[發(fā)明專利]一種基于快速逆向運(yùn)動學(xué)的實(shí)時運(yùn)動合成方法

有效

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• 申請日: 2011-08-19
• 公開（公告）號: CN102426709A
• 公開（公告）日: 2012-04-25
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 岑麗霞;梁曉輝
• 申請（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類號: G06T13/40
• 分類號: G06T13/40
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責(zé)任公司 11251
• 代理人: 李新華;盧紀(jì)

1.一種基于快速逆向運(yùn)動學(xué)的實(shí)時運(yùn)動合成方法，其特征在于步驟如下：

(1)步長分割

依據(jù)人體生物力學(xué)理論中對于人體走路步長的定義將當(dāng)前的運(yùn)動數(shù)據(jù)以步長為單位進(jìn)行分割，所述運(yùn)動數(shù)據(jù)由運(yùn)動捕獲設(shè)備獲得；

(2)關(guān)鍵關(guān)節(jié)點(diǎn)分析

通過對運(yùn)動數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)鍵關(guān)節(jié)點(diǎn)分析，確定對交互運(yùn)動影響最大的關(guān)鍵關(guān)節(jié)點(diǎn)，從而在數(shù)據(jù)調(diào)整階段對這些關(guān)鍵關(guān)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整；

(3)基于快速的逆向運(yùn)動學(xué)算法以及平衡控制策略調(diào)整人體運(yùn)動

在每一步開始時，將用戶設(shè)定的作為虛擬環(huán)境特征的邁步信息與當(dāng)前虛擬角色的邁步信息做比較，所述當(dāng)前虛擬角色的邁步信息包括步長或者邁步高度，如果虛擬角色能夠完成與虛擬環(huán)境的交互，則用運(yùn)動數(shù)據(jù)驅(qū)動虛擬角色運(yùn)動；如果不能完成與虛擬環(huán)境的交互，則利用逆向運(yùn)動學(xué)算法并通過自適應(yīng)的調(diào)整迭代步長，同時結(jié)合多線程機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動數(shù)據(jù)的快速調(diào)整；所述平衡控制策略是依據(jù)人體生物力學(xué)關(guān)于人體平衡控制理論，即當(dāng)人體身體重心的投影落在支撐面內(nèi)的時候，人的身體才能保持平衡，否則不能保持平衡，當(dāng)身體不平衡時，通過調(diào)整人重心的位置使虛擬角色達(dá)到平衡；

(4)基于幾何方法的數(shù)據(jù)平滑

利用數(shù)據(jù)幀之前的偏移向量相關(guān)的計算來對數(shù)據(jù)幀進(jìn)行平滑。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的實(shí)時運(yùn)動合成方法，其特征在于：所述步驟(1)中關(guān)于步長分割算法的步驟如下：

(11)對運(yùn)動數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波去除噪聲；

(1.2)計算運(yùn)動數(shù)據(jù)序列中左腳和右腳在全局坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值序列；

(1.3)對左右腳全局坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值序列進(jìn)行分析，根據(jù)其在垂直方向下的值判斷邁步信息；

(1.4)確定每一步的起始幀與結(jié)束幀、每一步的步長以及左右腳在運(yùn)動過程中的所有著地點(diǎn)的位置，以方便后面的調(diào)整計算。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的實(shí)時運(yùn)動合成方法，其特征在于：所述步驟(2)中關(guān)于關(guān)鍵關(guān)節(jié)點(diǎn)分析，分析得到的是交互運(yùn)動中起關(guān)鍵作用的關(guān)節(jié)點(diǎn)，步驟如下：

(2.1)對原始運(yùn)動捕獲數(shù)據(jù)的協(xié)方差矩陣進(jìn)行主成分分析，對運(yùn)動幀數(shù)進(jìn)行降維；

(2.2)對降維后矩陣的行向量進(jìn)行聚類分析，并根據(jù)每個關(guān)節(jié)點(diǎn)在不同聚類內(nèi)的分布，得到關(guān)鍵關(guān)節(jié)點(diǎn)。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的實(shí)時運(yùn)動合成方法，其特征在于：所述步驟(3)中對于快速的逆向運(yùn)動學(xué)算法以及平衡控制算法，其步驟如下：

(3.1)根據(jù)用戶設(shè)定的作為虛擬環(huán)境特征的邁步信息計算其與虛擬角色當(dāng)前邁步信息的比例關(guān)系；

(3.2)根據(jù)(3.1)計算的比例關(guān)系調(diào)整末端關(guān)鍵關(guān)節(jié)點(diǎn)的位置信息；

(3.3)利用逆向運(yùn)動學(xué)算法計算所涉及到鏈桿的當(dāng)前步長所有幀的關(guān)鍵關(guān)節(jié)的自由度信息；

(3.4)判斷調(diào)整后的根節(jié)點(diǎn)的投影是否落在支撐面內(nèi)，如果不落在支撐面內(nèi)，則對根節(jié)點(diǎn)的信息進(jìn)行再次調(diào)整，同時保證其他關(guān)鍵關(guān)節(jié)的調(diào)整不受到影響。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的實(shí)時運(yùn)動合成方法，其特征在于：所述步驟(3.3)中對于逆向運(yùn)動學(xué)算法，其步驟如下：

(3.31)計算雅克比矩陣，所述雅克比矩陣刻畫了由鏈桿自由度信息變化引起的鏈桿末端位置的變化；

(3.32)計算雅克比矩陣的轉(zhuǎn)置矩陣以代替逆矩陣；

(3.33)利用步長自適應(yīng)調(diào)整的梯度下降法計算鏈桿的自由度信息；

(3.34)調(diào)整自由度信息以后，計算新的末端關(guān)節(jié)位置，直到新的末端關(guān)節(jié)位置與設(shè)定的關(guān)節(jié)位置的誤差小于指定的閾值范圍。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的實(shí)時運(yùn)動合成方法，其特征在于：所述步驟(4)中提出的基于幾何方法的數(shù)據(jù)平滑，其步驟如下：

(4.1)獲取當(dāng)前步進(jìn)行調(diào)整的關(guān)節(jié)點(diǎn)；

(4.2)首先計算當(dāng)前步最后一幀關(guān)節(jié)位置向量相對于下一個步起始幀位置向量的偏移向量；

(4.3)從下一個步長的起始幀開始，將位置向量減去偏移向量的倍數(shù)，倍數(shù)初始值為1，迭代過程中倍數(shù)以步長0.02遞減，一直到倍數(shù)降為零或者調(diào)整到運(yùn)動數(shù)據(jù)序列的最后一幀。

7.一種應(yīng)用于PDA的基于快速逆向運(yùn)動學(xué)的實(shí)時運(yùn)動合成方法，其特征在于如下步驟：

(1)終端用戶在移動設(shè)備PDA上加載虛擬角色的骨架信息，考慮到移動設(shè)備的存儲局限性，將運(yùn)動數(shù)據(jù)的加載放到服務(wù)器上；

(2)服務(wù)器將運(yùn)動數(shù)據(jù)以幀為單位按照一定的時間間隔發(fā)送到移動設(shè)備PDA；

(3)PDA收到運(yùn)動數(shù)據(jù)以后對虛擬角色進(jìn)行繪制；

(4)終端用戶自主的調(diào)整虛擬環(huán)境中的特征點(diǎn)信息，并將修改信息反饋給服務(wù)器；

(5)服務(wù)器根據(jù)終端用戶反饋的虛擬環(huán)境中的特征點(diǎn)信息，按照權(quán)利要求1所述的基于快速逆向運(yùn)動學(xué)的實(shí)時運(yùn)動合成方法調(diào)整運(yùn)動數(shù)據(jù)，并將調(diào)整后的運(yùn)動數(shù)據(jù)繼續(xù)發(fā)送給移動設(shè)備PDA，服務(wù)器和終端移動設(shè)備同步顯示，其中所述虛擬環(huán)境中的特征點(diǎn)信息對應(yīng)于權(quán)利要求1中用戶設(shè)定的作為虛擬環(huán)境特征的邁步信息。