專利名稱：一種基于骨骼的任意拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)虛擬角色的驅(qū)動方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種虛擬角色的驅(qū)動方法，特別地，涉及一種基于骨骼的任意拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)虛擬角色的驅(qū)動方法。
背景技術(shù)：
虛擬角色動畫的生成是一個熱點(diǎn)問題，它廣泛應(yīng)用于虛擬現(xiàn)實(shí)和游戲等領(lǐng)域中。三維虛擬角色動畫的生成方法通常有兩種一種是頂點(diǎn)動畫，一種是骨骼動畫。頂點(diǎn)動畫方法直接在虛擬角色模型的基礎(chǔ)上做變形，即直接改變虛擬角色皮膚頂點(diǎn)在每一幀中的位置來達(dá)到動畫的效果。這種方法直觀簡單，但如果要對物體進(jìn)行某種整體變形或者模型中需移動的頂點(diǎn)非常多時，該方法就顯得相當(dāng)費(fèi)時和繁瑣。
與頂點(diǎn)動畫相比，近年來，骨骼動畫更為流行，骨骼動畫又稱為關(guān)節(jié)動畫。這種動畫生成方法分別定義了骨架和皮膚，骨架由一系列骨骼按照特定的拓?fù)潢P(guān)系聯(lián)結(jié)而成，而包裹這些骨骼的“皮膚”則是一個頂點(diǎn)網(wǎng)，每個頂點(diǎn)的位置受到一個或多個骨骼運(yùn)動的影響而變化。因此，骨骼動畫生成方法首先通過驅(qū)動骨架而運(yùn)動，被定義為皮膚的頂點(diǎn)的運(yùn)動則以數(shù)學(xué)公式的方式生成，最后通過逐幀渲染形成動畫。為了下面說明的方便，首先對骨骼系統(tǒng)進(jìn)行描述。骨骼系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以看成是由一系列鏈桿通過關(guān)節(jié)順次相連的開式運(yùn)動鏈，在骨骼系統(tǒng)中，定義了虛擬角色的骨骼數(shù)目、每個骨骼的長度、骨骼與骨骼之間的相互關(guān)系等。結(jié)合圖1，對骨骼系統(tǒng)的基本組成進(jìn)行說明。在一個虛擬角色的骨骼系統(tǒng)中，對骨骼系統(tǒng)做如下定義。
1)在每一個骨骼上定義一個與之固連的坐標(biāo)系Fi，該坐標(biāo)系稱為該骨骼的局部坐標(biāo)系。兩個骨骼連接時自動形成關(guān)節(jié)，骨骼間的連接關(guān)系不能構(gòu)成環(huán)。
2)存在且僅存在一個關(guān)節(jié)稱為根節(jié)點(diǎn)1，對于和關(guān)節(jié)2相連的兩個骨骼3和4，離根節(jié)點(diǎn)近的骨骼3稱為關(guān)節(jié)2的父骨骼，另一個骨骼4稱為關(guān)節(jié)2的子骨骼。對于和骨骼5相連的兩個關(guān)節(jié)6和7，離根節(jié)點(diǎn)近的關(guān)節(jié)6稱為骨骼5的父關(guān)節(jié)，離根節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)的關(guān)節(jié)7稱為骨骼5的子關(guān)節(jié)。在骨骼5的局部坐標(biāo)系下，子關(guān)節(jié)7到父關(guān)節(jié)6的平移記為{Xi，Yi，Zi}。
3)任何一個關(guān)節(jié)(骨骼)最多有一個父關(guān)節(jié)(父骨骼)，任何一個關(guān)節(jié)(骨骼)可以有多個或沒有子關(guān)節(jié)(子骨骼)。
4)根節(jié)點(diǎn)除了定義其相對于世界坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)外，還定義了其相對于世界坐標(biāo)系的平移。
由于關(guān)節(jié)是兩個骨骼連接時自動形成的，因此，只要保存了骨骼的信息和骨骼間的連接關(guān)系，就蘊(yùn)含了對關(guān)節(jié)的定義。在實(shí)際應(yīng)用中，為了表示上的統(tǒng)一，需要定義一個虛骨骼，稱為“根骨骼”。這個骨骼沒有長度，可視為一個點(diǎn)，其功能和意義與根節(jié)點(diǎn)相同。
在利用基于骨骼的動畫生成方法，實(shí)現(xiàn)虛擬人動畫生成時，人們通常定義一個標(biāo)準(zhǔn)的虛擬人骨架模板，虛擬人骨架模板是一個固定的虛擬人骨骼系統(tǒng)。
在現(xiàn)有技術(shù)中，虛擬角色的骨骼系統(tǒng)是固定的，即一個虛擬角色在不同的應(yīng)用場合有固定的骨骼系統(tǒng)，利用固定的骨骼系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)動畫生成的方式雖然簡化了虛擬角色的驅(qū)動過程，但卻有很大的局限性。
首先，在不同的情況下，對虛擬人骨骼系統(tǒng)的要求可能是不同的。以虛擬人手掌部位的骨骼為例，從較遠(yuǎn)的地方觀察虛擬人手掌時，只需要用一根骨骼便可代替整個手掌；而如果需要表現(xiàn)“拿取”東西這一動作時，則需要19根骨骼。因此，對一個虛擬角色，如果只用一個固定的骨骼系統(tǒng)并不能滿足所有情況。
其次，在固定模版方法中，由于骨骼系統(tǒng)中各個骨骼間的拓?fù)潢P(guān)系是固定的，因此固定模板法也不能驅(qū)動其它類型的虛擬角色，如動物等。
另外，在固定模板方法中，一個虛擬角色通常保存了自己的骨骼系統(tǒng)和皮膚信息，這樣每個角色可有獨(dú)立的模型。然而，在大規(guī)模虛擬環(huán)境中，如部隊(duì)的演練，骨骼系統(tǒng)或皮膚紋理信息通常是相同的，這樣就會導(dǎo)致信息的冗余，消耗大量的內(nèi)存空間。
最后，虛擬角色在磁盤中的存儲缺乏統(tǒng)一、完善的格式。當(dāng)前的一些存儲格式不能滿足對任意拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的骨骼系統(tǒng)、多虛擬角色共存的存儲要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于骨骼的任意拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)虛擬角色的驅(qū)動方法，實(shí)現(xiàn)對虛擬角色的驅(qū)動。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種基于骨骼的任意拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)虛擬角色的驅(qū)動方法，包括1)獲取虛擬角色的相關(guān)信息，所述的虛擬角色的相關(guān)信息分為骨骼系統(tǒng)信息、皮膚紋理信息和運(yùn)動數(shù)據(jù)；2)定義虛擬角色相關(guān)信息的磁盤存儲格式，磁盤文件對相同的骨骼系統(tǒng)、皮膚紋理信息、運(yùn)動數(shù)據(jù)只保存一次，骨骼系統(tǒng)、皮膚紋理信息和運(yùn)動數(shù)據(jù)適用于任意拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的虛擬角色以及任意數(shù)目的虛擬角色；3)根據(jù)實(shí)際需求，確定具體的虛擬角色；4)根據(jù)角色，裝載相應(yīng)的骨骼系統(tǒng)；5)根據(jù)角色，裝載皮膚紋理信息，裝載時，根據(jù)皮膚紋理中各個模塊的名稱建立到骨骼系統(tǒng)中骨骼的映射關(guān)系；6)裝載運(yùn)動數(shù)據(jù)，在運(yùn)動數(shù)據(jù)裝載前，判斷運(yùn)動數(shù)據(jù)中自由度的維數(shù)與骨骼系統(tǒng)中的維數(shù)是否相同，如果不同則運(yùn)動數(shù)據(jù)無法驅(qū)動骨骼系統(tǒng)，需要重新選定運(yùn)動數(shù)據(jù)進(jìn)行裝載或退出虛擬角色驅(qū)動的過程；7)從運(yùn)動數(shù)據(jù)中提取某一時刻的姿態(tài)，若在運(yùn)動數(shù)據(jù)中無法找到指定時刻的姿態(tài)，則通過對相鄰時刻的姿態(tài)做插值得到指定時刻的姿態(tài)；8)正向運(yùn)動學(xué)計(jì)算，計(jì)算每個骨骼局部坐標(biāo)系相對于全局坐標(biāo)系下的變換矩陣；9)利用步驟8)得到的骨骼局部坐標(biāo)系相對于全局坐標(biāo)系下的變換矩陣，重新計(jì)算皮膚頂點(diǎn)坐標(biāo)；10)渲染，根據(jù)步驟9)得到的重新計(jì)算的皮膚頂點(diǎn)坐標(biāo)和三角面片列表繪制虛擬角色。
上述技術(shù)方案中，在所述的步驟2)中，一個磁盤存儲文件由文件頭、骨骼系統(tǒng)、皮膚紋理信息單元、虛擬角色信息單元組成；在一個骨骼系統(tǒng)中，骨骼系統(tǒng)由骨骼系統(tǒng)名稱和骨骼列表組成，在骨骼列表中包含有骨骼系統(tǒng)的各個骨骼的信息，一個骨骼需要保存的信息有骨骼名稱、骨骼索引號、父關(guān)節(jié)的索引號、靜態(tài)變換矩陣、骨骼質(zhì)量、質(zhì)心坐標(biāo)及關(guān)節(jié)活動范圍；一個皮膚紋理信息單元由頂點(diǎn)列表、三角面片列表、紋理坐標(biāo)列表、法向量列表、部位信息列表組成，其中的部位信息列表中有多個部位信息單元，一個部位信息單元包括名稱、頂點(diǎn)索引列表、影響權(quán)重列表；一個虛擬角色單元由虛擬角色基本信息、骨骼系統(tǒng)索引、皮膚紋理索引和運(yùn)動數(shù)據(jù)組成；運(yùn)動數(shù)據(jù)中的每一幀姿態(tài)由該幀的時刻、根節(jié)點(diǎn)的位移以及各個骨骼局部坐標(biāo)系相對于其父骨骼局部坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)組成。
上述技術(shù)方案中，所述的虛擬角色的骨骼系統(tǒng)、皮膚紋理信息和運(yùn)動數(shù)據(jù)在內(nèi)存組織上采用共用的方式，一種骨骼系統(tǒng)或皮膚紋理信息可以為不同的虛擬角色所用，而一個虛擬角色在不同的場合也可以采用不同的骨骼系統(tǒng)或皮膚紋理信息。
上述技術(shù)方案中，在所述的步驟4)中，裝載骨骼系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)包括4-1、所裝載的骨骼系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是一個多叉樹，對多叉樹做深度優(yōu)先遍歷，重新排列骨骼間的順序；4-2、計(jì)算初始姿態(tài)下骨骼局部坐標(biāo)系相對于全局坐標(biāo)系的變換矩陣。
上述技術(shù)方案中，在所述的步驟8)中，正向運(yùn)動學(xué)計(jì)算包括8-1、將某一時刻的姿態(tài)下各個骨骼局部坐標(biāo)系相對于父骨骼局部坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為變換矩陣；8-2、根據(jù)步驟8-1所得到的變換矩陣和磁盤存儲文件中所包含的靜態(tài)變換矩陣，計(jì)算骨骼局部坐標(biāo)系相對于全局坐標(biāo)系下的變換矩陣。
上述技術(shù)方案中，在所述的步驟9)中，所述的皮膚頂點(diǎn)坐標(biāo)的計(jì)算公式為p′=TjW·(TjW0)-1·p,]]>其中，p為骨骼皮膚上的一個頂點(diǎn)的坐標(biāo)，p′為皮膚頂點(diǎn)在骨骼運(yùn)動情況下的新坐標(biāo)，0TjW為步驟4-2所得到的初始姿態(tài)下骨骼局部坐標(biāo)系相對于全局坐標(biāo)系的變換矩陣，TjW為步驟8-2所得到的骨骼局部坐標(biāo)系相對于全局坐標(biāo)系下的變換矩陣。
在步驟4-1中，所述的骨骼順序?yàn)楦趋琅旁谧钋懊?，任意一個骨骼都排在其所有的子骨骼之前。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于1、本發(fā)明方法對虛擬角色按照骨骼系統(tǒng)、皮膚紋理信息和運(yùn)動數(shù)據(jù)做邏輯劃分，分別存儲，實(shí)現(xiàn)了對任意拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、任意數(shù)目虛擬角色的驅(qū)動。
2、本發(fā)明方法采用共用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的機(jī)制，減少在磁盤和內(nèi)存中的空間占用。
3、本發(fā)明方法采用四元數(shù)表示旋轉(zhuǎn)矩陣，提高了計(jì)算效率，節(jié)省了存儲空間。
4、本發(fā)明方法采用非遞歸的方式來計(jì)算正向運(yùn)動學(xué)，提高驅(qū)動時的計(jì)算效率。
5、本發(fā)明方法采用四元數(shù)插值可以獲取運(yùn)動片段中任意時刻的姿態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)任意速度的驅(qū)動。


圖1為一個簡單的骨骼系統(tǒng)的示意圖；圖2為在本發(fā)明方法中對虛擬角色的邏輯劃分；圖3為本發(fā)明方法中磁盤文件的組織格式；圖4為本發(fā)明方法中虛擬角色在內(nèi)存中的組織方式；圖5為本發(fā)明方法的流程圖。
圖面說明1 根節(jié)點(diǎn) 2 關(guān)節(jié) 3 骨骼 4 骨骼 5 骨骼6 關(guān)節(jié)7 關(guān)節(jié)具體實(shí)施方式
下面參照附圖和具體實(shí)施方式
對本發(fā)明做詳細(xì)說明。
本發(fā)明的基于骨骼的任意拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)虛擬角色的驅(qū)動方法包括以下步驟步驟10、獲取虛擬角色的相關(guān)信息。虛擬角色從邏輯上可以劃分為三個部分，如圖2所示，分別為骨骼系統(tǒng)、皮膚紋理信息和運(yùn)動數(shù)據(jù)。骨骼系統(tǒng)是一種靜態(tài)信息，它決定了虛擬角色的形狀、大小等基本特點(diǎn)，對骨骼系統(tǒng)賦予不同的運(yùn)動數(shù)據(jù)可驅(qū)動骨骼實(shí)現(xiàn)不同的運(yùn)動姿態(tài)，而骨骼的運(yùn)動會改變皮膚紋理信息，將骨骼系統(tǒng)、皮膚紋理信息、運(yùn)動數(shù)據(jù)相結(jié)合可實(shí)現(xiàn)對虛擬角色的驅(qū)動。要實(shí)現(xiàn)虛擬角色的驅(qū)動，首先就要有上述的虛擬角色的相關(guān)信息。這些信息可通過對相關(guān)文件做格式轉(zhuǎn)換得到。
步驟20、定義虛擬角色相關(guān)信息的磁盤存儲格式?；诂F(xiàn)有技術(shù)中對虛擬角色相關(guān)信息采取了獨(dú)立存儲的方式，不同虛擬角色中的相同信息反復(fù)存儲，浪費(fèi)存儲空間的缺點(diǎn)，本發(fā)明方法中對虛擬角色相關(guān)信息在磁盤上的存儲格式做了新的定義，即將虛擬角色劃分為骨骼系統(tǒng)、皮膚紋理信息和運(yùn)動數(shù)據(jù)。對相同的骨骼系統(tǒng)、皮膚紋理信息、運(yùn)動數(shù)據(jù)只保存一次，一個骨骼系統(tǒng)或皮膚信息適用于任意拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的虛擬角色以及任意數(shù)目的虛擬角色。如圖3所示，為保存在磁盤上的文件的組織格式，一個文件由一個文件頭、多個骨骼系統(tǒng)、多個皮膚紋理信息單元、多個虛擬角色信息單元組成。此處所述的多個的具體數(shù)值根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的情況而設(shè)定。在一個骨骼系統(tǒng)中，骨骼系統(tǒng)由骨骼系統(tǒng)名稱和骨骼列表組成，在骨骼列表中包含有骨骼系統(tǒng)的各個骨骼的信息。一個骨骼需要保存的信息有骨骼名稱、骨骼索引號、父關(guān)節(jié)的索引號、靜態(tài)變換矩陣、骨骼質(zhì)量、質(zhì)心坐標(biāo)及關(guān)節(jié)活動范圍。一個皮膚紋理信息單元由頂點(diǎn)列表、三角面片列表、紋理坐標(biāo)列表、法向量列表、部位信息列表組成，其中的部位信息列表中有多個部位信息單元，一個部位信息單元由名稱、頂點(diǎn)索引列表、影響權(quán)重列表組成。一個虛擬角色單元由虛擬角色基本信息、骨骼系統(tǒng)索引、皮膚紋理索引和運(yùn)動數(shù)據(jù)組成；運(yùn)動數(shù)據(jù)中的每一幀姿態(tài)由該幀的時刻、根節(jié)點(diǎn)的位移以及各個骨骼局部坐標(biāo)系相對于其父骨骼局部坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)組成。在運(yùn)動數(shù)據(jù)中，旋轉(zhuǎn)用單位四元數(shù)表示。
步驟30、確定具體的虛擬角色。在虛擬角色相關(guān)信息的存儲文件中，存儲有多種的骨骼系統(tǒng)、皮膚紋理信息和運(yùn)動數(shù)據(jù)，對于一個具體的應(yīng)用場合，只需要選用其中的骨骼系統(tǒng)、部分皮膚紋理信息和部分運(yùn)動數(shù)據(jù)，因此在對虛擬角色做驅(qū)動前，要根據(jù)虛擬角色的應(yīng)用場合確定具體的虛擬角色，以方便在后續(xù)操作中確定骨骼系統(tǒng)、皮膚紋理信息、運(yùn)動數(shù)據(jù)的選取。在本發(fā)明中，虛擬角色的骨骼系統(tǒng)、皮膚紋理信息和運(yùn)動數(shù)據(jù)在內(nèi)存組織上采用共用的方式，即一種骨骼系統(tǒng)可以為不同的虛擬角色所用，而一個虛擬角色在不同的場合也可以采用不同的骨骼系統(tǒng)。對于皮膚紋理信息和運(yùn)動數(shù)據(jù)也同樣如此。這種內(nèi)存組織方式有效地節(jié)省了內(nèi)存空間的開支，適合大規(guī)模虛擬環(huán)境中多虛擬角色驅(qū)動的需要。如圖4所示，為虛擬角色在內(nèi)存中的組織方式，一個虛擬角色通過指針指向其骨骼系統(tǒng)、皮膚紋理和運(yùn)動數(shù)據(jù)。一個骨骼系統(tǒng)或皮膚紋理信息可以同時被多個虛擬角色共用。例如，虛擬角色2通過指針指向骨骼系統(tǒng)1、皮膚系統(tǒng)1和運(yùn)動片段2，將上述骨骼系統(tǒng)、皮膚系統(tǒng)和運(yùn)動片段組合可實(shí)現(xiàn)對虛擬角色2的驅(qū)動。而骨骼系統(tǒng)1可同時被虛擬角色1和虛擬角色2共用。從圖4中還可以看到，虛擬角色還可以只包括骨骼系統(tǒng)與運(yùn)動數(shù)據(jù)，不含有皮膚紋理信息。此時，對虛擬角色的驅(qū)動就只是對骨骼系統(tǒng)的驅(qū)動。
步驟40、裝載骨骼系統(tǒng)。根據(jù)步驟30所確定的虛擬角色從磁盤文件中選取骨骼系統(tǒng)，裝載該骨骼系統(tǒng)，所選取的骨骼系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是一個多叉樹，對該多叉樹做如下處理。
步驟41、對多叉樹做深度優(yōu)先遍歷，重新排列骨骼間的順序，骨骼重新排序后，設(shè)排序后的骨骼順序?yàn)長1，L2，L3，...Ln，則排序后的骨骼滿足如下兩個條件(1)L1為根骨骼；(2)若Li(1＜i≤n)的父骨骼為Lj，則j＜i
步驟42、計(jì)算初始姿態(tài)下骨骼局部坐標(biāo)系相對于全局坐標(biāo)系的變換矩陣0TjW(左上角坐標(biāo)表示初始狀態(tài))，如果一骨骼沒有父骨骼，則TjW0=TjP·Mj,]]>其中TjP是骨骼的局部坐標(biāo)系相對父骨骼局部坐標(biāo)系的靜態(tài)變換矩陣，該靜態(tài)變換矩陣可從磁盤文件中直接得到；如果一骨骼有父骨骼，則TjW0=TjP·Mj·TiW0,]]>其中，i為骨骼j的父關(guān)節(jié)的序號。由于步驟41中通過對多叉樹做深度優(yōu)先遍歷，重新排列了骨髂順序，因此計(jì)算0TjW之前，其父骨骼的齊次矩陣0TiW已經(jīng)更新過，只需按順序逐一對每一個骨骼計(jì)算即可。在初始姿態(tài)下，Mj均為單位矩陣。
步驟50、裝載皮膚紋理信息。根據(jù)步驟30所確定的虛擬角色從磁盤文件中按需求選取皮膚紋理信息并裝載，在裝載過程中，根據(jù)皮膚紋理中各個模塊的名稱建立到骨骼系統(tǒng)中骨骼的映射關(guān)系。
步驟60、裝載運(yùn)動數(shù)據(jù)。從磁盤文件中按需要選取運(yùn)動數(shù)據(jù)并裝載，在裝載運(yùn)動數(shù)據(jù)時，判斷運(yùn)動數(shù)據(jù)中自由度的維數(shù)與骨骼系統(tǒng)中的維數(shù)是否相同，如果不同則無法驅(qū)動該骨骼系統(tǒng)，即運(yùn)動數(shù)據(jù)裝載失敗，需要重新選定運(yùn)動數(shù)據(jù)進(jìn)行裝載或退出虛擬角色驅(qū)動的過程。
步驟70、從運(yùn)動數(shù)據(jù)中獲取給定時刻t的姿態(tài)。姿態(tài)是某一時刻用來刻畫關(guān)節(jié)角度的一組矢量，用{p，q1，q2，...，qn}表示。其中，p表示根骨骼在世界坐標(biāo)系中的平移，qi表示對骨骼Li的局部坐標(biāo)系相對于其父骨骼Lj局部坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)，用四元數(shù)表示。在某些情況下，運(yùn)動數(shù)據(jù)中可能沒有指定時刻t的姿態(tài)，此時按下列步驟求取指定時刻的姿態(tài)信息。
步驟71、找到與指定時刻t最接近的時間的兩幀姿態(tài)pose1、pose2，其對應(yīng)時刻分別為t1，t2。pose1、pose2具體表示如下pose1={p1,q11,q21,···qk1},pose2={p2,q12,q22,···qk2}]]>步驟72、按公式對pose1、pose2進(jìn)行插值得到t時刻對應(yīng)的姿態(tài)，插值公式如下pose＝{p，q1，q2，…qk}p=(1-t)·p1+t·p2qj=Slerp(qj1,qj2,t)]]>
其中Slerp(q1,q2,t)=q1sin((1-t)Ω)+q2sin(tΩ)sin(Ω),cos(Ω)=q1·q2]]>步驟80、正向運(yùn)動學(xué)計(jì)算。計(jì)算每個骨骼局部坐標(biāo)系相對于全局坐標(biāo)系下的變換矩陣TjW。變換矩陣TjW的求取步驟如下。
步驟81、將當(dāng)前姿態(tài)下各個骨骼局部坐標(biāo)系相對于父骨骼局部坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)qj轉(zhuǎn)換為變換矩陣Mj，qj是一個單位四元數(shù)。該轉(zhuǎn)換過程是成熟的現(xiàn)有技術(shù)，普通技術(shù)人員查閱相關(guān)資料可實(shí)現(xiàn)該轉(zhuǎn)換。
步驟82、判斷一骨骼是否有父骨骼，如果該骨骼沒有父骨骼，則TjW=TjP·Mj.]]>步驟83、如果一骨骼有父骨骼，則TjW=TjP·Mj·TiW,]]>其中i為骨骼j的父關(guān)節(jié)的序號。
由于步驟41中通過對多叉樹做深度優(yōu)先遍歷，重新排列了骨骼順序，因此計(jì)算TjW之前，其父骨骼的齊次矩陣TiW已經(jīng)更新過，因此只需按順序逐一對每一個骨骼計(jì)算即可。
步驟90、重新計(jì)算皮膚頂點(diǎn)坐標(biāo)。骨骼系統(tǒng)在運(yùn)動數(shù)據(jù)驅(qū)動下，依附于骨骼的皮膚頂點(diǎn)坐標(biāo)會產(chǎn)生相應(yīng)的變化，本步驟就是要實(shí)現(xiàn)對時刻t時，虛擬角色的所有皮膚頂點(diǎn)坐標(biāo)的計(jì)算。以索引號為j的骨骼為例，設(shè)p為該骨骼皮膚上的一個頂點(diǎn)的坐標(biāo)，則該點(diǎn)在新的姿態(tài)下的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)由下式給出p′=TjW·(TjW0)-1·p.]]>將皮膚頂點(diǎn)在初始姿態(tài)下全局坐標(biāo)系中的坐標(biāo)與初始姿態(tài)下骨骼局部坐標(biāo)系相對于全局坐標(biāo)系的變換矩陣的逆矩陣做點(diǎn)積，得到皮膚頂點(diǎn)在骨骼局部坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，然后將該坐標(biāo)與骨骼局部坐標(biāo)系相對于全局坐標(biāo)系下的變換矩陣做點(diǎn)積，得到皮膚頂點(diǎn)在新姿態(tài)下的全局坐標(biāo)。
步驟100、渲染。根據(jù)重新計(jì)算的皮膚頂點(diǎn)坐標(biāo)和磁盤文件中所保存的三角面片列表繪制虛擬角色。
權(quán)利要求
1.一種基于骨骼的任意拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)虛擬角色的驅(qū)動方法，包括1)獲取虛擬角色的相關(guān)信息，所述的虛擬角色的相關(guān)信息分為骨骼系統(tǒng)信息、皮膚紋理信息和運(yùn)動數(shù)據(jù)；2)定義虛擬角色相關(guān)信息的磁盤存儲格式，磁盤文件對相同的骨骼系統(tǒng)、皮膚紋理信息、運(yùn)動數(shù)據(jù)只保存一次，骨骼系統(tǒng)、皮膚紋理信息和運(yùn)動數(shù)據(jù)適用于任意拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的虛擬角色以及任意數(shù)目的虛擬角色；3)根據(jù)實(shí)際需求，確定具體的虛擬角色；4)根據(jù)角色，裝載相應(yīng)的骨骼系統(tǒng)；5)根據(jù)角色，裝載皮膚紋理信息，裝載時，根據(jù)皮膚紋理中各個模塊的名稱建立到骨骼系統(tǒng)中骨骼的映射關(guān)系；6)裝載運(yùn)動數(shù)據(jù)，在運(yùn)動數(shù)據(jù)裝載前，判斷運(yùn)動數(shù)據(jù)中自由度的維數(shù)與骨骼系統(tǒng)中的維數(shù)是否相同，如果不同則運(yùn)動數(shù)據(jù)無法驅(qū)動骨骼系統(tǒng)，需要重新選定運(yùn)動數(shù)據(jù)進(jìn)行裝載或退出虛擬角色驅(qū)動的過程；7)從運(yùn)動數(shù)據(jù)中提取某一時刻的姿態(tài)，若在運(yùn)動數(shù)據(jù)中無法找到指定時刻的姿態(tài)，則通過對相鄰時刻的姿態(tài)做插值得到指定時刻的姿態(tài)；8)正向運(yùn)動學(xué)計(jì)算，計(jì)算每個骨骼局部坐標(biāo)系相對于全局坐標(biāo)系下的變換矩陣；9)利用步驟8)得到的骨骼局部坐標(biāo)系相對于全局坐標(biāo)系下的變換矩陣，重新計(jì)算皮膚頂點(diǎn)坐標(biāo)；10)渲染，根據(jù)步驟9)得到的重新計(jì)算的皮膚頂點(diǎn)坐標(biāo)和三角面片列表繪制虛擬角色，所述的三角面片列表包含在步驟5)所裝載的皮膚紋理信息中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于骨骼的任意拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)虛擬角色的驅(qū)動方法，其特征在于，在所述的步驟2)中，一個磁盤存儲文件由文件頭、骨骼系統(tǒng)、皮膚紋理信息單元、虛擬角色信息單元組成；在一個骨骼系統(tǒng)中，骨骼系統(tǒng)由骨骼系統(tǒng)名稱和骨骼列表組成，在骨骼列表中包含有骨骼系統(tǒng)的各個骨骼的信息，一個骨骼需要保存的信息有骨骼名稱、骨骼索引號、父關(guān)節(jié)的索引號、靜態(tài)變換矩陣、骨骼質(zhì)量、質(zhì)心坐標(biāo)及關(guān)節(jié)活動范圍；一個皮膚紋理信息單元由頂點(diǎn)列表、三角面片列表、紋理坐標(biāo)列表、法向量列表、部位信息列表組成，其中的部位信息列表中有多個部位信息單元，一個部位信息單元包括名稱、頂點(diǎn)索引列表、影響權(quán)重列表；一個虛擬角色單元由虛擬角色基本信息、骨骼系統(tǒng)索引、皮膚紋理索引和運(yùn)動數(shù)據(jù)組成；運(yùn)動數(shù)據(jù)中的每一幀姿態(tài)由該幀的時刻、根節(jié)點(diǎn)的位移以及各個骨骼局部坐標(biāo)系相對于其父骨骼局部坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)組成，其中所述的旋轉(zhuǎn)用四元數(shù)表示。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于骨骼的任意拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)虛擬角色的驅(qū)動方法，其特征在于，所述的虛擬角色的骨骼系統(tǒng)、皮膚紋理信息和運(yùn)動數(shù)據(jù)在內(nèi)存組織上采用共用的方式，一種骨骼系統(tǒng)或皮膚紋理信息可以為不同的虛擬角色所用，而一個虛擬角色在不同的場合也可以采用不同的骨骼系統(tǒng)或皮膚紋理信息。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于骨骼的任意拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)虛擬角色的驅(qū)動方法，其特征在于，在所述的步驟4)中，裝載骨骼系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)包括4-1、所裝載的骨骼系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是一個多叉樹，對多叉樹做深度優(yōu)先遍歷，重新排列骨骼間的順序；4-2、計(jì)算初始姿態(tài)下骨骼局部坐標(biāo)系相對于全局坐標(biāo)系的變換矩陣。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于骨骼的任意拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)虛擬角色的驅(qū)動方法，其特征在于，在步驟7)中，所述的插值方法采用四元數(shù)的球面線形插值法。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于骨骼的任意拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)虛擬角色的驅(qū)動方法，其特征在于，在所述的步驟8)中，正向運(yùn)動學(xué)計(jì)算包括8-1、將某一時刻的姿態(tài)下各個骨骼局部坐標(biāo)系相對于父骨骼局部坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為變換矩陣；8-2、根據(jù)步驟8-1所得到的變換矩陣和磁盤存儲文件中所包含的靜態(tài)變換矩陣，計(jì)算骨骼局部坐標(biāo)系相對于全局坐標(biāo)系下的變換矩陣。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于骨骼的任意拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)虛擬角色的驅(qū)動方法，其特征在于，在所述的步驟9)中，所述的皮膚頂點(diǎn)坐標(biāo)的計(jì)算公式為p′=TjW·(TjW0)-1·p,]]>其中，p為骨骼皮膚上的一個頂點(diǎn)的坐標(biāo)，p′為皮膚頂點(diǎn)在骨骼運(yùn)動情況下的新坐標(biāo)，0Tjw為步驟4-2所得到的初始姿態(tài)下骨骼局部坐標(biāo)系相對于全局坐標(biāo)系的變換矩陣，Tjw為步驟8-2所得到的骨骼局部坐標(biāo)系相對于全局坐標(biāo)系下的變換矩陣。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于骨骼的任意拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)虛擬角色的驅(qū)動方法，其特征在于，在步驟4-1中，所述的骨骼順序?yàn)楦趋琅旁谧钋懊妫我庖粋€骨骼都排在其所有的子骨骼之前。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于骨骼的任意拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)虛擬角色的驅(qū)動方法，包括1)將虛擬角色相關(guān)信息分為三類；2)定義虛擬角色相關(guān)信息的磁盤存儲格式；3)根據(jù)實(shí)際需求，確定具體的虛擬角色；4)裝載骨骼系統(tǒng)；5)裝載皮膚紋理信息，裝載時，根據(jù)皮膚紋理中各個模塊的名稱建立到骨骼系統(tǒng)中骨骼的映射關(guān)系；6)裝載運(yùn)動數(shù)據(jù)，判斷運(yùn)動數(shù)據(jù)中自由度的維數(shù)與骨骼系統(tǒng)中的維數(shù)是否相同；7)從運(yùn)動數(shù)據(jù)中提取某一時刻的姿態(tài)；8)正向運(yùn)動學(xué)計(jì)算，計(jì)算每個骨骼局部坐標(biāo)系相對于全局坐標(biāo)系下的變換矩陣；9)利用步驟8)得到的骨骼局部坐標(biāo)系相對于全局坐標(biāo)系下的變換矩陣，重新計(jì)算皮膚頂點(diǎn)坐標(biāo)；10)渲染。
文檔編號G06T15/00GK1885348SQ20051007728
公開日2006年12月27日 申請日期2005年6月21日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月21日
發(fā)明者王兆其, 李淳芃, 朱登明, 夏時洪 申請人:中國科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所