[發明專利]虛擬環境中基于四元數的六自由度模型隨動相機控制算法

有效

• 申請號: 201710032264.9
• 申請日: 2017-01-16
• 公開（公告）號: CN106843285B
• 公開（公告）日: 2019-11-01
• 發明（設計）人: 韓勇;丁志在;馬純永;于吉光
• 申請（專利權）人: 青島海大新星軟件咨詢有限公司
• 主分類號: G05D3/12
• 分類號: G05D3/12;G06T7/246;G06T7/73
• 代理公司: 青島中天匯智知識產權代理有限公司 37241
• 代理人: 郝團代

本發明提出了一種虛擬環境中基于四元數的六自由度模型隨動相機控制算法。該算法在三維視景中首先將當前視點相機與運動目標進行綁定，然后實時獲得當前運動目標所處外部作用力等數據信息，及實時獲得當前運動目標的三維坐標數據及運動姿態參數，通過四元數中的變換矩陣算法獲得修正后的運動目標的運動參數，并將這些信息傳遞給系統相機事件，由系統相機事件進行處理后實現相機位置及運動姿態的同步更新，算法通過操縱鍵盤及外設控制器等裝置改變跟隨目標的運動狀態，控制跟隨目標的運動。該算法的創新性在于算法結構簡單，計算量小，能準確獲得運動目標的運動姿態等實時數據，有效的應用于運動目標的隨動相機控制。

技術領域

本發明屬于虛擬現實領域，具體涉及一種虛擬環境中的運動目標模型與相機控隨動控制算法。

背景技術

三維視景仿真環境是一種基于計算機信息技術的沉浸式交互環境，其核心是計算機軟件技術與硬件技術的有效結合，通過執行相關的計算機算法變換操作產生逼真的視覺與聽覺上的沉浸式效果。三維視景仿真技術作為計算機技術中最為前沿的應用領域之一，已廣泛應用于車輛駕駛仿真模擬、輪船仿真駕駛模擬、飛行器仿真駕駛追蹤、科學計算三維仿真模擬、三維場景歷史再現、城市規劃設計等應用領域。當前，對鎖定的運動目標進行實時跟蹤與控制研究的問題日益受到關注。

四元數是一種簡單的超復數，由愛爾蘭數學家哈密頓(William Rowan Hamilton)在1843年提出，可用于刻畫物體在空間的旋轉。物體在空間具有六個自由度，即沿x、y、z三個直角坐標軸方向的移動自由度和繞x、y、z三個坐標軸的轉動自由度，一個沒有任何約束力的物體在空間上均具有6個獨立的運動，六自由度可用于確定運動物體的精確位置。當前對鎖定的運動目標進行實時跟蹤與控制研究大多數僅將跟隨物簡化成一個點，單獨使用四元數進行研究，未能做到四元數與六自由度的有機結合。

發明內容

本發明提出了一種虛擬環境中基于四元數的六自由度模型隨動相機控制算法，從運動目標的角度出發進行分析，以四元數為基礎，以運動目標的六自由度運動變化向量為相機隨動核心，將相機視點與運動目標進行綁定，自動實現虛擬環境下運動目標的隨動相機控制。

本發明的技術方案是這樣實現的：

一種虛擬環境中基于四元數的六自由度模型隨動相機控制算法，其包括以下步驟：

S1)將當前系統相機視點與運動目標進行綁定；

S2)實時獲得當前運動目標所處外部作用力等數據；

S3)實時獲得當前運動目標的三維坐標數據及運動姿態參數，通過四元數與六自由度的相關變換算法獲得修正后的運動目標的運動參數；

S4)計算相機的運動姿態變化，同步更新相機的運動；

S5)通過鍵盤及外設控制器等裝置改變跟隨目標的運動狀態，控制跟隨目標的運動。

上述技術方案中，步驟S1)主要完成相機視點與運動目標的綁定操作，具體如下實現：

首先編寫一個隨動相機控制事件處理器，該事件處理器基于三維視景仿真技術中相關算法實現，該事件處理器在初始化階段根據用戶需要選擇跟蹤目標，之后將該事件處理器寫入處理器列表，把所寫的事件處理器激活，啟動該事件處理器。在該事件處理器中，通過設置參數判斷是否選擇綁定目標物。

上述技術方案中，步驟S2)主要獲得當前外部作用力等數據，該數據可由仿真控制器自動模擬獲得，也可以傳入事先預設的默認值。具體的，可以在隨動相機控制事件處理器中，通過當前視點位置獲得所在位置外部作用力F_n。