[发明专利]一种基于人体骨骼模型的人员动作实时仿真方法

说明书

本发明提出了一种基于人体骨骼模型的人员动作实时仿真方法，主要分为四步：基于人体骨骼模型构建初始变换矩阵、运动数据转换、基于人员动作数据构建实时变换矩阵和人员动作实时仿真。其中，基于人体骨骼模型构建初始变换矩阵又分为三维人体骨骼模型构建和初始变换矩阵构建；运动数据转换又分为矩阵转四元素和坐标系转换；基于人员动作数据构建实时变换矩阵又分为绝对旋转量计算、绝对位移量计算和实时变换矩阵构建；动作实时仿真则是基于构建的初始变换矩阵和实时变换矩阵，利用三维仿真引擎的计算能力，每帧计算构建的人体模型在三维空间的位置和姿态。该方法能够提高三维场景同步仿真的准确性和实时性。

技术领域

本发明属于人员动作实时仿真领域，特别是一种基于人体骨骼模型的人员动作实时仿真方法。

背景技术

随着空间定位技术及可穿戴设备的发展，以及沉浸式应用需求的不断提高，越来越多的仿真应用要求一定数量人员以“人在回路”的方式参与到仿真场景中。在三维虚拟仿真环境中同步生成虚拟人员，虚拟人员的行为特性与参与人员保持一致。“人在回路”的方式是人员参与到仿真过程中，同时在三维虚拟仿真环境中生成一个虚拟人员模型，参与人员能控制虚拟人员的生存时间及行为动作，从而对训练过程产生影响。

动作捕捉是利用外部设备获取人或其他物体的空间位移及姿态数据，然后在计算机端针对不同的应用对数据进行处理，最终将人或其他物体的位置信息可视化的呈现出来。“人在回路”的应用场景则要求参与人员在仿真过程中的运动情况能够实时的在三维虚拟仿真环境中渲染出来。动作实时仿真，是指在人员穿戴动捕设备运动过程中，单个人员的行为动作及人员与人员之间的协同动作能够在三维虚拟场景中同步的仿真出来，并能对三维虚拟仿真环境产生影响。该技术能够为参与人员提供一种高沉浸感的交互式训练场景，提高训练效果。

三维人体模型的绘制比较复杂，人体模型的骨骼越多，参与人员进行运动时，三维仿真引擎将三维人体模型在三维虚拟仿真环境中呈现出来时需要处理的运动数据就会越多，计算机的计算量就会越大，较高的计算量消耗计算机性能，会导致仿真场景出现延迟、卡顿等现象，从而不能实时的将参与人员的动作在三维虚拟仿真环境中同步的仿真出来。其次，不同参与人员的骨骼关节长度及身高均有不同，同一个动作，不同人员训练时动捕设备采集到的运动数据相应的也会有较大的差异，从而会导致三维人体模型在三维虚拟仿真环境中不能准确的呈现出参与人员动作行为。

因此如何减少计算机的计算量，三维人体模型如何与不同参与人员运动数据相匹配，决定了人员动作仿真的实时性和准确性。该技术领域目前的现状和缺陷在于：

(1)动捕技术大多用来制作三维动画，其应用领域集中在动画和游戏的制作中，基于动捕技术的人员作战实时仿真应用起步较晚，现有的基于三维虚拟引擎的动作捕捉实时仿真技术尚不能达到训练的要求。特别是当多个“人在回路”的节点同时进行训练时，常常会因为数据计算量峰值过大导致三维虚拟引擎“卡死”，从而导致训练过程中断。 (2)现有虚拟引擎进行动作捕捉实时仿真时，一般只接入一个“人在回路”节点，在多个“人在回路”节点的协同作业时，虚拟引擎的动作仿真尚不够准确。(3)采用全局坐标系的仿真引擎获取动捕数据中运动骨骼的偏移量和旋转量通过迭代的方式构建变换矩阵，将运动数据中的相对偏移量和旋转量转换为绝对的，从而来控制骨骼的运动，该方法将进行大量的矩阵运算，占用计算机性能资源较多，会导致动作仿真不流畅的情况出现。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于人体骨骼模型的人员动作实时仿真方法，基于人体骨骼模型组成及计算机图形学理论基础，设计出一种高效的基于人体骨骼模型的空间位移、旋转变换方法，能够提高三维场景同步仿真的准确性和实时性。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种基于人体骨骼模型的人员动作实时仿真方法，包括以下步骤：