虛擬角色的步態自動適應地形的系統及方法

2023-06-14 10:05:31

虛擬角色的步態自動適應地形的系統及方法
【專利摘要】本發明是關於一種虛擬角色的步態自動適應地形的系統及方法，其是利用所輸入的角色步態動作做為參考數據，系統自動分析出步態動作時腿部運動的關鍵影格，及利用分析出的信息，自動產生不同地形所需要的各種腿部運動參數組合，使輸入的步態動作數據能適用於各種地形，同時使產生出的步態動畫的結果儘量接近所參考的運動擷取數據。通過本發明的系統及方法，使用者便可以只輸入一個虛擬角色及該角色一段理想的步態運動數據（Motion?Clip），而不需預先給定行走路徑及虛擬環境中障礙物的信息，即可達到實時性的步態自動適應任何地形地貌的動畫製作效果。
【專利說明】虛擬角色的步態自動適應地形的系統及方法
【技術領域】
[0001]本發明是一種虛擬角色的步態自動適應地形的系統及方法，其是利用所輸入的角 色步態動作做為參考數據，分析出步態動作時腿部運動的關鍵影格及利用分析出的信息， 自動產生不同地形所需要的各種腿部運動參數組合的系統及方法。
【背景技術】
[0002]虛擬角色的步態動畫製作一直是十分具挑戰性的工作與相當棘手的問題。現有技 術中，關於製作虛擬角色的步態動畫最常用的製作方式約可分為三種。
[0003]第一種是關鍵格動畫(Keyframing)製作方式，關鍵格動畫是由動畫師直接將關鍵 格和內插信息輸入到計算機中，計算機再依此輸入產生動畫。此種虛擬角色的步態動畫設 計方式，動畫製作成果的好壞完全仰賴動畫師的專業程度，且虛擬角色的步態形式隨著虛 擬環境的不同應該要有相對應的變化，故而短短幾秒鐘的動畫就可能花費上資深專業動畫 師數以千倍計的時間，對於一般缺乏經驗的使用者而言，則非常難以使用這種製作方式作 出能自然流暢且適合不同地形的虛擬角色的步態動畫。
[0004]第二種方式是運動擷取(Motion Capture)製作方式,運動擷取是一種以設備直接 捕捉真實人類的步態運動，再輸入到計算機產生動畫格，由於所擷取的動作含有真實人類 步態運動時所有關節的旋轉與位移數據，故比起關鍵格動畫製作方式在觀感上更為自然擬 真。但由於運動擷取是採用設備及訊號處理的方式，故而花費在運動動作擷取後的噪聲消 除及各個關節等矯正等步驟的時間相當的驚人，需要通過不斷的修正與調整才能夠利用動 作數據得到穩定的動畫結果。此外，運動擷取設備的建置與使用成本相當昂貴，對於一般使 用者來說更是無法輕易使用取得。
[0005]第三種是以人工給定虛擬角色步態參數，如腳步大小、抬腿位置及環境變量信息 等方式，進行模擬，例如有相當多的領域在研究此課題，包括機器人學、生物力學、人類學 等；但大多數的系統都只能著重在某些特例上，如在沒有障礙物的平坦路面上的模擬，或直 接給定目標行走路徑及障礙物信息等。然而在真實的情況下，許多的路面都是不規則、崎嶇 不平的，使得上述的這些發明很難直接套用到擬真的動態環境上。此外，此類系統皆需要一 定時間的運算處理，將給定的已知環境條件與角色行進參數進行運算，並不能隨著虛擬環 境中實時性改變，如隨時加入障礙物或階梯，達到實時性且合理的步態呈現。
[0006]故現有技術中，不論是關鍵格動畫、運動擷取式或是模擬式的角色步態動作製作 方式，虛擬角色的步態都是特定的步態設計，皆難以被彈性地調整，及反覆被應用在不同的 環境中，與實時性的動態呈現。例如，在平地上走路和在有高低起伏、傾斜地面或充滿障礙 物的崎嶇地形上行走的動作，在運動模式上是不能相提並論的，原因是人類在平地上行走 的步態及姿勢，與在崎嶇地形上行走的時候會不一樣，因此若是通過關鍵格動畫和運動擷 取方式得到虛擬角色在平地上走路的步態，但若是想讓虛擬角色在崎嶇地形上自然的走 路，還是得重新製作或擷取動作，才能得到符合需求的虛擬角色的步態的動畫，對於動畫的 製作相當費時費力。[0007]上述三種方法都有其缺點，在此不多贅述，本發明的方法克服了該等缺點，例如:
[0008](I)、使用者不需要專業的動作製作經驗及技術。
[0009](2)、使用者不需要額外購置運動擷取設備。
[0010](3)、使用者不需因動畫中的不同地形環境而去分別製作出不同的步路步態動作 數據。
[0011](4)、使用者只需準備一段包含走路的步態動作數據即可讓角色產生合乎於各式 地形的走路步態動作。
[0012]其他優點於以下的詳細說明中亦有陳述，在此不多贅述。

【發明內容】

[0013]本發明的主要目的是提出一種虛擬角色的步態自動適應地形的系統及方法，其是 利用所輸入的角色步態動作做為參考數據，能自動分析出步態動作時腿部運動的關鍵影 格，及利用分析出的信息，自動產生不同地形所需要的各種腿部運動參數組合，讓所輸入的 步態動作數據能適用於各種地形，同時使產生的步態動畫的結果儘量接近所參考的運動擷 取數據，達到實時性的步態自動適應任何地形地貌的動畫製作效果。
[0014]為了達到上述目的，本發明提供一種虛擬角色的步態自動適應地形的系統，該系 統至少包括:
[0015]一虛擬角色及步態輸入單元，用以提供使用者選定輸入一三維虛擬角色數據及該 角色的一段完整的腿部步態運動數據做為參考動作數據；
[0016]一腿部動作分析單元，用以針對該參考動作數據，計算分析腿部步態的動作循環 中的腿部循環，以獲得參考動作數據的動作屬性及腿部動作的關鍵影格，並計算出該虛擬 角色的腳掌長度等的腿部運動參數；及
[0017]一實時適應地形的步態動作產生單元，用以通過該腿部動作分析單元所分析產出 的腿部運動參數，實時動態的計算及預測該虛擬角色未來行進的足跡，並通過該參考動作 數據進行腿部動作的內插計算以產生適合於當下地形的步態動作，並通過一貝茲曲線計算 調整虛擬角色在行進中腳底與障礙物的路徑數據，再通過反向關節運動學公式計算調整虛 擬角色腿部關節的運動動作狀態。
[0018]為了達到上述目的，本發明還提供一種虛擬角色的步態自動適應地形的方法，該 方法至少包括以下的步驟:
[0019](a)、使用者選定輸入一三維虛擬角色數據及該角色的一段完整的腿部步態運動 數據做為參考動作數據；
[0020]使用該參考動作數據，計算分析該虛擬角色腿部步態的動作循環中的腿部循環， 以獲得參考動作數據的動作屬性及腿部動作的關鍵影格，並計算出該虛擬角色的腳掌長度 等的腿部運動參數；及
[0021]使用該等腿部運動參數，實時動態的計算及預測該虛擬角色未來行進的足跡，並 通過該參考動作數據進行腿部動作的內插計算以產生適合於當下地形的步態動作，並通過 一貝茲曲線計算調整虛擬角色在行進中腳底與障礙物的路徑數據，再通過反向關節運動學 公式計算調整虛擬角色腿部關節的運動動作狀態。
[0022]本發明的特色及功效包括:[0023](I)、最少量的人工參與:一個好的動畫製作需要專業訓練及大量的製作時間投 入，然而大多數的計算機使用者皆非專業的動畫師且能投入動畫製作的時間亦有限制，故 可以最少量的人工參與，即能夠自動模擬出符合不同虛擬環境的步態運動的系統才是最符 合一般使用者需求的設計。在本發明中，使用者只需準備一個虛擬角色及一段該虛擬角色 走路的步態動作數據，並告知系統該角色的骨架信息，系統即可讓角色產生合乎於各式地 形的走路步態動作。
[0024](2)、允許崎嶇不平的路面:在現實情況下，路面鮮有平坦且無障礙物的，故要能將 模擬的層次提高，符合真實，就必須允許崎嶇不平的情況。
[0025](3)、步伐的不一致性:在人類的行走過程中，每一步的步伐大小是不盡相同的。一 般而言，步伐的大小與地形的起伏、人類的心情愉悅程度、能量的分配有關，故本發明設計 上也考量此點。
[0026](4)、腳步的計劃:真實生活中，人類的行走過程是有計劃的，我們往往在走這一步 的同時，也決定了下兩到三步的腳步位置，所以不常有走錯或踏錯階梯的情形發生。
[0027](5)、實時性:要能模擬真實的行走運動，系統的算法則必須有實時計算的特色； 也就是在每一步所花的計算必須不能太長，才能達到互動界面的實時性要求。
[0028](6)、真實性:通過使用者輸入的參考動作，與系統建置的人體動力學模擬機制，讓 所產生出的步態動畫的結果儘量接近所參考的運動擷取數據，達到步態運動在視覺上接近 自然且真實的模擬效果。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0029]圖1是本發明的一實施例的系統架構圖。
[0030]圖2是本發明的一實施例的九個腿部骨架節點信息的示意圖。
[0031]圖2A及圖2B是本發明的一實施例的關節節點的自由度的示意圖。
[0032]圖3是本發明的一實施例的完整腿部步態動作循環的示意圖。
[0033]圖4A是本發明的一實施例的下半身關鍵符號表的示意圖。
[0034]圖4B是本發明的一實施例的腿部骨架2D視圖的示意圖。
[0035]圖5是本發明的一實施例中通過腳踝與腳趾求得的腳掌(Foot Base)大小信息的 示意圖。
[0036]圖6是本發明的一實施例中分析虛擬角色進行步態的關鍵影格的示意圖。
[0037]圖7是本發明的一實施例未來足跡預測中腳步計劃器執行步驟流程圖的示意圖。
[0038]圖8A及圖8B是本發明的一實施例中使用內插法修正腿部動作的示意圖。
[0039]圖9是本發明的一實施例中足跡預測中修正腳步軌跡的示意圖。
[0040]圖10是本發明的一實施例中足跡預測中修正行走路徑的示意圖。
[0041]圖1lA是本發明的一實施例中修正腳踝角度至合理角度的示意圖。
[0042]圖1lB是本發明的一實施例中修正腳部合理位置的示意圖。
[0043]圖1lC是本發明的一實施例中修正大腿及膝蓋合理角度的示意圖。
[0044]附圖標記說明:01—角色及步態輸入單元；02-腿部動作分析單元；03-實 時適應地形的步態動作產生單元；11一三維虛擬角色及該角色；12-完整的腿部步態 動作數據；21—分析取得腿部動作的關鍵影格；31—未來足跡預測模塊；32—腿部動作影格內插模塊；33—足底碰撞預防模塊；34—腿部連攜移動與修正模塊；211—根部節 點(Hip) ;212—左大腿根節點(Left Thigh) ;213—左膝蓋節點(Left Knee) ;214—左 腳踝節點(Left Ankle) ；215—左腳趾節點(Left Toe) ；216—右大腿根節點(Right Thigh) ;217—右膝蓋節點(Right Knee) ;218—右腳踝節點(Right Ankle) ;219—右腳 趾節點(Right Toe) ；51—腳踝；52—腳趾；61—完全站立時段(Stance time) ；62—腳 抬起(Foot-1ift) ；63—腳離地(Foot-off) ；64—腳觸地(Foot-strike) ；65—腳著地 (Foot-1and) ；91—原始腳步軌跡；92—簡化後的腳步軌跡；101—當腳步軌跡與地形有碰 撞軌跡；102—腳步軌跡與地形之間無碰撞軌跡；111—原始腳部位置為；112—修正後腳 部位置；113—原始腳部位置；114—修正後腳部位置。
【具體實施方式】
[0045]為進一步對本發明有更清楚的說明，乃通過以下圖式、原理及步驟詳細說明實施 方法，冀能對貴審查委員的審查工作有所助益。
[0046]本發明整體的構思是提供一利用參考步態動作用以自動產生適應於各種地形的 步態動作系統及其控制方法，用以實時產生適應各種地形的角色步態動作，流程包括:使用 者便輸入一虛擬角色及該一段該角色理想的步態運動數據做為參考，並告知系統角色骨架 的信息，系統便能自動分析腿部動畫的關鍵影格，及嘗試分析運動參數的各種組合，達到實 時性的步態自適應任何地形地貌的動畫製作的目的。
[0047]圖1是依據本發明的虛擬角色的步態自動適應地形的系統的一實施例的系統架 構圖，該系統包括一角色及步態輸入單元01，一腿部動作分析單元02及一實時適應地形的 步態動作產生單元03。
[0048]該角色及步態輸入單元01是提供使用者選定一三維虛擬角色及該角色11的一段 理想且完整的腿部步態動作數據12做為參考動作數據，並輸入至系統中。
[0049]該腿部動作分析單元02是針對使用者所輸入的參考動作，分析該虛擬角色步態 動作循環(Motion Cycle)中的腿部循環(Leg Cycle),以獲得參考動作的動作屬性及分析 取得腿部動作的關鍵影格21，並計算出該虛擬角色的腳掌長度。
[0050]該實時適應地形的步態動作產生單元03包括一未來足跡預測模塊31、一腿部動 作影格內插模塊32、一足底碰撞預防模塊33及一腿部連攜移動與修正模塊34，該實時適應 地形的步態動作產生單元03是通過該腿部動作分析單元02所分析出的虛擬角色腿部運動 參數，予實時動態的虛擬環境中，用以預測虛擬角色未來行動的足跡，並通過使用者所輸入 的參考步態動作進行動作的內插，以產生適合於當下地形的步態動作，並通過貝茲曲線的 計算，避免虛擬角色在行進的過程中腳底與障礙物發生碰撞的問題，最後再通過反向關節 運動學(Inverse Kinematics; IK),讓虛擬角色的腿部關節都能符合人體運動學,達到仿真 又自然的實時步態模擬效果。
[0051]針對上述各單元的實施步驟流程，詳述如下:
[0052]通過圖1中的角色及步態輸入單元01，使用者可輸入一帶有骨架信息的三維虛 擬角色至本發明的虛擬角色的步態自動適應地形系統，該輸入的三維虛擬角色，至少必 須包含九個腿部骨架節點信息，其分別為:一根部節點(Hip) 211、一左大腿根節點(Left Thigh) 212、一左膝蓋節點(Left Knee) 213、一左腳踝節點(Left Ankle) 214、一左腳趾節點(Left Toe) 215、一右大腿根節點(Right Thigh) 216、一右膝蓋節點(Right Knee) 217、 一右腳踝節點(Right Ankle) 218及一右腳趾節點(Right Toe) 219,其示意圖如圖2所 示。其中該左膝蓋節點(Left Knee) 213、左腳踝節點(Left Ankle) 214、左腳趾節點(Left Toe)215、右膝蓋節點(Right Knee) 217、右腳踝節點(Right Ankle) 218及右腳趾節點 (Right Toe) 219等六個關節節點的自由度(DOF)為I (如圖2A所示)，表示此類關節只能 在一個方向上轉動。其餘關節的自由度為3 (如圖2B所示)，表可進行三個方向上的轉動。
[0053]角色及步態輸入單元並用以輸入該虛擬角色完整步態動作。虛擬角色的步態動作 是由兩腿以上的結構所組成，若將虛擬角色的步態運動依據其時間與空間因素進行分析， 可發現步態運動乃是兩腿的周期性循環的動作，全一組周期性的組合便稱為完整的步態動 作循環。使用者須輸入一具有完整腿部步態動作循環的動作數據，用以作為本系統虛擬角 色動作的動作來源。完整的動作循環示意圖如圖3所示。
[0054]該腿部動作分析單元是用以分析腿部動作關鍵影格。其是在接收到使用者輸 入的三維角色模型、骨架信息及步態動作的數據後，自動計算出包括左大腿根節點(Left Thigh)、左膝蓋節點(Left Knee)、左腳踝節點(Left Ankle)、一左腳趾節點(Left Toe)、右 大腿根節點(Right Thigh)、右膝蓋節點(Right Knee)、右腳踝節點(Right Ankle)及右腳 趾節點(Right Toe)的角度與坐標，用以分析腿部動作關鍵影格，其示意圖如圖4A的下半 身關鍵符號表及圖4B的腿部骨架2D視圖。
[0055]在求得腳踝與腳趾的範圍後，即可得到虛擬角色的腳掌(Foot Base)大小的信息， 用以作為判別虛擬角色腳步之用。
[0056]如圖5所示，本發明通過腳踝51與腳趾52求得的腳掌(Foot Base)大小信息，及 分析虛擬角色在進行步態動作時的腳踝與腳趾的角度與坐標變化，用以分析得到虛擬角色 進行步態的關鍵影格，關鍵影格圖6所示。由圖6中可知，關鍵影格包括以下五個階段所對 應的影格:
[0057](I)、完全站立時段(Stance time) 61:在整的步態運動過程中，腿部完全著地,此 時腿部關節中的腳踝與腳趾兩者完全接觸地面。
[0058](2)、腳抬起(Foot_lift)62:腳抬起階段,此時腳踝抬起而腳趾著地,腳踝關節角 度變化度及坐標高度皆會大腳趾。
[0059](3)、腳離地(F00t-0ff)63:腳離地階段，此時腳踝與腳趾皆離地，腳趾關節角度 及坐標高度開始趨近於腳踝。
[0060](4)、腳觸地(Foot-strike) 64:腳觸地階段，此時腳踝騰空腳趾著地，腳趾關節角 度大於腳踝，但坐標高度小於腳踝。
[0061](5)、腳著地(Foot-1and)65:腳著地階段，此時腳踝與腳趾皆著地，腳踝關節角度 及坐標高度趨近於腳趾。
[0062]實時適應地形的步態動作產生單元是接收由腿部動作分析單元所產生的關鍵影 格數據(包括抬腳、離地、觸地、及著地等關鍵影格)及虛擬角色骨架數據(包括根部、大腿、 膝蓋、腳踝及腳趾的角度及位標與行走的步伐大小等)步態參數後，依據及時腳步的狀態與 步伐的大小，由一腳步計劃器產生模擬出下一個腳步的落點。本發明接著會決定在兩點間 運動的過程中，人體運動的關鍵組態。此關鍵組態即為動畫中的關鍵影格。此關鍵組態可 能因雙腳的高度差(上坡或下坡)，而有不同的設定方式。根據關鍵組態的位置，我們便可以進一步設計關鍵格之間人體運動組態的內插方式，以得到關鍵影格之間的所有畫格。在內 插過程中，我們以貝茲曲線的方式設計懸於空中的腿的運動軌跡。通過調整曲線的控制點， 我們嘗試能為移動中的腳找到避免碰的運動軌跡。除了避碰的外，這些運動參數都必須符 合人體關節的機構學限制。在設計好一步的後，系統會自動地由腳步計劃器規劃下一步的 步伐大小(或步伐落點)，再經由相同的程序產生下一步的動作。即為未來足跡預測。
[0063]本發明所提出的腳步計劃器對於腳步計劃的步驟如圖7所示，其中，n為一次計劃 的步數。一般來說，人類行走的計劃步數一次約為二至三步(即n=2 or 3)，但若行走於平 坦路面時，計劃步數可增至4到5步；相反地，若行走於崎嶇不平的路面時，計劃步數則會減 少，以確保每一步都走在適當的位置上。本發明的計劃方式為循序式，也就是當第i步計劃 成功才會進行第i+1步的計劃；而當第i步計劃失敗，則會退回第i I步，檢查是否仍有可 行的步伐。若沒有，則再退回至第i 2步；依此類推，直到從下一步到第n步都計劃成功， 才算完成了整個腳步計劃。而在搜尋可行步伐的策略中，由於本發明未將所有可行的步伐 依步伐質量的好壞做分析排列，所以是以第一個搜尋到的可行步伐做為採用的步伐。
[0064]本發明中，虛擬角色的步態運動周期具有五個關鍵格，虛擬角色行走在不同的地 形或障礙物的環境時，因為缺少相對應的動作，故需要利用即有的關鍵格來補足這些缺少 的動作，稱的為內插。本發明是通過貝茲曲線(Bezier Curve)去產生關鍵格間的平滑軌跡， 以平滑地連接新動作與關鍵格。其示意圖如圖8A及圖SB所示。
[0065]本發明中，三維虛擬角色的步態，可隨著環境的變化而自動產生合理的動作，而本 發明的虛擬環境地形包括:平坦型、傾斜型、起伏型。並可於動態執行期間加入障礙物。
[0066]當足跡預測決定出下一步的位置位於平坦型的地形時，為了減少計算的複雜度， 腳部軌跡的計算利用行走模型各個關鍵影格的腳踝位置做為端點，將兩端點以最短距離公 式計算出來的直線軌跡做為行走模型的腳步軌跡，其示意圖如圖9所示，其中，原始腳步軌 跡為實線91，簡化後的腳步軌跡為虛線92。
[0067]當足跡預測決定出下一步的位置並不是屬於平坦型的地形，便不使用簡化軌跡來 描述腳步的移動軌跡，以避免腳與地形碰撞。因此需利用下列公式(4-1)中的貝茲曲線來 描述腳步的移動軌跡。
[0068]則/)=i(刺1-Ow-1",-1]式(4-D
mi
[0069]在計算腳步的軌跡時，本發明是以目前腳步位置以及下一步腳步位置做為貝茲曲 線的端點，另外在兩端點之間的直接連線的中取得第一四分位點、中點、第三四分位點作為 貝茲曲線控制點再將其標準化至0到I的區間內。此時包含端點及控制點的點數，將式 (4-1)展開後得到下列式(4-2)
[0070]B (t) = P0 (l_t) 4+4Pjt (l_t) 3+6P2t2 (l_t) 2+4P3t3 (l_t) +P4t4.t G [0.1]式(4~2)
[0071]當腳步軌跡與地形有碰撞時(如圖10中的線101所示)，本發明將自動調整控制 點的高度後重新計算運動軌跡直到腳步軌跡與地形之間無碰撞為止(如圖10中的線102 所示)。
[0072]圖10中，當控制點P1、P2及P3的位置調整至新的高度的時候，貝茲曲線的弧度也 跟著改變，使得腳步能夠避免碰撞且利用平滑的軌跡抬高至障礙物上方的位置。
[0073]本發明的腿部連攜移動與修正功能是用以修正腿部及關節移動的狀態，本發明的虛擬角色步態下半身運動的模擬方式，是使用反向關節運動(Inverse Kinematics; I K)的計算方式，其公式如以下公式(4-3)所示。通過反向關節運動的計算，本發明系統即可讓經由計算機模擬出的虛擬角色的步態動作符合真實人類的步態效果。
【權利要求】
1.一種虛擬角色的步態自動適應地形的系統，其特徵在於，該系統至少包括:一虛擬角色及步態輸入單元，用以提供使用者選定輸入一三維虛擬角色數據及該角色的一段完整的腿部步態運動數據做為參考動作數據；一腿部動作分析單元，用以針對該參考動作數據，計算分析腿部步態的動作循環中的腿部循環，以獲得參考動作數據的動作屬性及腿部動作的關鍵影格，並計算出該虛擬角色的腳掌長度的腿部運動參數；及一實時適應地形的步態動作產生單元，用以通過該腿部動作分析單元所分析產出的腿部運動參數，實時動態的計算及預測該虛擬角色未來行進的足跡，並通過該參考動作數據進行腿部動作的內插計算以產生適合於當下地形的步態動作，並通過一貝茲曲線計算調整虛擬角色在行進中腳底與障礙物的路徑數據，再通過反向關節運動學公式計算調整虛擬角色腿部關節的運動動作狀態。
2.根據權利要求1所述的系統，其特徵在於，該三維虛擬角色數據包括一至少包含九個腿部骨架節點的數據，其分別為:一根部節點、一左大腿根節點、一左膝蓋節點、一左腳踝節點、一左腳趾節點、一右大腿根節點、一右膝蓋節點、一右腳踝節點及一右腳趾節點，其中該左膝蓋節點、左腳踝節點、左腳趾節點、右膝蓋節點、右腳踝節點及右腳趾節點六個關節節點的自由度為1，表示此類關節只能在一個方向上轉動，其餘三個關節的自由度為3，表示此類關節可進行三個方向上的轉動。
3.根據權利要求1所述的系統`，其特徵在於，該虛擬角色完整步態動作數據是由該虛擬角色兩腿以上身體的結構所組成，該虛擬角色的步態動作依其時間與空間因素乃兩腿的周期性循環動作，完整一組周期性循環動作的組合為一完整的步態動作循環，該虛擬角色完整步態動作數據為一完整腿部步態動作循環的動作數據。
4.根據權利要求1所述的系統，其特徵在於，該腿部動作分析單元依據該參考動作數據，計算分析腿部步態的動作循環中的腿部循環，可獲得該虛擬角色的左大腿根節點、左膝蓋節點、左腳踝節點、一左腳趾節點、右大腿根節點、右膝蓋節點、右腳踝節點及右腳趾節點的角度與坐標數據，並計算該虛擬角色的腳踝與腳趾的範圍以得到虛擬角色的腳掌大小的數據，最後依據該角度與坐標數據及該腳掌大小數據，計算以獲得該虛擬角色行進步態的關鍵影格。
5.根據權利要求4所述的系統，其特徵在於，該關鍵影格為以下五個態樣其中之一:(a)、完全站立時段:在整的步態運動過程中，腿部完全著地，此時腿部關節中的腳踝與腳趾兩者完全接觸地面；(b)、腳抬起:腳抬起階段，此時腳踝抬起而腳趾著地，腳踝關節角度變化度及坐標高度皆會大腳趾；(C)、腳離地:腳離地階段，此時腳踝與腳趾皆離地，腳趾關節角度及坐標高度開始趨近於腳踝；(d)、腳觸地:腳觸地階段，此時腳踝騰空腳趾著地，腳趾關節角度大於腳踝，但坐標高度小於腳踝；(e)、腳著地:腳著地階段，此時腳踝與腳趾皆著地，腳踝關節角度及坐標高度趨近於腳趾。
6.根據權利要求1所述的系統，其特徵在於，該實時適應地形的步態動作產生單元更包括以下的模塊:(a)、一未來足跡預測模塊，該模塊使用一腳步計劃器以計算該虛擬角色行走的腳步計劃，假設n為一計劃的計劃步數，當第i步計劃成功才會進行第i+1步的計劃；而當第i步計劃失敗，則會退回第i I步，檢查是否仍有可行的步伐，若沒有，則再退回至第i 2步，直到從下一步到第n步都計劃成功，才算完成了整個腳步計劃，其中，n為整數，n大於等於i;(b)、一腿部動作影格內插計算模塊，該模塊依據該虛擬角色的步態運動周期中的五個關鍵影格，使用內插法計算該虛擬角色行走在不同的地形或障礙物的環境時所缺少相對應的步態動作，以平滑地連接該新步態動作與該關鍵影格，其中，該內插法可為貝茲曲線內差法;(C)、一足底碰撞預防模塊，當該未來足跡預測模塊預測下一步的位置位於平坦型的地形時，該虛擬角色腳部軌跡的計算是利用各個關鍵影格的腳踝位置做為端點，將兩端點以最短距離公式計算出的直線軌跡做為該虛擬角色行走的腳步軌跡，當該未來足跡預測模塊預測下一步的位置不屬於平坦型地形時，為避免該虛擬角色腳部與該不平坦地形碰撞，該足底碰撞預防模塊使用貝茲曲線計算該虛擬角色腳步的移動軌跡，該模塊以目前腳步位置以及下一步腳步位置做為貝茲曲線的端點，另外在兩端點之間的直接連線的中取得第一四分位點、中點、第三四分位點作為貝茲曲線的控制點，再將其標準化至0到I的區間內，當計算出腳步軌跡與地形有碰撞時，該模塊自動調整控制點的高度後重新計算運動軌跡直到腳步軌跡與地形之間無碰撞為止；及(d)、一腿部連攜移動與修正模塊，用以模擬該虛擬角色行進時下半身運動的狀態，模擬方式是使用反向關節運動的計算模式，其該反向關節運動公式為:
7.—種虛擬角色的步態自動適應地形的方法，其特徵在於，該方法至少包括以下的步驟:(a)、使用者選定輸入一三維虛擬角色數據及該角色的一段完整的腿部步態運動數據做為參考動作數據；使用該參考動作數據，計算分析該虛擬角色腿部步態的動作循環中的腿部循環，以獲得參考動作數據的動作屬性及腿部動作的關鍵影格，並計算出該虛擬角色的腳掌長度的腿部運動參數；及使用該多個腿部運動參數，實時動態的計算及預測該虛擬角色未來行進的足跡，並通過該參考動作數據進行腿部動作的內插計算以產生適合於當下地形的步態動作，並通過一貝茲曲線計算調整虛擬角色在行進中腳底與障礙物的路徑數據，再通過反向關節運動學公式計算調整虛擬角色腿部關節的運動動作狀態。
8.根據權利要求7所述的方法，其特徵在於，該三維虛擬角色數據包括一至少包含九個腿部骨架節點的數據，其分別為:一根部節點、一左大腿根節點、一左膝蓋節點、一左腳踝節點、一左腳趾節點、一右大腿根節點、一右膝蓋節點、一右腳踝節點及一右腳趾節點，其中該左膝蓋節點、左腳踝節點、左腳趾節點、右膝蓋節點、右腳踝節點及右腳趾節點六個關節節點的自由度為1，表示此類關節只能在一個方向上轉動，其餘三個關節的自由度為3，表示此類關節可進行三個方向上的轉動。
9.根據權利要求7所述的方法，其特徵在於，該虛擬角色完整步態動作數據是由該虛擬角色兩腿以上身體的結構所組成，該虛擬角色的步態動作依其時間與空間因素乃兩腿的周期性循環動作，完整一組周期性循環動作的組合為一完整的步態動作循環，該虛擬角色完整步態動作數據為一完整腿部步態動作循環的動作數據。
10.根據權利要求7所述的方法，其特徵在於，該腿部動作分析單元依據該參考動作數據，計算分析腿部步態的動作循環中的腿部循環，可獲得該虛擬角色的左大腿根節點、左膝蓋節點、左腳踝節點、一左腳趾節點、右大腿根節點、右膝蓋節點、右腳踝節點及右腳趾節點的角度與坐標數據，並計算該虛擬角色的腳踝與腳趾的範圍以得到虛擬角色的腳掌大小的數據，最後依據該角度與坐標數據及該腳掌大小數據，計算以獲得該虛擬角色行進步態的關鍵影格。
11.根據權利要求10所述的方法，其特徵在於，該關鍵影格為以下五個態樣的其中之(a)、完全站立時段:在整的步態運動過程中，腿部完全著地，此時腿部關節中的腳踝與腳趾兩者完全接觸地面；(b)、腳抬起:腳抬起階段，此時腳踝抬起而腳趾著地，腳踝關節角度變化度及坐標高度皆會大腳趾；(C)、腳離地:腳離地階段，此時腳踝與腳趾皆離地，腳趾關節角度及坐標高度開始趨近於腳踝；(d)、腳觸地):腳觸地階段，此時腳`踝騰空腳趾著地，腳趾關節角度大於腳踝，但坐標高度小於腳踝；(e)、腳著地:腳著地階段，此時腳踝與腳趾皆著地，腳踝關節角度及坐標高度趨近於腳趾。
12.根據權利要求7所述的方法，其特徵在於，該實時動態計算及預測該虛擬角色未來行進足跡的方法更包括以下的步驟:(a)、計算該虛擬角色行走的腳步計劃,假設n為一計劃的計劃步數,當第i步計劃成功才會進行第i+1步的計劃；而當第i步計劃失敗，則會退回第i I步，檢查是否仍有可行的步伐，若沒有，則再退回至第i 2步，直到從下一步到第n步都計劃成功，才算完成了整個腳步計劃，其中，n為整數，n大於等於i ;(b)、依據該虛擬角色的步態運動周期中的五個關鍵影格，使用內插法計算該虛擬角色行走在不同的地形或障礙物的環境時所缺少相對應的步態動作，以平滑地連接該新步態動作與該關鍵影格，其中，該內插法為貝茲曲線內差法；(C)、當預測該虛擬角色下一步的位置位於平坦型的地形時，該虛擬角色腳部軌跡的計算是利用各個關鍵影格的腳踝位置做為端點，將兩端點以最短距離公式計算出的直線軌跡做為該虛擬角色行走的腳步軌跡，當預測該虛擬角色下一步的位置不屬於平坦型地形時， 為避免該虛擬角色腳部與該不平坦地形碰撞，使用貝茲曲線計算該虛擬角色腳步的移動軌跡，計算方式是以目前腳步位置以及下一步腳步位置做為貝茲曲線的端點，另外在兩端點之間的直接連線的中取得第一四分位點、中點、第三四分位點作為貝茲曲線的控制點，再將其標準化至0到I的區間內，當計算出腳步軌跡與地形有碰撞時，自動調整控制點的高度後重新計算運動軌跡直到腳步軌跡與地形之間無碰撞為止；及(d)、模擬該虛擬角色行進時下半身運動的狀態，模擬方式是使用反向關節運動 (Inverse Kinematics; I K)的計算模式,該反向關節運動公式為:
【文檔編號】G06T13/40GK103514622SQ201210232938
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2012年7月5日 優先權日:2012年6月29日
【發明者】黃勝彥, 張瑜宏, 簡宏任 申請人:甲尚股份有限公司