[发明专利]一种流体环境下的关节动画建模技术

说明书

技术领域

本发明属于虚拟现实技术领域，尤其涉及一种流体环境下的关节动画建模技术方法。

背景技术

关节动画属于角色动画，是一直是虚拟现实技术研究的热点之一。它综合利用计算机科学、艺术、数学、物理学和其它相关学科的知识，在计算机上生成绚丽多彩的、连续的、真实的虚拟画面，给人们提供了一个充分展示个人想象力和艺术才能的新天地。关节动画使用关节骨架来表示人类或者其他骨架动物的身体结构，是动画驱动技术中最主要的思想。虽然计算机动画在许多领域占据着越来越重要的角色，但是许多问题仍未很好解决。

基于物理模型的关节动画技术是八十年代后期发展起来的一种新的计算机动画技术。这种建模技术考虑了物体在真实世界中的属性，如它具有质量、转动惯矩、弹性、摩擦力等，并采用动力学原理来产生物体运动。计算机动画设计者不必关心物体运动过程的细节，只需确定物体运动所需的一些物理属性及一些约束关系，如质量、形状、外力等。经过近几年的发展，它已在图形学中成为一种具有潜在优势的三维造型和运动模拟技术。尽管该技术比传统动画技术的计算复杂度要高得多，但它能逼真地模拟各种自然物理现象，能处理诸如重力、风、碰撞检测等在内的复杂动力学模型，这是基于几何的传统动画生成技术所无法比拟的。

虽然利用现有技术能够实现一定程度上的交互，但是复杂场景作用下的关节动画却少有人研究，这是由于受到本身动力学复杂的模型与计算机软硬件条件的限制。流体环境下的关节动画技术在电影动画，生物游泳力学，视频游戏以及潜水机器人领域等方面都具有重要作用。此外，基于流体环境的关节动画研究也在一定程度上为其他复杂受力场景提供了关节动画的解算依据。

发明内容

为了模拟真实的复杂场力作用下的关节动画，本发明提供了一种流体环境下关节动画建模技术方法。本发明分别对铰链体的驱动、动力学和受力作用进行建模。在数据驱动上，使用一种自主发明的基于计算力矩控制器，提高了跟踪轨迹的准确性和稳定性。在动力学上，采用拉格朗日动力学进行建模，减少了计算变量的开销，进而提高运算效率。在外力作用上，将流体对铰链体的外力分为法线和切线方向，进行分别讨论求解，获取更加真实的受力效果。

本发明一种流体环境下的关节动画建模技术，该方法包括步骤：

步骤1，输入上一时刻计算所得的所有广义位置和广义速度，基于广义坐标系； 

步骤2，计算驱动函数，获得期望的广义位置和广义加速度，基于广义坐标系；

步骤3，通过控制器，获取铰链体的广义驱动力，基于广义坐标系；

步骤4，根据拉格朗日动力学，计算铰链体的广义加速度，基于广义坐标系；

步骤5，使用欧拉法，计算下一时刻广义位置和中间广义速度，基于广义坐标系；

步骤6，计算流体对铰链体产生的外力，包括压力和摩擦力，并从笛卡尔坐标系变换至广义坐标系；

步骤7，计算外力产生的广义加速度，基于广义坐标系；

步骤8，使用欧拉法，更新广义速度；

步骤9，变换坐标系，将铰链体从广义坐标系变换至笛卡尔坐标系，并计算铰链体在笛卡尔坐标系下的位置和方位角；

步骤10，根据铰链体的位置和方位角进行渲染，基于笛卡尔坐标系；

所述的步骤1中输入上一时刻计算所得的所有广义位置和广义速度，其上一时刻的广义位置来源于步骤5中，使用欧拉法计算得到的广义位置。上一时刻的广义速度来源于步骤8中，使用欧拉法更新广义速度。第一时刻的广义位置和广义速度进行初始化设置。这里的广义位置指铰链体关节的可控角，广义速度指该可控角的角速度。

所述的步骤2中计算驱动函数，获得期望的广义坐标和广义加速度。该驱动函数采用周期函数，如公式(1a)和(1b)，针对每个广义位置和广义速度进行设置。

      (1a)

   (1b)

其中， 、、和分别为振幅、周期、相位和偏移量。

所述的步骤3中计算力矩控制器的计算式如公式(1)所示：

 (1)

其中，和分别为下一时刻期望到达的广义坐标和广义加速度，、和分别为当前时刻广义坐标、广义速度和广义加速度；另外，、和为控制系数，并满足且与在同一数量级；此外，根据拉格朗日动力学知，为下一时刻的质量项，为当前时刻的科氏力项，使用欧拉法化简项，如公式(2)和公式(3)所示：

                            (2)

    (3)