确的运动分析。同时，在仿真运动过程中，使用运动状态切换来应对复杂环境时，可以快速地计算虚拟人关节的补偿力，使得虚拟人应对与复杂环境交互时更具有鲁棒性，尤其是行走在高低不平坦的路面的场景中体现得尤其明显。如果能准确的估计出转换时间并且快速计算出转换时虚拟人的关节力矩，可以很好地改善虚拟人在复杂环境下的动画生成质量，则对大众的视觉体验来说将会是巨大的提升。

发明内容

本发明的目的在于使用易获得的运动捕获数据指导基于物理的虚拟人进行运动仿真，提出了一种基于动能分布热力图的虚拟人运动仿真方法，该方法引入动能对运动捕获数据进行分析和控制参数提取，引入动态补偿力对运动控制过程的细节进行完善，获得了更加鲁棒的运动控制器。

实现本发明目的的具体技术方案是：

一种基于动能热力分布图的动态虚拟人仿真方法，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，其次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