[发明专利]虚拟环境中基于四元数的六自由度模型随动相机控制算法

说明书

本发明提出了一种虚拟环境中基于四元数的六自由度模型随动相机控制算法。该算法在三维视景中首先将当前视点相机与运动目标进行绑定，然后实时获得当前运动目标所处外部作用力等数据信息，及实时获得当前运动目标的三维坐标数据及运动姿态参数，通过四元数中的变换矩阵算法获得修正后的运动目标的运动参数，并将这些信息传递给系统相机事件，由系统相机事件进行处理后实现相机位置及运动姿态的同步更新，算法通过操纵键盘及外设控制器等装置改变跟随目标的运动状态，控制跟随目标的运动。该算法的创新性在于算法结构简单，计算量小，能准确获得运动目标的运动姿态等实时数据，有效的应用于运动目标的随动相机控制。

技术领域

本发明属于虚拟现实领域，具体涉及一种虚拟环境中的运动目标模型与相机控随动控制算法。

背景技术

三维视景仿真环境是一种基于计算机信息技术的沉浸式交互环境，其核心是计算机软件技术与硬件技术的有效结合，通过执行相关的计算机算法变换操作产生逼真的视觉与听觉上的沉浸式效果。三维视景仿真技术作为计算机技术中最为前沿的应用领域之一，已广泛应用于车辆驾驶仿真模拟、轮船仿真驾驶模拟、飞行器仿真驾驶追踪、科学计算三维仿真模拟、三维场景历史再现、城市规划设计等应用领域。当前，对锁定的运动目标进行实时跟踪与控制研究的问题日益受到关注。

四元数是一种简单的超复数，由爱尔兰数学家哈密顿(William Rowan Hamilton)在1843年提出，可用于刻画物体在空间的旋转。物体在空间具有六个自由度，即沿x、y、z三个直角坐标轴方向的移动自由度和绕x、y、z三个坐标轴的转动自由度，一个没有任何约束力的物体在空间上均具有6个独立的运动，六自由度可用于确定运动物体的精确位置。当前对锁定的运动目标进行实时跟踪与控制研究大多数仅将跟随物简化成一个点，单独使用四元数进行研究，未能做到四元数与六自由度的有机结合。

发明内容

本发明提出了一种虚拟环境中基于四元数的六自由度模型随动相机控制算法，从运动目标的角度出发进行分析，以四元数为基础，以运动目标的六自由度运动变化向量为相机随动核心，将相机视点与运动目标进行绑定，自动实现虚拟环境下运动目标的随动相机控制。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种虚拟环境中基于四元数的六自由度模型随动相机控制算法，其包括以下步骤：

S1)将当前系统相机视点与运动目标进行绑定；

S2)实时获得当前运动目标所处外部作用力等数据；

S3)实时获得当前运动目标的三维坐标数据及运动姿态参数，通过四元数与六自由度的相关变换算法获得修正后的运动目标的运动参数；

S4)计算相机的运动姿态变化，同步更新相机的运动；

S5)通过键盘及外设控制器等装置改变跟随目标的运动状态，控制跟随目标的运动。

上述技术方案中，步骤S1)主要完成相机视点与运动目标的绑定操作，具体如下实现：

首先编写一个随动相机控制事件处理器，该事件处理器基于三维视景仿真技术中相关算法实现，该事件处理器在初始化阶段根据用户需要选择跟踪目标，之后将该事件处理器写入处理器列表，把所写的事件处理器激活，启动该事件处理器。在该事件处理器中，通过设置参数判断是否选择绑定目标物。

上述技术方案中，步骤S2)主要获得当前外部作用力等数据，该数据可由仿真控制器自动模拟获得，也可以传入事先预设的默认值。具体的，可以在随动相机控制事件处理器中，通过当前视点位置获得所在位置外部作用力F_n。