[發明專利]骨骼姿態計算方法、人物虛擬模型驅動方法及存儲介質

有效

• 申請號: 201810403604.9
• 申請日: 2018-04-28
• 公開（公告）號: CN108876815B
• 公開（公告）日: 2021-03-30
• 發明（設計）人: 長坂友裕;趙穎;許秋子
• 申請（專利權）人: 深圳市瑞立視多媒體科技有限公司
• 主分類號: G06T7/246
• 分類號: G06T7/246
• 代理公司: 深圳鼎合誠知識產權代理有限公司 44281
• 代理人: 胥強;彭家恩

一種骨骼姿態計算方法、人物虛擬模型驅動方法及存儲介質，其中骨骼姿態計算方法是人物虛擬模型驅動方法的關鍵步驟，該方法包括基于反向運動學的骨骼姿態迭代計算過程，使用逆向推導的思想，根據肢端的姿態信息變化量來逆向計算人體骨骼鏈的中間關節的關節角度變化量，使得每次迭代之后各個關節角度都接近最佳值，有效保證模擬肢體動作時的平滑漸變效果，滿足逼真地模擬肢體動作的應用需求。此外，迭代計算過程中采取了多重判斷機制，能夠將各個關節角度變化量以及肢端的姿態信息變化量及時地更新至下一次的迭代計算之中，簡化了判斷過程并確保了迭代循環的有效性，利于在確保計算結果正確的情形下提高系統的計算速度，可增強肢體動作捕捉過程的實時性。

技術領域

本發明涉及運動捕捉技術，具體涉及骨骼姿態計算方法、人物虛擬模型驅動方法及存儲介質。

背景技術

運動捕捉技術(Motion capture，簡稱Mocap)是指在運動物體的關鍵部位設置跟蹤器，由動捕系統捕捉跟蹤器位置，再經過計算機處理后得到三維空間坐標的數據。當三維空間坐標數據被計算機識別后，可以應用在動畫制作、步態分析、生物力學、人機工程等領域。特別是在電影特效領域，將多個攝影機捕捉到的真人影像換為數字模型，捕捉并記錄演員表演時的動作，然后把這些動作同步到電腦中的虛擬角色上，使虛擬角色的動作和真人毫無差別，以達到逼真、自然的效果。

根據設備運行原理的不同，運動捕捉技術本身也有著諸多分類，常見的有機械式動捕系統、聲學式動捕系統、電磁式動捕系統、光學式動捕系統以及慣性動捕系統。其中，光學式動作捕捉憑借著采集精度高、可實時反饋等優勢成為現階段應用最為廣泛、發展較為成熟的運動捕捉技術。

常見的光學式運動捕捉大多基于計算機視覺原理，從理論上說，對于空間中的一個點，只要它能同時為兩部相機所見，則根據同一時刻兩部相機所拍攝的圖像和相機參數，可以確定這一時刻該點在空間中的位置，而當相機以足夠高的速率連續拍攝時，從圖像序列中就可以得到該點的運動軌跡。典型的光學式運動捕捉系統通常使用6-8個相機在表演場進行環繞排列，這些相機的視野重疊區域就是表演者的動作范圍，為了便于處理，要求表演者穿上單色的服裝，在身體諸如關節、髖部、肘、腕等關鍵部位貼上一些視覺系統可識別的標志或發光點(即Marker)，使用相機以每秒60幀以上拍攝速率連續地拍攝表演者的動作，并將圖像序列保存下來，然后再進行分析和處理，識別其中的標志點，并計算其在每一瞬間的空間位置，進而得到其準確的運動軌跡。

光學式動捕系統在游戲和電影領域運用都比較廣泛，通過對目標上特定光點(比如捕捉球或熒光貼點)的監視和跟蹤來完成運動捕捉的任務，由于每一個光點都對應一個捕捉目標的特殊部位，所以光點的移動就可以映射成為目標的分段位移，甚至結構非常復雜的目標(比如人體)，在高光點數量、高定位精度的基礎下，也能夠構建出目標物每一個細致關節的移動。

在游戲動畫制作或者電影特效制作的應用中，虛擬模型通常用一組剛體表示的骨骼構架，兩骨骼之間由關節連接。因此，當給定各個關節的變化角度時，可以應用正向運動學方法(是指從關節參數指定的值計算端部執行器的位置的方法)得到虛擬模型的肢端位置。然而，在交互式操作、軌跡控制等應用功能中往往需要根據虛擬模型某一肢體末端骨骼的位置反求同一肢體上各個關節的旋轉角度，此時，需要采用反向運動學(InverseKinematics，簡稱IK，是指給定肢端和固定端的位置姿態求運動鏈上各關節轉角)的方式對相關關節轉角進行求解。

在采用反向運動學求解的實際應用中，通常將配置有多個反光標記點的剛體(或者捕捉球)設置于運動目標(比如人體)的肢體端部，運用多個光學相機高速拍攝運動目標的動作，獲取剛體(或者捕捉球)的位置信息，借助生物學上的人體模型，并通過反向運動方式的求解方式模擬出該肢體上端部之間的各個關節的旋轉角度，進而準確地模擬出拍攝時間間隔內運動目標的連續運動軌跡。