一种肌肉模型及其构建方法和运动模拟方法技术

本发明专利技术涉及虚拟仿真技术领域，具体而言，涉及一种肌肉模型及其构建方法和运动模拟方法，该肌肉模型的构建方法包括以下步骤：创建肌肉网格模型，肌肉网格模型的表面具有多个表面顶点；于肌肉网格模型内部勾画肌肉纤维走线，肌肉纤维走线具有多个纤维顶点；于表面顶点和纤维顶点之间建立映射关系；基于表面顶点

【技术实现步骤摘要】
一种肌肉模型及其构建方法和运动模拟方法


[0001]本专利技术涉及虚拟仿真
，具体而言，涉及一种肌肉模型及其构建方法和运动模拟方法
。

技术介绍

[0002]肌肉的运动分析是医学教育的重要内容
。
学习肌肉的运动可以帮助学生更好地了解人体关节的运动原理，更深刻地理解各类关节疾病的发病机制，从根本上掌握各类康复治疗方案的作用机理，从而对学生的实际操作起到促进作用
。
[0003]目前，对肌肉运动的模拟主要有三类方法：
(1)
通过
3DMax
和
Maya
等三维建模软件参考实际的肌肉运动对三维的肌肉模型进行运动动画的制作，该方法生成的肌肉运动动画是固定的，不可交互的，学习自由度低，且十分耗费人力；
(2)
通过有限元等数值分析的方法对肌肉运动进行精确的数值模拟，该方法计算量比较大，无法用作实时的交互模拟；
(3)
通过实时形变运动模拟方法对肌肉运动的形变进行模拟，该方法的模拟精度相对较低
。

技术实现思路

[0004]本专利技术提供一种肌肉模型及其构建方法和运动模拟方法，以解决肌肉运动实时模拟真实度低的问题
。
[0005]本专利技术提供一种肌肉模型的构建方法，包括以下步骤：
[0006]创建肌肉网格模型，所述肌肉网格模型的表面具有多个表面顶点；
[0007]于所述肌肉网格模型内部勾画肌肉纤维走线，所述肌肉纤维走线具有多个纤维顶点；/>[0008]于所述表面顶点和所述纤维顶点之间建立映射关系；
[0009]基于所述表面顶点
、
所述纤维顶点以及两者之间的映射关系，创建顶点关联约束；
[0010]基于所述肌肉网格模型与骨骼模型之间的相对位置，创建位置关联约束
。
[0011]优选的，所述肌肉网格模型为三角网格模型
。
[0012]优选的，所述于所述表面顶点和所述纤维顶点之间建立映射关系，包括以下步骤：
[0013]选择最接近于所述肌肉网格模型表面的肌肉纤维走线为目标纤维走线；
[0014]创建以所述目标纤维走线的纤维顶点为球心的球体；
[0015]将所述球体与所述肌肉网格模型做碰撞检测；
[0016]根据碰撞检测结果，建立所述表面顶点与所述纤维顶点之间的映射关系；
[0017]优选的，所述映射关系包括关联系数；
[0018]所述建立所述表面顶点与纤维顶点的映射关系，包括以下步骤：
[0019]若表面顶点
X
a
只被某个纤维顶点为球心建立的球体所包含，则建立所述表面顶点
X
a
与所述某个纤维顶点的映射关系，且所述表面顶点
X
a
与所述某个纤维顶点的关联系数为：
μ
＝1；
[0020]若表面顶点
X
a
被
N
个纤维顶点为球心建立的球体所包含，则建立所述表面顶点
X
a
与
第
i
个所述纤维顶点的映射关系，所述表面顶点
X
a
与第
i
个纤维顶点
V
i
的关联系数为：
[0021][0022]其中，
N≥2
，为表面顶点
X
a
与纤维顶点
V
i
的距离；为表面顶点
X
a
与纤维顶点
V
n
的距离，
n
＝1，2，
…
，
i
，
…
，
N。
[0023]优选的，所述基于所述表面顶点
、
所述纤维顶点以及两者之间的映射关系，创建顶点关联约束，包括以下步骤：
[0024]于两个相邻所述表面顶点之间创建第一虚拟弹簧约束；
[0025]于两个相邻所述纤维顶点之间创建第二虚拟弹簧约束；
[0026]基于所述表面顶点与所述纤维顶点之间的映射关系，于所述表面顶点与所述纤维顶点之间创建第三虚拟弹簧约束
。
[0027]优选的，所述基于所述肌肉网格模型与骨骼模型之间的相对位置，创建位置关联约束，包括以下步骤：
[0028]选取肌肉网格模型附着于所述骨骼的附着顶点，限制所述附着顶点与骨骼的相对位置不变，创建位置关联约束
。
[0029]本专利技术所提供的肌肉模型的构建方法的有益效果在于：采用本专利技术所提供的构建方法过程中，创建肌肉网格模型，肌肉网格模型的表面具有多个表面顶点；确定所模拟肌肉的纤维走向，在肌肉网格模型内部进行简单的勾画肌肉纤维走线即可完成对模拟的预处理工作，对使用者更加友好，要求更低，同时肌肉纤维走线具有多个纤维顶点；表面顶点和纤维顶点间建立映射关系，明确表面顶点与纤维顶点间的关联程度；基于所述表面顶点
、
所述纤维顶点以及两者之间的映射关系，创建顶点关联约束；基于所述肌肉网格模型与骨骼模型之间的相对位置，创建位置关联约束，模拟肌肉和骨骼的位置关系，保证关节运动时骨骼与肌肉的关联性；在肌肉纤维
、
顶点关联约束和位置关联约束共同的作用下，使构建的肌肉模型的各部分间有着更高的关联性，增加了肌肉模型的真实度
。
[0030]本专利技术还提供一种肌肉模型，该肌肉模型由上述构建方法构建而成
。
[0031]本专利技术所提供的肌肉模型的有益效果在于：该肌肉模型在模拟肌肉运动时有更高的真实性，同时满足了肌肉运动实时模拟的要求，具体详见上述构建方法的有益效果在此不再赘述
。
[0032]本专利技术还提供一种肌肉模型的运动模拟方法，包括以下步骤：
[0033]根据胡克定律及第一弹簧约束，计算得到第一虚拟弹簧变形的第一虚拟受力为：其中，
k1为第一虚拟弹簧的劲度系数；表示表面顶点
X
b
与表面顶点
X
c
之间第一虚拟弹簧的当前长度；表示该第一虚拟弹簧的初始长度；表示顶点
X
b
当前坐标值；表示顶点
X
c
的当前坐标值；
[0034]根据胡克定律及第二弹簧约束，计算得到第二虚拟弹簧变形的第二虚拟受力为：其中，
k2为第二虚拟弹簧的劲度系数；表示纤
维顶点
V
i
与纤维顶点
V
j
之间第二虚拟弹簧的当前长度；表示该第二虚拟弹簧的初始长度；为纤维顶点
V
i
当前坐标值；表示纤维顶点
V
j
的当前坐标值；
[0035]根据胡克定律及第三弹簧约束，计算得到第三虚拟弹簧变形的第三虚拟受力为：其中，
k3为第三虚拟弹簧的劲度系数；为表面顶本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种肌肉模型的构建方法，其特征在于，包括以下步骤：创建肌肉网格模型，所述肌肉网格模型的表面具有多个表面顶点；于所述肌肉网格模型内部勾画肌肉纤维走线，所述肌肉纤维走线具有多个纤维顶点；于所述表面顶点和所述纤维顶点之间建立映射关系；基于所述表面顶点
、
所述纤维顶点以及两者之间的映射关系，创建顶点关联约束；基于所述肌肉网格模型与骨骼模型之间的相对位置，创建位置关联约束
。2.
根据权利要求1所述肌肉模型的构建方法，其特征在于，所述肌肉网格模型为三角网格模型
。3.
根据权利要求2所述肌肉模型的构建方法，其特征在于，所述于所述表面顶点和所述纤维顶点之间建立映射关系，包括以下步骤：选择最接近于所述肌肉网格模型表面的肌肉纤维走线为目标纤维走线；创建以所述目标纤维走线的纤维顶点为球心的球体；将所述球体与所述肌肉网格模型做碰撞检测；根据碰撞检测结果，建立所述表面顶点与所述纤维顶点之间的映射关系
。4.
根据权利要求3所述肌肉模型的构建方法，其特征在于，所述映射关系包括关联系数；所述建立所述表面顶点与纤维顶点的映射关系，包括以下步骤：若表面顶点
X
a
只被某个纤维顶点为球心建立的球体所包含，则建立所述表面顶点
X
a
与所述某个纤维顶点的映射关系，且所述表面顶点
X
a
与所述某个纤维顶点的关联系数为：
μ
＝1；若表面顶点
X
a
被
N
个纤维顶点为球心建立的球体所包含，则建立所述表面顶点
X
a
与第
i
个所述纤维顶点的映射关系，所述表面顶点
X
a
与第
i
个纤维顶点
V
i
的关联系数为：其中，
N≥2
，为表面顶点
X
a
与纤维顶点
V
i
的距离；为表面顶点
X
a
与纤维顶点
V
n
的距离，
n
＝1，2，
…
，
i
，
…
，
N。5.
根据权利要求4所述肌肉模型的构建方法，其特征在于，所述基于所述表面顶点
、
所述纤维顶点以及两者之间的映射关系，创建顶点关联约束，包括以下步骤：于两个相邻所述表面顶点之间创建第一虚拟弹簧约束；于两个相邻所述纤维顶点之间创建第二虚拟弹簧约束；基于所述表面顶点与所述纤维顶点之间的映射关系，于所述表面顶点与所述纤维顶点之间创建第三虚拟弹簧约束
。6.
根据权利要求5所述肌肉模型的构建方法，其特征在于，所述基于所述肌肉网格模型与骨骼模型之间的相对位置，创建位置关联约束，包括以下步骤：选取肌肉网格模型附着于所述骨骼的附着顶点，限制所述附着顶点与骨骼的相对位置不变，创建位置关联约束
。7.
一种肌肉模型，其特征在于，采用权利要求1‑6任一项所述的方法构建而成的所述肌肉模型
。
8.
一种肌肉模型的运动模拟方法，其特征在于，对权利要求6所述的方法构建而成的肌肉模型进行运动模拟，所述运动模拟方法包括以下步骤：主动控制肌肉纤维走线运动；根据胡克定律及第一弹簧约束，计算得到第一虚拟弹簧变形的第一虚拟受力为：其中，
k1为第一虚拟弹簧的劲度系数；表示表面顶点
X
b
与表面顶点
X
c
之间第一虚拟弹簧的当前长度；表示该第一虚拟弹簧的初始长度；表示顶点
X
b
当前坐标值；表示顶点
X
c
的当前坐标值；根据胡克定律及第二弹簧约束，计算得到第二虚拟弹簧变形的第二虚拟受力为：其中，
k2为第二虚拟弹簧的劲度系数；表示纤维顶点
V
i
与纤维顶点
V
j
之间第二虚拟弹簧的当前长度；表示该第二虚拟弹簧的初始长度；为纤维顶点
V
i
当前坐标值；表示纤维顶点
V
j
的当前坐标值；根据胡克定律及第三弹簧约束，计算得到第三虚拟弹簧变形的第三虚拟受力为：其中，
k3为第三虚拟弹簧的劲度系数；为表面顶点
X
b
与第
i
个纤维顶点
V
i
之间的第三虚拟弹簧的当前长度，为第三虚拟弹簧的初始长度，为表面顶点
X
b
与第
i
个纤维顶点
V
i
之间的关联系数，为表面顶点
X
b
的三维坐标，为纤维顶点
V
i
的三维坐标；基于第一虚拟受力和第三虚拟受力，...

【专利技术属性】
技术研发人员：王浩宇，吴剑煌，
申请(专利权)人：深圳华鹊景医疗科技有限公司，
类型：发明
国别省市：