一种基于物理仿真的虚拟人半自主运动控制方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于物理仿真的虚拟人半自主运动控制方法及系统，包括以下步骤：对物理虚拟人进行逆向动力学策略内嵌、运动物理化、降逆向运动学优先级以及弹性约束得到基于物理仿真的虚拟人；使用逆向运动学算法对基于物理仿真的虚拟人的姿态进行控制生成初始动作姿态；利用物理修饰器与环境交互，修改期望位置在笛卡尔空间的位置；通过逆向运动学算法重新迭代求解所基于物理仿真的虚拟人的动作姿态。本发明专利技术用于解决现有技术对虚拟人进行运动控制时，生成的动作姿态可控性和灵活性差的技术问题，在简单便捷生成动作的同时，能优化需要输入的动作数据，更好地操控虚拟人动作。更好地操控虚拟人动作。更好地操控虚拟人动作。

【技术实现步骤摘要】
al.DReCon:data
‑
driven responsive control of physics
‑
based characters.ACM Trans.Graph.2019,38:206:1
‑
206:11”、Won等人的工作“Won,Jungdam and Jehee Lee.Learning body shape variation in physics
‑
based characters.ACM Transactions on Graphics(TOG).2019,38:1
‑
12”也是将物理与强化学习结合，将动作方案直接赋予给了虚拟人。此时虚拟人不同体型下的姿态是训练形成的，并且数据驱动具有较强的目的性以及数据集的固定性，从而造成虚拟人在进行运动控制时，生成的动作姿态可控性和灵活性差。

技术实现思路

[0008]为了克服现有技术的不足，本专利技术提供一种基于物理仿真的虚拟人半自主运动控制方法及系统，用于解决现有技术对虚拟人进行运动控制时，生成的动作姿态可控性和灵活性差的技术问题，从而达到更好地操控虚拟人动作的目的。
[0009]为解决上述问题，本专利技术所采用的技术方案如下：
[0010]一种基于物理仿真的虚拟人半自主运动控制方法，包括以下步骤：
[0011]对物理虚拟人进行逆向动力学策略内嵌、运动物理化、降逆向运动学优先级以及弹性约束得到所述基于物理仿真的虚拟人；
[0012]使用逆向运动学算法对所述基于物理仿真的虚拟人的姿态进行控制生成初始动作姿态；
[0013]利用物理修饰器与环境交互，修改身体部位在笛卡尔空间的位置；
[0014]通过逆向运动学算法重新迭代求解所述基于物理仿真的虚拟人的动作姿态。
[0015]作为本专利技术优选的实施方式，在对物理虚拟人进行逆向动力学策略内嵌时，包括：
[0016]为所述物理虚拟人添加末端控制点和肘膝朝向点，并与四肢一起进行IK绑定；
[0017]其中，所述末端控制点为期望位置，所述物理虚拟人通过所述末端控制点对四肢关节扭矩进行解算。
[0018]作为本专利技术优选的实施方式，在对物理虚拟人进行运动物理化时，包括：
[0019]将完成逆向动力学策略内嵌后的物理虚拟人四肢末端部位的刚体组件以及交互元素移植到所述末端控制点，自身则只配置可忽略重量的刚体；
[0020]为所述四肢末端部位添加角色关节与所述末端控制点铰接，并将所述末端控制点贴合所述四肢末端部位。
[0021]作为本专利技术优选的实施方式，对物理虚拟人进行降逆向运动学优先级时，包括：
[0022]将完成运动物理化的物理虚拟人逆向动力学策略中的蒙皮位置控制替换为刚体位置控制。
[0023]作为本专利技术优选的实施方式，对物理虚拟人进行弹性约束时，包括：
[0024]以所述物理虚拟人的身体朝向和关节自由度为基础，获取所述肘膝朝向点常处的范围区域，得到数据点P
F
；
[0025]添加一个移动位置数据点P
M
，并让所述数据点P
M
不断跟随着所述数据点P
F
；
[0026]为所述数据点P
M
添加刚体，所述肘膝朝向点添加刚体、碰撞器和弹簧，并将所述肘膝朝向点连接向所述数据点P
M
和肘膝盖；
[0027]当所述肘膝朝向点超过一定的肘膝常处范围区域，所述肘膝朝向点的数据位置立
刻偏移到所述数据点P
F
中；
[0028]其中，所述物理修饰器包括所述碰撞器，所述肘膝朝向点对于与所述肘膝盖的弹簧力要大于与所述数据点P
M
的弹簧力，并且差值要超过一定的阈值。
[0029]作为本专利技术优选的实施方式，在使用逆向运动学算法生成初始动作姿态时，包括：
[0030]使用向前向后到达反向动力学算法不断迭代向前获取位置，对中间关节整体朝向进行调整，再向后进行旋转和移动，最小化末端与期望位置的距离，生成所述初始动作姿态；
[0031]其中，所述逆向运动学算法包括所述向前向后到达反向动力学算法。
[0032]作为本专利技术优选的实施方式，在使用向前向后到达反向动力学算法不断迭代向前获取位置时，包括：
[0033]当末端控制点P
T
与末端位置P0出现距离的时候，由所述末端位置P0到根位置，除末端位置P0外，以上一个点P
′
n
‑1为起始位置，P
′
n
‑1到P
n
为方向，，P
n
‑1到P
n
为长度l
n
‑1，获取所有新位置点P
′
n
，具体公式如公式1所示：
[0034][0035]式中，P
′
n
为新位置，P
n
为原位置，P
T
为末端控制点的位置，l
n
‑1为P
n
‑1到P
n
的的部位长度。
[0036]作为本专利技术优选的实施方式，在对中间关节整体朝向进行调整时，包括：
[0037]对不断迭代向前获取到的初步向前关节位置数据进行中间关节位置的二次调整，得到二次动作姿态数据，具体如公式2所示：
[0038][0039]式中，其中M为IK控制的部位数，P
′
n
为计算得到的新位置，是指以为轴旋转的角度，是P
n
‑1指向P
n
的矢量，P
n
为P
n
‑1和P
n+1
的中间关节，P
t
为原来的肘膝朝向点，P
t
′
为变化后的肘膝朝向点。运行时，以P
n
‑1到P
n+1
为平面法线生成一个经过P
n
‑1的平面，将中朝向未变的点P
t
和变化的点P
t
′
映射到平面上，获取两个映射点和上一个关节点P
n
‑1的夹角θ，最后让P
n
‑1到P
n
的向量以P
n
‑1指向P
n+1
的轴旋转θ度。
[0040]作为本专利技术优选的实施方式，在向后进行旋转和移动时，包括：
[0041]从根关节开始运行，获取到所述根关节子关节所需要旋转的角度具体如公式3所示：
[0042][0043]式中，是P
′
n
指向P
n+1
′
的向量，是指P
n
的逆四元数乘以根关节四元数qr的积的逆四元数；
[0044]让所述根关节旋转所述角度并通过关节长，向后获取关节位置，并将所述二次
动作姿态数本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于物理仿真的虚拟人半自主运动控制方法，其特征在于，包括以下步骤：对物理虚拟人进行逆向动力学策略内嵌、运动物理化、降逆向运动学优先级以及弹性约束得到所述基于物理仿真的虚拟人；使用逆向运动学算法对所述基于物理仿真的虚拟人的姿态进行控制生成初始动作姿态；利用物理修饰器与环境交互，修改身体部位在笛卡尔空间的位置；通过逆向运动学算法重新迭代求解所述基于物理仿真的虚拟人的动作姿态。2.根据权利要求1所述的基于物理仿真的虚拟人半自主运动控制方法，其特征在于，在对物理虚拟人进行逆向动力学策略内嵌时，包括：为所述物理虚拟人添加末端控制点和肘膝朝向点，并与四肢一起进行IK绑定；其中，所述末端控制点为期望位置，所述物理虚拟人通过所述末端控制点对四肢关节扭矩进行解算。3.根据权利要求2所述的基于物理仿真的虚拟人半自主运动控制方法，其特征在于，在对物理虚拟人进行运动物理化时，包括：将完成逆向动力学策略内嵌后的物理虚拟人四肢末端部位的刚体组件以及交互元素移植到所述末端控制点，自身则只配置可忽略重量的刚体；为所述四肢末端部位添加角色关节与所述末端控制点铰接，并将所述末端控制点贴合所述四肢末端部位。4.根据权利要求3所述的基于物理仿真的虚拟人半自主运动控制方法，其特征在于，对物理虚拟人进行降逆向运动学优先级时，包括：将完成运动物理化的物理虚拟人逆向动力学策略中的蒙皮位置控制替换为刚体位置控制。5.根据权利要求4所述的基于物理仿真的虚拟人半自主运动控制方法，其特征在于，对物理虚拟人进行弹性约束时，包括：以所述物理虚拟人的身体朝向和关节自由度为基础，获取所述肘膝朝向点常处的范围区域，得到数据点P
F
；添加一个移动位置数据点P
M
，并让所述数据点P
M
不断跟随着所述数据点P
F
；为所述数据点P
M
添加刚体，所述肘膝朝向点添加刚体、碰撞器和弹簧，并将所述肘膝朝向点连接向所述数据点P
M
和肘膝盖；当所述肘膝朝向点超过一定的肘膝常处范围区域，所述肘膝朝向点的数据位置立刻偏移到所述数据点P
F
中；其中，所述物理修饰器包括所述碰撞器，所述肘膝朝向点对于与所述肘膝盖的弹簧力要大于与所述数据点P
M
的弹簧力，并且差值要超过一定的阈值。6.根据权利要求1所述的基于物理仿真的虚拟人半自主运动控制方法，其特征在于，在使用逆向运动学算法生成初始动作姿态时，包括：使用向前向后到达反向动力学算法不断迭代向前获取位置，对中间关节整体朝向进行调整，再向后进行旋转和移动，最小化末端与期望位置的距离，生成所述初始动作姿态；其中，所述逆向运动学算法包括所述向前向后到达反向动力学算法。7.根据权利要求6所述的基于物理仿真的虚拟人半自主运动控制方法，其特征在于，在
使用向前向后到达反向动力学算法不断迭代向前获取位置时，包括：当末端控制点P
T
与末端位置P0出现距离的时候，由所述末端位置P0到根位置，除末端位置P0外，以上一个点P
′
n
‑1为起始位置，P
′

【专利技术属性】
技术研发人员：郭慧，杨钰玲，庞家豪，宫海晓，赖佳敏，何雪雁，
申请(专利权)人：梧州学院，
类型：发明
国别省市：