[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

摘要

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。

主权项

1.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，其特征在于，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：首先编写一个随动相机控制事件处理器，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；S2)实时获得当前运动目标所处外部作用力数据，用F_n表示，即：F_n(F_x，F_y，F_z)F_n为一个三维向量，表示为单位时间阻力的位移，F_x、F_y和F_z分别表示在X、Y和Z轴方向的阻力的大小；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：在四元数中，用A表示物体所在的空间位置，即：A＝a+bi+cj+dk；其中i、j、k表示三个虚部方向，b、c、d分别表示i、j、k的参数，用S表示六自由度，即：S＝(Δ_x，Δ_y，Δ_z，α，β，γ)；其中Δ_x、Δ_y、Δ_z分别表示x、y、z三个坐标轴的变化量，α、β、γ分别表示绕x、y、z三个坐标轴的旋转量，有方向与大小，是四元数的虚部参数，用Q表示，即：Q＝(b，c，d)因此S简化为：S＝(Δ_x，Δ_y，Δ_z，Q)；在该步骤中，用P₀表示当前跟随物的三维中心坐标，即：P₀(x₀，y₀，z₀)；其中x₀、y₀、z₀分别表示x、y、z三个坐标轴的坐标，设运动目标的运动速度为v，即：v(ν_x，v_y，v_z)设实时更新后跟随物的中心三维坐标为p，则在六自由度参数中，更新六自由度参数为：Δ_x＝v_x*cos(b)+F_xΔ_y＝v_y*cos(c)+F_yΔ_z＝v_z*cos(d)*sin(d)+F_z所以，更新后运动目标的三维中心坐标为：p(x，y，z)＝(x₀+Δ_x，y₀+Δ_y，z₀+Δ_z)；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。