虚拟角色的步态自动适应地形的系统及方法
专利汇可以提供虚拟角色的步态自动适应地形的系统及方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 是关于一种虚拟 角 色的步态自动适应地形的系统及方法，其是利用所输入的角色步态动作做为参考数据，系统自动分析出步态动作时腿部运动的关键影格，及利用分析出的信息，自动产生不同地形所需要的各种腿部运动参数组合，使输入的步态动作数据能适用于各种地形，同时使产生出的步态动画的结果尽量接近所参考的运动撷取数据。通过本发明的系统及方法，使用者便可以只输入一个虚拟角色及该角色一段理想的步态运动数据（Motion Clip），而不需预先给定行走路径及 虚拟环境 中障碍物的信息，即可达到实时性的步态自动适应任何地形 地貌 的动画制作效果。，下面是虚拟角色的步态自动适应地形的系统及方法专利的具体信息内容。
1.一种虚拟角色的步态自动适应地形的系统，其特征在于，该系统至少包括：
一虚拟角色及步态输入单元，用以提供使用者选定输入一三维虚拟角色数据及该角色的一段完整的腿部步态运动数据做为参考动作数据;
一腿部动作分析单元，用以针对该参考动作数据，计算分析腿部步态的动作循环中的腿部循环，以获得参考动作数据的动作属性及腿部动作的关键影格，并计算出该虚拟角色的脚掌长度的腿部运动参数;及
一实时适应地形的步态动作产生单元，用以通过该腿部动作分析单元所分析产出的腿部运动参数，实时动态的计算及预测该虚拟角色未来行进的足迹，并通过该参考动作数据进行腿部动作的内插计算以产生适合于当下地形的步态动作，并通过一贝兹曲线计算调整虚拟角色在行进中脚底与障碍物的路径数据，再通过反向关节运动学公式计算调整虚拟角色腿部关节的运动动作状态。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，该三维虚拟角色数据包括一至少包含九个腿部骨架节点的数据，其分别为：一根部节点、一左大腿根节点、一左膝盖节点、一左脚踝节点、一左脚趾节点、一右大腿根节点、一右膝盖节点、一右脚踝节点及一右脚趾节点，其中该左膝盖节点、左脚踝节点、左脚趾节点、右膝盖节点、右脚踝节点及右脚趾节点六个关节节点的自由度为1，表示此类关节只能在一个方向上转动，其余三个关节的自由度为3，表示此类关节可进行三个方向上的转动。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，该虚拟角色完整步态动作数据是由该虚拟角色两腿以上身体的结构所组成，该虚拟角色的步态动作依其时间与空间因素乃两腿的周期性循环动作，完整一组周期性循环动作的组合为一完整的步态动作循环，该虚拟角色完整步态动作数据为一完整腿部步态动作循环的动作数据。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，该腿部动作分析单元依据该参考动作数据，计算分析腿部步态的动作循环中的腿部循环，可获得该虚拟角色的左大腿根节点、左膝盖节点、左脚踝节点、一左脚趾节点、右大腿根节点、右膝盖节点、右脚踝节点及右脚趾节点的角度与坐标数据，并计算该虚拟角色的脚踝与脚趾的范围以得到虚拟角色的脚掌大小的数据，最后依据该角度与坐标数据及该脚掌大小数据，计算以获得该虚拟角色行进步态的关键影格。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，该关键影格为以下五个态样其中之一:
(a)、完全站立时段:在整的步态运动过程中，腿部完全着地，此时腿部关节中的脚踝与脚趾两者完全接触地面;
(b)、脚抬起:脚抬起阶段，此时脚踝抬起而脚趾着地，脚踝关节角度变化度及坐标高度皆会大脚趾;
(c)、脚离地:脚离地阶段，此时脚踝与脚趾皆离地，脚趾关节角度及坐标高度开始趋近于脚踝;
(d)、脚触地:脚触地阶段，此时脚踝腾空脚趾着地，脚趾关节角度大于脚踝，但坐标高度小于脚踝;
(e)、脚着地:脚着地阶段，此时脚踝与脚趾皆着地，脚踝关节角度及坐标高度趋近于脚趾。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，该实时适应地形的步态动作产生单元更包括以下的模块：
(a)、一未来足迹预测模块，该模块使用一脚步计划器以计算该虚拟角色行走的脚步计划，假设n为一计划的计划步数，当第i步计划成功才会进行第i+1步的计划；而当第i步计划失败，则会退回第i 1步，检查是否仍有可行的步伐，若没有，则再退回至第i 2步，直到从下一步到第n步都计划成功，才算完成了整个脚步计划，其中，n为整数，n大于等于i;
(b)、一腿部动作影格内插计算模块，该模块依据该虚拟角色的步态运动周期中的五个关键影格，使用内插法计算该虚拟角色行走在不同的地形或障碍物的环境时所缺少相对应的步态动作，以平滑地连接该新步态动作与该关键影格，其中，该内插法可为贝兹曲线内差法；
(c)、一足底碰撞预防模块，当该未来足迹预测模块预测下一步的位置位于平坦型的地形时，该虚拟角色脚部轨迹的计算是利用各个关键影格的脚踝位置做为端点，将两端点以最短距离公式计算出的直线轨迹做为该虚拟角色行走的脚步轨迹，当该未来足迹预测模块预测下一步的位置不属于平坦型地形时，为避免该虚拟角色脚部与该不平坦地形碰撞，该足底碰撞预防模块使用贝兹曲线计算该虚拟角色脚步的移动轨迹，该模块以目前脚步位置以及下一步脚步位置做为贝兹曲线的端点，另外在两端点之间的直接连线的中取得第一四分位点、中点、第三四分位点作为贝兹曲线的控制点，再将其标准化至0到1的区间内，当计算出脚步轨迹与地形有碰撞时，该模块自动调整控制点的高度后重新计算运动轨迹直到脚步轨迹与地形之间无碰撞为止;及
(d)、一腿部连携移动与修正模块，用以模拟该虚拟角色行进时下半身运动的状态，模拟方式是使用反向关节运动的计算模式，其该反向关节运动公式为:
α＝atan2(zb-zf，xf)
β＝atan2(LlowerSin(θKnee)，Lupper+LlowerCos(θKnee))
θHip＝-α-β
θAnkle＝-θknee-θHip
若已知条件为:一根部位置的坐标为：xb,zb、一脚踝位置的坐标为：xf,zf、一大腿的长度为Lupper、一小腿的长度为Llower，欲计算根部θHip、膝盖θKnee、脚踝θAnkle的弯曲角度时，使用该反向关节运动公式得到每一关节的旋转角度或其位置。
7.一种虚拟角色的步态自动适应地形的方法，其特征在于，该方法至少包括以下的步骤:
(a)、使用者选定输入一三维虚拟角色数据及该角色的一段完整的腿部步态运动数据做为参考动作数据;
使用该参考动作数据，计算分析该虚拟角色腿部步态的动作循环中的腿部循环，以获得参考动作数据的动作属性及腿部动作的关键影格，并计算出该虚拟角色的脚掌长度的腿部运动参数;及
使用该多个腿部运动参数，实时动态的计算及预测该虚拟角色未来行进的足迹，并通过该参考动作数据进行腿部动作的内插计算以产生适合于当下地形的步态动作，并通过一贝兹曲线计算调整虚拟角色在行进中脚底与障碍物的路径数据，再通过反向关节运动学公式计算调整虚拟角色腿部关节的运动动作状态。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，该三维虚拟角色数据包括一至少包含九个腿部骨架节点的数据，其分别为：一根部节点、一左大腿根节点、一左膝盖节点、一左脚踝节点、一左脚趾节点、一右大腿根节点、一右膝盖节点、一右脚踝节点及一右脚趾节点，其中该左膝盖节点、左脚踝节点、左脚趾节点、右膝盖节点、右脚踝节点及右脚趾节点六个关节节点的自由度为1，表示此类关节只能在一个方向上转动，其余三个关节的自由度为3，表示此类关节可进行三个方向上的转动。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，该虚拟角色完整步态动作数据是由该虚拟角色两腿以上身体的结构所组成，该虚拟角色的步态动作依其时间与空间因素乃两腿的周期性循环动作，完整一组周期性循环动作的组合为一完整的步态动作循环，该虚拟角色完整步态动作数据为一完整腿部步态动作循环的动作数据。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，该腿部动作分析单元依据该参考动作数据，计算分析腿部步态的动作循环中的腿部循环，可获得该虚拟角色的左大腿根节点、左膝盖节点、左脚踝节点、一左脚趾节点、右大腿根节点、右膝盖节点、右脚踝节点及右脚趾节点的角度与坐标数据，并计算该虚拟角色的脚踝与脚趾的范围以得到虚拟角色的脚掌大小的数据，最后依据该角度与坐标数据及该脚掌大小数据，计算以获得该虚拟角色行进步态的关键影格。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，该关键影格为以下五个态样的其中之一:
(a)、完全站立时段:在整的步态运动过程中，腿部完全着地，此时腿部关节中的脚踝与脚趾两者完全接触地面;
(b)、脚抬起:脚抬起阶段，此时脚踝抬起而脚趾着地，脚踝关节角度变化度及坐标高度皆会大脚趾;
(c)、脚离地:脚离地阶段，此时脚踝与脚趾皆离地，脚趾关节角度及坐标高度开始趋近于脚踝;
(d)、脚触地):脚触地阶段，此时脚踝腾空脚趾着地，脚趾关节角度大于脚踝，但坐标高度小于脚踝;
(e)、脚着地:脚着地阶段，此时脚踝与脚趾皆着地，脚踝关节角度及坐标高度趋近于脚趾。
12.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，该实时动态计算及预测该虚拟角色未来行进足迹的方法更包括以下的步骤:
(a)、计算该虚拟角色行走的脚步计划，假设n为一计划的计划步数，当第i步计划成功才会进行第i+1步的计划；而当第i步计划失败，则会退回第i 1步，检查是否仍有可行的步伐，若没有，则再退回至第i 2步，直到从下一步到第n步都计划成功，才算完成了整个脚步计划，其中，n为整数，n大于等于i;
(b)、依据该虚拟角色的步态运动周期中的五个关键影格，使用内插法计算该虚拟角色行走在不同的地形或障碍物的环境时所缺少相对应的步态动作，以平滑地连接该新步态动作与该关键影格，其中，该内插法为贝兹曲线内差法；
(c)、当预测该虚拟角色下一步的位置位于平坦型的地形时，该虚拟角色脚部轨迹的计算是利用各个关键影格的脚踝位置做为端点，将两端点以最短距离公式计算出的直线轨迹做为该虚拟角色行走的脚步轨迹，当预测该虚拟角色下一步的位置不属于平坦型地形时，为避免该虚拟角色脚部与该不平坦地形碰撞，使用贝兹曲线计算该虚拟角色脚步的移动轨迹，计算方式是以目前脚步位置以及下一步脚步位置做为贝兹曲线的端点，另外在两端点之间的直接连线的中取得第一四分位点、中点、第三四分位点作为贝兹曲线的控制点，再将其标准化至0到1的区间内，当计算出脚步轨迹与地形有碰撞时，自动调整控制点的高度后重新计算运动轨迹直到脚步轨迹与地形之间无碰撞为止;及
(d)、模拟该虚拟角色行进时下半身运动的状态，模拟方式是使用反向关节运动(Inverse Kinematics;I K)的计算模式，该反向关节运动公式为:
α＝atan2(zb-zf，xf)
β＝atan2(LlowerSin(θKnee)，Lupper+LlowerCos(θKnee))
θHip＝-α-β
θAnkle＝-θKnee-θHip
若已知条件为:一根部位置的坐标为：xb,zb、一脚踝位置的坐标为：xf,zf、一大腿的长度为Lupper、一小腿的长度为Llower，欲计算根部θHip、膝盖θKnee、脚踝θAnkle的弯曲角度时，使用该反向关节运动公式得到每一关节的旋转角度或其位置。
虚拟角色的步态自动适应地形的系统及方法
技术领域
背景技术
发明内容
具体实施方式
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