一种虚拟人体姿态控制的分级骨架模型的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于计算机视觉技术和数字媒体技术领域，涉及一种可以用于虚拟人体运动姿态控制的分级骨架模型。
【背景技术】
[0002]随着计算机图形学技术的逐步深入与完善，特别是三维几何造型技术、真实感图形生成技术的迅速发展。在许多领域，尤其是虚拟影视领域，利用计算机进行的三维模拟都以寻求真实的形体再现和真实的运动再现为最终目的。为了实现VR技术的沉浸感、交互性和虚拟“真实”性，仅仅强调实时生成具有真实感的图形是不够的，还需要把人的行为动作加到虚拟环境系统中去才能使整个虚拟环境生动活泼、充满生机。
[0003]虚拟人是完全由计算机表示，看起来像真人的图形实体，即人的计算机模型。随着虚拟人合成技术和虚拟现实技术的迅速发展，模拟一个人体在三维虚拟环境中的显示及自然逼真的运动成为计算机动画领域中的一个研宄热点。在将来，我们期望任何一个人都可以在模型化之后放在虚拟环境中，他的行为可以被模拟。更重要的是，虚拟环境中的虚拟人可以和真实世界中的人进行实时的交互。在虚拟现实、多媒体等许多应用领域，人体运动姿态控制都具有重要的意义。如:在军事仿真方面代替真人接受各种训练；在科学应用中代替真人到达特殊的环境中进行各种精密的、甚至危险的实验；新闻娱乐、体育训练、网络会议、医学教育、航空航天等许多方面，虚拟人体运动姿态控制的研宄具有重要的理论价值和实用价值。
[0004]目前，虚拟人体运动姿态控制的方法主要有:运动学方法，动力学方法、运动捕获的方法及过程控制方法。
[0005]运动学方法:人体运动学是指描述人体运动的学科，只讨论运动本身的细节，而不涉及产生运动的力学原因。所谓基于运动学的模型是指物体的运动独立于产生运动的力，其参数包括物体的位置、速度、加速度等。需要操作者相当的经验和技巧。
[0006]动力学方法:着重研宄人体运动姿态时产生的力的研宄。动力学方法是通过解算人体的动力学方程得到的，计算量大，运动方程随着人体关节的自由度的增加而增加，时间复杂度很高。
[0007]运动捕获方法:运动捕获技术是目前在市场上比较常用的虚拟人体姿态生成技术。参照人体需要佩戴一定数量的传感器以获取运动姿态数据。
[0008]过程控制方法:指的是在对于虚拟人体运动姿态控制时，用一个过程去控制人体的运动姿态过程，是一种半自动控制方式。根据采集到实验数据，建立相应的经验公式，以此生成虚拟人体运动姿态。通过使用这种方法，虚拟影视制作人员只需要明确一小部分的参数(例如速度、行走的步长等)，通过一个具体的过程就可以计算出每一时刻的姿势，真实性与参考真实人体几乎相差无意。运动控制是指能对运动的方式和运动的路径进行准确的描述与解释并能实现一定程度的控制自动化。
[0009]过程动画又称“算法动画”、“模型动画”，与三维真实感实体造型动画不同，它以较抽象的方式利用图像序列的动态效果，用动画的形式表现某个事件的过程，在实际中具有广泛的应用，对运动的描述和控制是首要解决的问题。
[0010]然而，目前最高效、最有发展前景的过程控制方式也有一定的局限性。首先，利用这种虚拟影视制作工艺很难定义一般的运动，目前只适用于某些特定类型的运动；其次，由于自动的本质决定了虚拟影视制作人员不能在虚拟影视中进行很好的细节上的控制，因此也导致了虚拟人体运动姿态缺乏细节以及独特性。
[0011]如《AGlobalHumanWalking Model with Real-time KinematicsPersonificat1n)) 一文中，作者对于一些周期性的人体标准运动(如行走、跑步)，根据实验数据，建立相应的经验公式，以此生成虚拟人体运动，但是仅仅局限于基本周期性运动姿态控制。如《虚拟人的运动生成及控制技术研宄》一文中提出了一种16关节、39自由度的虚拟人体简化模型，虽然在一定程度上降低了虚拟人体控制的复杂性，但是相较一些需求简单的虚拟人体来说，这种简化模型还是存在一定的冗杂控制。
【发明内容】
[0012]本发明所要解决的是目前虚拟影视制作领域过程控制方式的局限性大的技术问题，提出一种可用于虚拟人体姿态控制的分级骨架模型。
[0013]为了解决上述问题，本发明提供了一种虚拟人体姿态控制的分级骨架模型，其特征在于，包括:
[0014]一级主骨架，包括对人体基本运动进行控制的骨架，由7个人体主要骨骼点以及骨架组成；
[0015]二级副骨架，包括对人体基本姿态进行控制的骨架，在主骨架的基础上增加了肩关节、髋关节、肘关节、膝关节；
[0016]三级子骨架，包括对人体姿态细节进行控制的骨架，在副骨架的基础上增加了手腕、脚腕四个旋转关节；
[0017]四级细化骨架，包括对人体运动姿态个性化细节部分进行控制的骨架，即人体手部、脚部与脸部。
[0018]优选地，所述分级骨架模型根据具体应用需求，通过建立单级骨架模型或多级骨架叠加模型，对虚拟人体进行控制。
[0019]优选地，各层级模型可以应用于二维或三维虚拟人体姿态控制中。
[0020]优选地，所述主要骨骼点为头部、肩部、髋部以及左右手、左右脚七个骨骼点。
[0021]本发明提供了一种四级细化骨架，通过建立单级骨架模型或多级骨架叠加模型，对虚拟人物进行控制，可以广泛应用到虚拟影视制作过程中对虚拟人体运动姿态半自动控制，提高虚拟人体运动姿态控制效率，加强虚拟人体运动姿态的细节控制，增加姿态独特性。
[0022]一级主骨架，利用主骨架可以分析得到人体基本运动信息，并应用到虚拟人体运动姿态的过程控制中。
[0023]二级副骨架，利用副骨架中各主要旋转关节点的旋转信息可以分析得到人体的基本姿态信息(如坐、走、跑、站立等)，并应用到虚拟人体运动姿态的过程控制中；
[0024]三级子骨架，子骨架模型的引入可以增加虚拟人体姿态的细节控制，让半自动控制过程更加个性化；
[0025]四级细化骨架，旨在引入人体手部、脚部、脸部等骨架对可以展现人体运动姿态个性化的细节部分进行控制。
[0026]与现有技术相比，本发明还具有以下有益效果:
[0027]1、骨架模型没有应用软件限制；
[0028]2、骨架模型不仅仅可以单独应用到虚拟人物控制中，也可以通过不同层级骨架进行对虚拟人物进行细节化、个性化控制；
[0029]3、应用场景分析处理方法、模型建立方法及技术。
[0030]4、不仅仅限于应用到虚拟人体姿态控制中，可以应用到仿人机器人控制等需要对人体运动姿态进行控制的场合。
[0031]本发明提出的分级骨架模型，可以根据具体应用需求，通过建立单级骨架模型或多级骨架叠加模型，对虚拟场景人物进行控制，增强人体骨架模型的普适应用性，提高虚拟人体运动姿态控制效率，加强虚拟人