實時可控步長的人體腿部連續直線走動的運動生成方法
2023-11-10 09:09:52
實時可控步長的人體腿部連續直線走動的運動生成方法
【專利摘要】本發明公開了一種實時可控步長的人體腿部連續直線走動的運動生成方法，包括步驟：一、三維人體運動建模：對虛擬人體腿部關節鏈的幾何結構進行設定，再根據Boulic走動模型的建模方法建立虛擬人體直線走動的腿部運動模型；二、單步步長序列設定：三、不同單步步長的單步運動姿勢序列確定；四、走動運動姿勢序列實時生成：根據步驟二中所設定的單步步長序列和步驟三中所確定的不同單步步長的單步運動姿勢序列，生成虛擬人體直線走動過程中的走動運動姿勢序列。本發明方法步驟簡單、設計合理且實現方便、使用效果好，能通過單步步長控制達到步長可控的目的，並能實現相鄰變化步長走動運動之間的平滑過渡。
【專利說明】
【技術領域】
[0001] 本發明屬於人體動畫製作【技術領域】，具體涉及一種實時可控步長的人體腿部連續 直線走動的運動生成方法。 實時可控步長的人體腿部連續直線走動的運動生成方法
【背景技術】
[0002] 在人體動畫製作中，一項重要任務是製作與虛擬環境相適應的虛擬人連續走動運 動。人體走動運動的動畫製作需要走動運動數據，該數據是一種具有協調特性的高維時變 數據，人工操作生成這種數據的難度非常大。一個連續走動運動可表示為：M(t) = {P(t)， T(t)}，式中M(t)表示走動運動，t表示時間，P(t)表示t時刻人體的姿勢，T(t)表示t時 刻人體的位置，T(t)由腳部支撐約束和P(t)決定，其中腳部支撐約束指的是人體走動過程 中因腳支撐位置對人體位置的約束。
[0003] 變步長人體走動運動生成方法主要有以下兩類：1)數據驅動方法：該方法需要不 同步長走動的運動數據集，該運動數據集的數據量非常大，並且該類方法適用於離線的變 步長走動運動合成；2)物理仿真方法：該方法需要以模型的初始參數（即能生成單一特定 步長的走動運動參數）為起點，然後仿真得到運動結果，根據仿真結果中的步長與目標步 長的差距反覆迭代調整模型參數並執行仿真過程，該類方法計算代價很大，並且也難以應 用於在線的實時走動運動生成。
[0004] 運動學描述方法在走動運動生成方面不考慮運動的力學因素，根據走動運動的大 量統計數據，直接描述M(t)中的人體姿勢P(t)和人體位置T(t)之間的函數關係。Boulic 等人在經驗數據的基礎上，提出了一個帶運動學的全局的人體行走的運動模型，以下簡稱 Boulic 走動模型，詳見 Ronan Boulic, Nadia Magnenat Thalmann, Daniel Thalmann 等發 表的《A global human walking model with real-time kinematic personification》一 文，發表於 The Visual Computer 1990, Volume 6，Issue 6, pp 344-358。由於 Boulic 走 動模型是一個沒有腳部支撐約束的自由走動模型，描述了 M(t% )中的P(t% )要素變化的 連續性與協調性，但缺少對人體位置要素 T(t% )的精確控制，在實際使用時存在諸多局限 性。
【發明內容】
[0005] 本發明所要解決的技術問題在於針對上述現有技術中的不足，提供一種實時可控 步長的人體腿部連續直線走動的運動生成方法，其方法步驟簡單、設計合理且實現方便、使 用效果好，能通過單步步長控制達到直線走動運動步長可控的目的。
[0006] 為解決上述技術問題，本發明採用的技術方案是：一種實時可控步長的人體腿部 連續直線走動的運動生成方法，其特徵在於該方法包括以下步驟：
[0007] 步驟一、三維人體運動建模：先通過參數設置單元對虛擬人體腿部關節鏈的幾何 結構進行設定，再根據Boulic走動模型的建模方法，採用數據處理設備建立所述虛擬人體 直線走動的腿部運動模型，所建立的腿部運動模型為Boulic走動模型；
[0008] 所述參數設置單元與所述數據處理設備相接；
[0009] 步驟二、單步步長序列設定：採用所述參數設置單元對單步步長序列進行設定，並 對所設定的單步步長序列進行同步存儲；
[0010] 所述虛擬人體直線走動過程中左腿或右腿向前邁出一步稱為單步，且左腿或右腿 向前邁出一步的步長稱為單步步長SL ;所述單步步長序列中包含N個單步步長設定值，N個 所述單步步長設定值按照時間先後順序由前至後排列；其中N為正整數且其為所述虛擬人 體直線走動過程中向前邁出的單步步數；N個所述單步步長設定值中包括η個不同數值的 單步步長設定值，其中η為正整數且η < Ν ;
[0011] 步驟三、不同單步步長的單步運動姿勢序列確定：採用所述數據處理設備先根據 步驟一中所建立Boulic走動模型，對單步步長SL與走動速度RV之間的關係進行確定；之 後，再根據所確定的單步步長SL與走動速度RV之間的關係，對η個不同數值的單步步長設 定值對應的單步運動姿勢序列分別進行確定；所述單步運動姿勢序列為所述虛擬人體向前 邁出單步過程中腿部姿勢P(t% )隨時間變化的序列；其中，t%為一個走動周期內各時刻 的相對時間且t%= 0%?100%，所述虛擬人體的左右腿分別向前邁出一步為一個所述走 動周期；
[0012] 對任一個單步步長設定值Sh對應的單步運動姿勢序列進行確定時，先根據所確 定的單步步長SL與走動速度RV之間的關係，對單步步長SL為單步步長設定值SI^_時所述 虛擬人體腿部的走動速度R'進行確定；再根據所建立Boulic走動模型中所述虛擬人體腿 部各關節的旋轉角度與走動速度RV之間的關係，對走動速度RV為走動速度R'時的單步 運動姿勢序列進行確定；其中，j為正整數且i = 1、2、"sn ;
[0013] 步驟四、走動運動姿勢序列實時生成：根據步驟二中所設定的單步步長序列和步 驟三中所確定的不同單步步長的單步運動姿勢序列，採用所述數據處理設備生成所述虛擬 人體直線走動過程中的走動運動姿勢序列；
[0014] 所述走動運動姿勢序列中包括N個單步的單步運動姿勢序列，N個單步的單步運 動姿勢序列按照時間先後順序由前至後排列。
[0015] 上述實時可控步長的人體腿部連續直線走動的運動生成方法，其特徵是：步驟二 中所述走動周期以左腳跟著地為起始點；每個所述走動周期中左腳跟著地時的相對時間 t%= 0%，右腳跟著地時的相對時間t%= 50%，左腳跟著地至左腳趾離開地面的時間段 為左腳單腳支撐階段Ds，右腳跟著地至右腳趾離開地面的時間段為右腳單腳支撐階段Ds ;
[0016] 步驟四中對所述走動運動姿勢序列進行生成時，還需採用所述數據處理設備對單 步步長設定值不同的前後相鄰兩個單步的單步運動姿勢序列進行平滑過渡處理；並且，對 單步步長設定值不同的前後相鄰兩個單步進行平滑過渡處理時，調用加權平均算法進行平 滑過渡處理；
[0017] 其中，調用所述加權平均算法對N個單步中第i個單步和第i+Ι個單步進行平滑 過渡處理時，過程如下：
[0018] 步驟401、在SQ與SLi+1之間隨機選取m個單步步長值，所選取的m個單步步長值 分別記作SlA、Sl/ 2、…、SL#m，並將所選取的m個單步步長值和SQ與SLi+1按照由大到小或 由小到大的順序進行排序；其中，SQ為第i個單步的單步步長設定值，SL i+1為第i+Ι個單 步的單步步長設定值，且SQ尹SLi+1 ;第i個單步開始時的相對時間記作，第i+Ι個單 步開始時的相對時間記作ti+1%，其中ti%= 0%或50%，ti+1%= 50%或0% ;
[0019] 步驟402、根據步驟三中所確定的單步步長SL與走動速度RV之間的關係，對單步 步長SL分別為步驟401中所選取的m個單步步長值和51^與51^ +1時所述虛擬人體腿部的走 動速度RVk進行確定，並獲得m+2個走動速度RVk，其中k為正整數且k = 0、1、2、《'm+l ;
[0020] 步驟403、根據所建立Boulic走動模型中所述虛擬人體腿部各關節的旋轉角度與 走動速度RV之間的關係，對走動速度RV分別為步驟402中所確定RV k時的單步運動姿勢 序列Pk(t% )進行確定，並獲得m+2個單步運動姿勢序列Pk(t% );
[0021] 步驟404、加權平均處理：根據公式h (t%) =[=Pk(t%)Bk. Hm(u) (14)，計算得 出平滑過渡處理後的走動運動姿勢序列Pi (t%);公式（14)中，所述走動運動姿勢序列 Pjt% )為由相對時間至ti+1%這一時間段中運動姿勢P(t% )隨時間變化的序列；函 數1\,111+1(11)為1361'118七6；[11基函數；當1^ (%=0(%且1^+1(%=50(%時，11 = 1:(%*2;當1^(% = 50 % 且 ti+1 % = 0 % 時，u = (t % -50 % ) · 2 ;
[0022] 步驟405、走動運動姿勢序列實時更新：將所述走動運動姿勢序列中第i個單步的 走動運動姿勢序列更新為步驟404中計算得出的走動運動姿勢序列Pi (t% )。
[0023] 上述實時可控步長的人體腿部連續直線走動的運動生成方法，其特徵是：步驟一 中所述腿部關節鏈包括脊柱尾部關節、左髖關節、右髖關節、左膝關節、右膝關節、左踝關 節、右踝關節、左腳趾關節和右腳趾關節；步驟一中對所述腿部關節鏈的幾何結構進行確定 時，需對所述虛擬人體的腿部骨骼寬度D1、大腿骨長度LH、小腿骨長度LL和腳骨長度L1進 行確定，其中左髖關節與右髖關節之間、左膝關節與右膝關節之間、左踝關節與右踝關節之 間以及左腳趾關節與右腳趾關節之間的間距均為D1，左踩關節與左腳趾關節之間以及右踩 關節與右腳趾關節之間的間距均為D1 ;
[0024] 步驟三中所確定的單步步長SL與走動速度RV之間的關係為：
[0025] SL = LH · [sin(565/27 · RV)+sin(30 · RV) ]+LL · [sin(790/49 · RV - 825/343)+sin(565/27 · RV+3)] (12)；
[0026] 步驟三中對任一個單步步長設定值SI^.對應的單步運動姿勢序列進行確定時，根 據公式（12)對單步步長SL為單步步長設定值SI^_時所述虛擬人體腿部的走動速度RVj進 行確定。
[0027] 上述實時可控步長的人體腿部連續直線走動的運動生成方法，其特徵是：根據公 式（12)對單步步長SL為單步步長設定值SI^_時所述虛擬人體腿部的走動速度R'進行確 定時，所述數據處理設備調用中值迭代模塊進行確定，過程如下：
[0028] 步驟301、初始值設定：令RV大=Vmax，RV小=0· 0 ;其中，Vmax為預先設定的所述 虛擬人體的最大走動速度；
[0029] 步驟302、當前走動速度確定：根據公式RV當前=(RV大+RV + V2. 0,計算得出當前 走動速度RVsli;
[0030] 步驟303、當前單步步長計算：根據公式（12)計算得出當走動速度為RVSff時的當 前單步步長SL當前；
[0031] 步驟304、判斷步驟303中計算得出的當前單步步長SLSIJ與單步步長設定值SL」 之間的差值是否大於ε。：當|SL sli-SLj|彡ε。時，令RVj = RVsli，之後進入步驟305;當 SLSIJ -SL」|> ε。時，判斷SL當前是否大於SL」，當SLstj>SLj時，令RV大=RVsli，否則令RV 小=RV當前，之後返回步驟302 ;
[0032] 其中，％為預先設定的單步步長預測誤差；
[0033] 步驟305、輸出步驟304中所確定的RV」。
[0034] 上述實時可控步長的人體腿部連續直線走動的運動生成方法，其特徵是：步驟四 中進行走動運動姿勢序列生成時，還需對人體位置序列進行確定；之後，將所確定的人體位 置序列與所述走動運動姿勢序列相結合，對所述虛擬人體直線走動過程中不同位置處的腿 部姿勢P(t% )進行確定，從而完成所述虛擬人體直線走動過程中的運動生成過程；
[0035] 所述人體位置序列為所述虛擬人體直線走動過程中的人體位置T(t% )隨時間變 化的序列；所述人體位置序列中的各人體位置T(t% )分別與所述走動運動姿勢序列中的 各腿部姿勢p(t%) -一對應；
[0036] 步驟一中所建立Boulic走動模型中腿部姿勢P(t% )所採用的坐標係為局部坐標 系L-XYZ，所述局部坐標系L-XYZ是以步驟一中所述腿部關節鏈的幾何結構的幾何中心為 坐標原點〇建立的三維直角坐標系；所述人體位置序列為所述虛擬人體直線走動過程中所 述局部坐標系L-XYZ的坐標原點0在全局坐標系G-XYZ中的位置隨時間變化的序列。
[0037] 上述實時可控步長的人體腿部連續直線走動的運動生成方法，其特徵是：所述局 部坐標系L-XYZ的坐標原點0為脊柱尾部關節所處位置點，所述局部坐標系L-XYZ以所述 虛擬人體直線走動的前進方向為Z軸，以堅直方向為Y軸。
[0038] 上述實時可控步長的人體腿部連續直線走動的運動生成方法，其特徵是：步驟二 中所述走動周期以左腳跟著地為起始點；每個所述走動周期中左腳跟著地時的相對時間 t%= 0%，右腳跟著地時的相對時間t%= 50%，左腳跟著地至左腳趾離開地面的時間段 為左腳單腳支撐階段Ds，右腳跟著地至右腳趾離開地面的時間段為右腳單腳支撐階段Ds ; 所述左腳單腳支撐階段Ds和右腳單腳支撐階段Ds都分為腳跟支撐階段Dhs和腳趾支撐階 段Dts兩個階段，腳跟支撐階段Dhs和腳趾支撐Dts之間的過渡時間點T as為腳與地面處 於平行狀態時的時間點；
[0039] 所述腳跟支撐階段Dhs和腳趾支撐Dts之間的過渡時間點T S|yhMl_ yt(J〈 ε fpg時的時間點，其中yhMl和yt(re分別為踝關節和腳趾關節在所述局部坐標系 L-XYZ中的Y軸坐標值，efpg為預先設定的腳跟和腳趾間垂直距離之差的比較閾值且 ε fpg〈0. 5cm〇
[0040] 上述實時可控步長的人體腿部連續直線走動的運動生成方法，其特徵是：步驟三 JDc 中所述單步運動姿勢序列中包括Ml個時間點的腿部姿勢P(t% )，其中式中Dc 2χΔ? 為所述走動周期的時長，At為預先設定的時間步長；步驟四中生成所述走動運動姿勢序 列後，所述數據處理設備將所述走動運動姿勢序列以圖像流形式輸出；
[0041] 對人體位置序列進行確定之前，採用所述參數設置單元對所述虛擬人體直線走動 開始時的人體初始位置進行設定；其中，人體初始位置為直線走動開始時所述坐標原點0 在全局坐標系中的G-XYZ中的三維坐標；
[0042] 對人體位置序列進行確定時，按照時間先後順序由先至後對所述虛擬人體直線走 動過程中各走動周期內左腳單腳支撐階段Ds和右腳單腳支撐階段Ds的人體位置序列分別 進行確定，所述左腳單腳支撐階段Ds的人體位置序列為左腳單腳支撐階段Ds中人體位置 T(t% )隨時間變化的序列，所述右腳單腳支撐階段Ds的人體位置序列為右腳單腳支撐階 段Ds中人體位置T(t% )隨時間變化的序列；所述左腳單腳支撐階段Ds的人體位置序列 確定方法和右腳單腳支撐階段Ds的人體位置序列確定方法相同；
[0043] 其中，對所述虛擬人體直線走動過程中任一個走動周期內左腳單腳支撐階段Ds 的人體位置序列進行確定時，過程如下：
[0044] 步驟I -1、左腳腳跟支撐階段Dhs的人體位置序列確定，包括以下步驟：
[0045] 步驟I -11、結合所述走動運動姿勢序列中當前所確定走動周期的走動運動姿勢 序列，並根據公式 APG(0LX，0LY，0LZ) =PLh(xt%，yt%，zt%) -PLh(x(t+At)%，y(t+At)%，z(t+At)%) (9-1)，計算得出當前所確定左腳腳跟支撐階段Dhs中所述坐標原點0在全局坐標系中的位 移增量 APG(0LX，0LY，0LZ);
[0046] 公式（9-1)中，PLh(xt%, yt%, zt%)和 PLh(x(t+At)%, y(t+At)%, z(t+At)%)為當前所確定 左腳腳跟支撐階段Dhs的走動運動姿勢序列中前後相鄰兩個腿部姿勢P(t% )的左踝關節 位置信息，其中為當前所確定走動周期內相對時間為t%時左踝關節在 局部坐標系L-XYZ的三維坐標值，Ρ\(χ α+Δ?)%，y(t+At)%，z(t+At)%)為當前所確定走動周期內 相對時間為（t+Λ t) %時左踝關節在局部坐標系L-XYZ的三維坐標值；
[0047] 步驟I -12、根據步驟I -11中計算得出的當前所確定左腳腳跟支撐階段Dhs中所 述坐標原點〇在全局坐標系中的位移增量APlOm 〇"，(\z)，並結合所述人體初始位置，對 當前所確定左腳腳跟支撐階段Dhs的人體位置序列進行確定；
[0048] 步驟I -2、左腳腳趾支撐階段Dts的人體位置序列確定，包括以下步驟：
[0049] 步驟I -21、結合所述走動運動姿勢序列中當前所確定走動周期的走動運動姿勢 序列，並根據公式 Λ Pe (〇LX，〇LY，〇LZ) = P\ (Xt %，yt %，zt% ) - Ρ\ (X (t+ Δ t) % ? y (t+ Δ t) % ? Z (t+ At)%) (9-2)，計算得出當前所確定左腳腳趾支撐階段Dts中所述坐標原點0在全局坐標系中的位 移增量 APG(0LX，0LY，0LZ);
[0050] 公式（9-2)中，PLt(xt%, yt%, zt%)和 PLt(x(t+At)%, y(t+At)%, z(t+At)%)為當前所確定 左腳腳趾支撐階段Dts的走動運動姿勢序列中前後相鄰兩個腿部姿勢P(t% )的左腳趾關 節位置信息，其中P\(xt%，yt%，zt%)為當前所確定走動周期內相對時間為t%時左腳趾關 節在局部坐標系L-XYZ的三維坐標值，P\(x (t+At)%，y(t+At)%，z(t+At)%)為當前所確定走動周 期內相對時間為（t+At) %時左腳趾關節在局部坐標系L-XYZ的三維坐標值；
[0051] 步驟I -22、根據步驟I -21中計算得出的當前所確定左腳腳趾支撐階段Dts中所 述坐標原點〇在全局坐標系中的位移增量Λ 0((^，〇w，0J，並結合所述人體初始位置和該 走動周期內左腳腳跟支撐階段Dhs的人體位置序列，對當前所確定左腳腳趾支撐階段Dts 的人體位置序列進行確定；
[0052] 對所述虛擬人體直線走動過程中任一個走動周期內右腳單腳支撐階段Ds的人體 位置序列進行確定時，過程如下：
[0053] 步驟II -1、右腳腳跟支撐階段Dhs的人體位置序列確定，包括以下步驟：
[0054] 步驟II -11、結合所述走動運動姿勢序列中當前所確定走動周期的走動運動姿勢 序列，並根據公式 Λ pe (〇u，〇"，cy = PKh (Xt %，yt %，Zt% ) - PKh (X (t+ Δ t) % ? y (t+ Δ t) % ? Z (t+ At)%) (9-3)，計算得出當前所確定右腳腳跟支撐階段Dhs中所述坐標原點0在全局坐標系中的位 移增量 apg(olx，oly，olz);
[0055] 公式（9-3)中，PKh(xt%，yt%，zt%)和 PKh(x(t+At)%，y(t+At) %，z(t+At)%)為當前所 確定右腳腳跟支撐階段Dhs的走動運動姿勢序列中前後相鄰兩個腿部姿勢P(t% )， P\(xt%，yt%，zt%)為當前所確定走動周期內相對時間為t %時右踝關節在局部坐標系 L-XYZ的三維坐標值，PKh(X(t+At)%，y(t+At)%， Z(t+At)%)為當前所確定走動周期內相對時間為 (t+Λ t) %時右踝關節在局部坐標系L-XYZ的三維坐標值；
[0056] 步驟II -12、根據步驟II -11中計算得出的當前所確定右腳腳跟支撐階段Dhs中所 述坐標原點〇在全局坐標系中的位移增量Λ 0((^，〇w，0J，並結合所述人體初始位置和該 走動周期內左腳單腳支撐階段Ds的人體位置序列，對當前所確定右腳腳跟支撐階段Dhs的 人體位置序列進行確定；
[0057] 步驟II -2、右腳腳趾支撐階段Dts的人體位置序列確定，包括以下步驟：
[0058] 步驟II -21、結合所述走動運動姿勢序列中當前所確定走動周期的走動運動姿勢 序列，並根據公式 Λ Pe (〇LX，〇LY，〇LZ) = P\ (Xt %，yt %，zt% ) - Ρ\ (X (t+ Δ t) % ? y (t+ Δ t) % ? Z (t+ At)%) (9-4)，計算得出當前所確定右腳腳趾支撐階段Dts中所述坐標原點0在全局坐標系中的位 移增量 APG(0LX，0LY，0LZ); 右腳腳趾支撐階段Dts的走動運動姿勢序列中前後相鄰兩個腿部姿勢P(t% )的右腳趾關 節位置信息，其中P\(xt%，yt%，zt%)為當前所確定走動周期內相對時間為t%時右腳趾關 節在局部坐標系L-XYZ的三維坐標值，P\(x (t+At)%，y(t+At)%，z(t+At)%)為當前所確定走動周 期內相對時間為（t+At) %時右腳趾關節在局部坐標系L-XYZ的三維坐標值；
[0060] 步驟II -22、根據步驟II -21中計算得出的當前所確定右腳腳趾支撐階段Dts中所 述坐標原點〇在全局坐標系中的位移增量Λ PlOm 〇w，0J，並結合所述人體初始位置和該 走動周期內右腳腳跟支撐階段Dhs的人體位置序列，對當前所確定右腳腳趾支撐階段Dts 的人體位置序列進行確定。
[0061] 上述實時可控步長的人體腿部連續直線走動的運動生成方法，其特徵是：步驟 二中對單步步長序列進行設定時，先根據路況對所述虛擬人體直線走動過程中N個單 步開始時的腿部設計姿勢P #分別進行確定；之後，再根據N個單步開始時的腿部設計姿 勢P%對N個單步步長設定值的估計值SL#進行確定；然後，根據公式SL s= SI/+ Λ = (1+k) 41/(11-1)，計算得出N個單步的單步步長設定值，公式（11-1)中SLs為單步步長設 定值，k = (0. 001?0. 002) X (LH+LL)，其中LH和LL分別為所述虛擬人體的大腿骨長度和 小腿骨長度且二者的單位均為m ;各單步開始時的相對時間t%= 0%或50% ;
[0062] 其中，根據腿部設計姿勢P#對單步步長設定值的估計值SI；進行確定時，將當前所 確定單步開始時的腿部設計姿勢P #中左右腳跟之間的距離作為估計值SL'
[0063] 上述實時可控步長的人體腿部連續直線走動的運動生成方法，其特徵是：根據N 個單步開始時的腿部設計姿勢P%對N個單步步長設定值的估計值SI；進行確定時，根據公 式SL#= |ρ\(ο,ο，ζ)1εη-ρ\(ο,ο，ζυ (10)進行確定，公式（10)中SI；為當前所確定單 步開始時的腿部設計姿勢Ρ#中左右腳跟之間的距離，Ρ\(〇, 0, Z)left和Ρ\(〇, 0, Z)&ht分別為 當前所確定單步開始時的腿部設計姿勢P#中左踝關節和右踝關節在所述局部坐標系L-XYZ 中的三維坐標。
[0064] 本發明與現有技術相比具有以下優點：
[0065] 1、方法步驟簡單、設計合理且實現方便、使用效果好。
[0066] 2、能對單步步長進行精確控制，且能通過單步步長控制達到直線走動運動步長可 控的目的，具體是根據走動過程中的單步步長求解對應直線走動運動的單步運動姿勢序 列，並且能實現單步步長連續可變，從而能更好地適應由於虛擬環境變化導致走動時單步 步長與步數變化條件下的人體動畫製作，對人體動畫製作具有實用價值。
[0067] 3、能同時對直線走動運動過程中的人體位置序列進行確定，由於所建立Boulic 走動模型中腿部姿勢p(t% )所採用的坐標係為局部坐標系L-XYZ，人體位置序列為虛擬人 體直線走動過程中局部坐標系L-XYZ的坐標原點0在全局坐標系G-XYZ中的位置隨時間變 化的序列。這樣，採用本發明所公開的技術方案，能克服現有Boulic走動模型存在的缺少 對M(t% )中的人體位置T(t% )這一要素的精確描述，走動時存在腳與虛擬地面間的滑動 問題。
[0068] 4、將左腳單腳支撐階段Ds和右腳單腳支撐階段Ds都分為腳跟支撐階段Dhs和腳 趾支撐階段Dts兩個階段，腳跟支撐階段Dhs和腳趾支撐Dts之間的過渡時間點T as為腳 與地面處於平行狀態時的時間點，通過對腳跟支撐階段Dhs和腳趾支撐階段Dts兩個階段 的人體位置序列進行確定，能有效解決腳與地面非滑動約束問題，並且所確定的人體位置 序列數據準確、可靠，且確定方法簡單、實現方便。
[0069] 5、能處理相鄰變化步長走動運動之間的平滑過渡，並且所採用的平滑過渡處理方 法簡單、實現方便且使用效果好，能夠有效保證相鄰不同步長走動運動的平滑過渡，能實時 生成人體腿部連續直線走動運動，並且能夠精確控制單步步長。因而，在已知直線走動距離 條件下，能夠完成走動步長與走動步數的實時規劃，能夠完成腿部直線走動運動的實時生 成。實際進行相鄰不同單步步長走動的平滑過渡處理時，採用具有保邊界特性的Bezier曲 線的姿勢加權平均算法進行處理，能夠實時生成具有可控連續變化步長特性的人體腿部連 續直線走動運動，並能夠解決已知步長序列條件下的連續直線走動運動的實時生成；同時， 在已知直線走動距離條件下，能完成走動步長與走動步數的實時規劃，並完成走動運動的 實時生成。
[0070] 6、使用效果好且實用價值高，建立在一個無約束走動運動描述模型（Boulic走動 模型）的基礎上，通過對連續直線走動運動過程中的單步步長進行精確控制，並對不同單 步步長腿部走動運動之間進行平滑過渡，同時對人體位置序列進行確定，實時生成變步長 腿部連續直線走動運動M(t) = {P(t)、T(t)}。所採用的中值迭代算法的收斂速度快，能夠 保證根據給定的目標單步步長實時地計算得出對應目標走動速度；同時，通過基於Bezier 曲線的加權平均處理能實時產生加權平均後的運動姿勢序列，結合腳與地面非滑動約束方 法（即公式（11-1)和步驟I -1、步驟I -2、步驟II-1和步驟II-2中所述的方法）可以實 時生成可控步長的腿部連續直線走動運動M(t)。
[0071] 7、適用面廣，不僅適用於製作單獨的腿部走動運動動畫，還可推廣應用到其它部 位的運動動畫生成。
[0072] 下面通過附圖和實施例，對本發明的技術方案做進一步的詳細描述。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0073] 圖1為本發明的方法流程框圖。
[0074] 圖1-1為Boulic走動模型中人體連續直線走動的單個走動周期的時間-空間結 構示意圖。
[0075] 圖1-2為本發明中人體連續直線走動的單個走動周期的時間-空間結構示意圖。
[0076] 圖2-1為Boulic走動模型中人體腿部關節鏈的X軸-Y軸局部坐標系示意圖。
[0077] 圖2-2為Boulic走動模型中人體腿部關節鏈的Y軸-Z軸局部坐標系示意圖。
[0078] 圖3為Boulic走動模型中髖關節在單個走動周期內的旋轉角度變化示意圖。
[0079] 圖4-1為Boulic走動模型中單個走動周期內髖關節的3個關鍵點的相對時間t % 隨走動速度RV變化的變化關係示意圖。
[0080] 圖4-2為Boulic走動模型中單個走動周期內髖關節的3個關鍵點的旋轉角度Θ 隨走動速度RV變化的變化關係示意圖。
[0081] 圖5-1為Boulic走動模型中單個走動周期內膝關節的4個關鍵點的相對時間t% 隨走動速度RV變化的變化關係示意圖。
[0082] 圖5-2為Boulic走動模型中單個走動周期內膝關節的4個關鍵點的旋轉角度Θ 隨走動速度RV變化的變化關係示意圖。
[0083] 圖6-1為Boulic走動模型中單個走動周期內踝關節的5個關鍵點的相對時間t% 隨走動速度RV變化的變化關係示意圖。
[0084] 圖6-2為Boulic走動模型中單個走動周期內踝關節的5個關鍵點的旋轉角度Θ 隨走動速度RV變化的變化關係示意圖。
[0085] 圖7為本發明單腳支撐階段中由腳跟支撐階段向腳趾支撐階段過渡時的支撐過 渡示意圖。
[0086] 圖8為本發明在一個走動周期內且相對時間為50 %時的單步步長確定示意圖。 [0087] 圖9為本發明對相鄰變化步長走動運動之間進行平滑過渡處理時的運動姿勢加 權平均不意圖。
[0088] 圖10為本發明所生成的變步長連續直線走動運動的示意圖。
【具體實施方式】
[0089] 如圖1所示的一種實時可控步長的人體腿部連續直線走動的運動生成方法，包括 以下步驟：
[0090] 步驟一、三維人體運動建模：先通過參數設置單元對虛擬人體腿部關節鏈的幾何 結構進行設定，再根據Boulic走動模型的建模方法，採用數據處理設備建立所述虛擬人體 直線走動的腿部運動模型，所建立的腿部運動模型為Boulic走動模型。
[0091] 所述參數設置單元與所述數據處理設備相接。
[0092] 本實施例中，步驟一中所述腿部關節鏈包括脊柱尾部關節、左髖關節、右髖關節、 左膝關節、右膝關節、左踩關節、右踩關節、左腳趾關節和右腳趾關節，詳見圖2-1和圖2-2。 [0093] 並且，步驟一中對所述腿部關節鏈的幾何結構進行確定時，需對所述虛擬人體的 腿部骨骼寬度D1、大腿骨長度LH、小腿骨長度LL和腳骨長度L1進行確定，其中左髖關節與 右髖關節之間、左膝關節與右膝關節之間、左踝關節與右踝關節之間以及左腳趾關節與右 腳趾關節之間的間距均為D1，左踩關節與左腳趾關節之間以及右踩關節與右腳趾關節之間 的間距均為Dl。
[0094] 步驟二、單步步長序列設定：採用所述參數設置單元對單步步長序列進行設定，並 對所設定的單步步長序列進行同步存儲。
[0095] 所述虛擬人體直線走動過程中左腿或右腿向前邁出一步稱為單步，且左腿或右腿 向前邁出一步的步長稱為單步步長SL ;所述單步步長序列中包含N個單步步長設定值，N個 所述單步步長設定值按照時間先後順序由前至後排列；其中N為正整數且其為所述虛擬人 體直線走動過程中向前邁出的單步步數；N個所述單步步長設定值中包括η個不同數值的 單步步長設定值，其中η為正整數且η < Ν。其中，Ν與單步步長SL和所述虛擬人體直線運 動的路程長短有關。
[0096] 步驟三、不同單步步長的單步運動姿勢序列確定：採用所述數據處理設備先根據 步驟一中所建立Boulic走動模型，對單步步長SL與走動速度RV之間的關係進行確定；之 後，再根據所確定的單步步長SL與走動速度RV之間的關係，對η個不同數值的單步步長設 定值對應的單步運動姿勢序列分別進行確定；所述單步運動姿勢序列為所述虛擬人體向前 邁出單步過程中腿部姿勢P(t% )隨時間變化的序列；其中，t%為一個走動周期內各時刻 的相對時間且t%= 0%?100%，所述虛擬人體的左右腿分別向前邁出一步為一個所述走 動周期，其中所述走動周期為Dc。
[0097] 對任一個單步步長設定值SI^_對應的單步運動姿勢序列進行確定時，先根據所確 定的單步步長SL與走動速度RV之間的關係，對單步步長SL為單步步長設定值SI^_時所述 虛擬人體腿部的走動速度R'進行確定；再根據所建立Boulic走動模型中所述虛擬人體腿 部各關節的旋轉角度與走動速度RV之間的關係，對走動速度RV為走動速度R'時的單步 運動姿勢序列進行確定；其中，j為正整數且i = 1、2、"^η。
[0098] 步驟四、走動運動姿勢序列實時生成：根據步驟二中所設定的單步步長序列和步 驟三中所確定的不同單步步長的單步運動姿勢序列，採用所述數據處理設備生成所述虛擬 人體直線走動過程中的走動運動姿勢序列。
[0099] 所述走動運動姿勢序列中包括Ν個單步的單步運動姿勢序列，Ν個單步的單步運 動姿勢序列按照時間先後順序由前至後排列。
[0100] 此處，相對時間
【權利要求】
1. 一種實時可控步長的人體腿部連續直線走動的運動生成方法，其特徵在於該方法包 括以下步驟： 步驟一、三維人體運動建模：先通過參數設置單元對虛擬人體腿部關節鏈的幾何結構 進行設定，再根據Boulic走動模型的建模方法，採用數據處理設備建立所述虛擬人體直線 走動的腿部運動模型，所建立的腿部運動模型為Boulic走動模型； 所述參數設置單元與所述數據處理設備相接； 步驟二、單步步長序列設定：採用所述參數設置單元對單步步長序列進行設定，並對所 設定的單步步長序列進行同步存儲； 所述虛擬人體直線走動過程中左腿或右腿向前邁出一步稱為單步，且左腿或右腿向前 邁出一步的步長稱為單步步長SL ;所述單步步長序列中包含N個單步步長設定值，N個所述 單步步長設定值按照時間先後順序由前至後排列；其中N為正整數且其為所述虛擬人體直 線走動過程中向前邁出的單步步數；N個所述單步步長設定值中包括η個不同數值的單步 步長設定值，其中η為正整數且η < Ν ; 步驟三、不同單步步長的單步運動姿勢序列確定：採用所述數據處理設備先根據步驟 一中所建立Boulic走動模型，對單步步長SL與走動速度RV之間的關係進行確定；之後，再 根據所確定的單步步長SL與走動速度RV之間的關係，對η個不同數值的單步步長設定值 對應的單步運動姿勢序列分別進行確定；所述單步運動姿勢序列為所述虛擬人體向前邁出 單步過程中腿部姿勢P(t% )隨時間變化的序列；其中，t%為一個走動周期內各時刻的相 對時間且t%= 0%?100%,所述虛擬人體的左右腿分別向前邁出一步為一個所述走動周 期； 對任一個單步步長設定值SI^_對應的單步運動姿勢序列進行確定時，先根據所確定的 單步步長SL與走動速度RV之間的關係，對單步步長SL為單步步長設定值Sh時所述虛擬 人體腿部的走動速度R'進行確定；再根據所建立Boulic走動模型中所述虛擬人體腿部各 關節的旋轉角度與走動速度RV之間的關係，對走動速度RV為走動速度R'時的單步運動 姿勢序列進行確定；其中，j為正整數且i = 1、2、···、!!； 步驟四、走動運動姿勢序列實時生成：根據步驟二中所設定的單步步長序列和步驟三 中所確定的不同單步步長的單步運動姿勢序列，採用所述數據處理設備生成所述虛擬人體 直線走動過程中的走動運動姿勢序列； 所述走動運動姿勢序列中包括N個單步的單步運動姿勢序列，N個單步的單步運動姿 勢序列按照時間先後順序由前至後排列。
2. 按照權利要求1所述的實時可控步長的人體腿部連續直線走動的運動生成方法，其 特徵在於：步驟二中所述走動周期以左腳跟著地為起始點；每個所述走動周期中左腳跟著 地時的相對時間t%= 0%，右腳跟著地時的相對時間t%= 50%，左腳跟著地至左腳趾離 開地面的時間段為左腳單腳支撐階段Ds，右腳跟著地至右腳趾離開地面的時間段為右腳單 腳支撐階段Ds ; 步驟四中對所述走動運動姿勢序列進行生成時，還需採用所述數據處理設備對單步步 長設定值不同的前後相鄰兩個單步的單步運動姿勢序列進行平滑過渡處理；並且，對單步 步長設定值不同的前後相鄰兩個單步進行平滑過渡處理時，調用加權平均算法進行平滑過 渡處理； 其中，調用所述加權平均算法對N個單步中第i個單步和第i+1個單步進行平滑過渡 處理時，過程如下： 步驟401、在SQ與SLi+1之間隨機選取m個單步步長值，所選取的m個單步步長值分別 記作SlA、Sl/2、…、SL#m，並將所選取的m個單步步長值和SQ與SLi+1按照由大到小或由小 到大的順序進行排序；其中，SQ為第i個單步的單步步長設定值，SL i+1為第i+Ι個單步的 單步步長設定值，且SLi尹SLi+1 ;第i個單步開始時的相對時間記作h%，第i+Ι個單步開 始時的相對時間記作ti+1%，其中&%= 0%或50%，ti+1%= 50%或0% ; 步驟402、根據步驟三中所確定的單步步長SL與走動速度RV之間的關係，對單步步長 SL分別為步驟401中所選取的m個單步步長值和SQ與SLi+1時所述虛擬人體腿部的走動 速度RV k進行確定，並獲得m+2個走動速度RVk，其中k為正整數且k = 0、1、2、《'm+l ; 步驟403、根據所建立Boulic走動模型中所述虛擬人體腿部各關節的旋轉角度與走動 速度RV之間的關係，對走動速度RV分別為步驟402中所確定RVk時的單步運動姿勢序列 Pk(t% )進行確定，並獲得m+2個單步運動姿勢序列Pk(t% ); 步驟404、加權平均處理：根據公式？1 (t%) =；^=Pk(t%)Bk. m+1(u) (14)，計算得 出平滑過渡處理後的走動運動姿勢序列Pi (t%);公式（14)中，所述走動運動姿勢序列 Pjt% )為由相對時間至ti+1%這一時間段中運動姿勢P(t% )隨時間變化的序列；函 數1\,111+1(11)為1361'118七6；[11基函數；當1^(%=0 (%且1^+1(%=50(%時，11 = 1:(%*2;當1^(% = 50 % 且 ti+1 % = 0 % 時，u = (t % -50 % ) · 2 ; 步驟405、走動運動姿勢序列實時更新：將所述走動運動姿勢序列中第i個單步的走動 運動姿勢序列更新為步驟404中計算得出的走動運動姿勢序列Pjt% )。
3. 按照權利要求1或2所述的實時可控步長的人體腿部連續直線走動的運動生成方 法，其特徵在於：步驟一中所述腿部關節鏈包括脊柱尾部關節、左髖關節、右髖關節、左膝關 節、右膝關節、左踩關節、右踩關節、左腳趾關節和右腳趾關節；步驟一中對所述腿部關節鏈 的幾何結構進行確定時，需對所述虛擬人體的腿部骨骼寬度D1、大腿骨長度LH、小腿骨長 度LL和腳骨長度L1進行確定，其中左髖關節與右髖關節之間、左膝關節與右膝關節之間、 左踩關節與右踩關節之間以及左腳趾關節與右腳趾關節之間的間距均為D1，左踩關節與左 腳趾關節之間以及右踩關節與右腳趾關節之間的間距均為D1 ; 步驟三中所確定的單步步長SL與走動速度RV之間的關係為： SL = LH · [sin(565/27 · RV)+sin (30 · RV)]+LL · [sin (790/49 · RV -825/343)+sin(565/27 · RV+3)] (12)； 步驟三中對任一個單步步長設定值sh對應的單步運動姿勢序列進行確定時，根據公 式（12)對單步步長SL為單步步長設定值SI^_時所述虛擬人體腿部的走動速度R'進行確 定。
4. 按照權利要求3所述的實時可控步長的人體腿部連續直線走動的運動生成方法，其 特徵在於：根據公式（12)對單步步長SL為單步步長設定值SI^_時所述虛擬人體腿部的走 動速度R'進行確定時，所述數據處理設備調用中值迭代模塊進行確定，過程如下： 步驟301、初始值設定：令RV±= Vmax，RVd、= 0. 0 ;其中，Vmax為預先設定的所述虛擬 人體的最大走動速度； 步驟302、當前走動速度確定：根據公式RVsli= (RVt+RVi)/^. 0,計算得出當前走動 速度RV當υ ; 步驟303、當前單步步長計算：根據公式（12)計算得出當走動速度為RVSff時的當前單 SL· 當前； 步驟304、判斷步驟303中計算得出的當前單步步長SLSIJ與單步步長設定值Sh之間 的差值是否大於ε。：當|SLstj-SLj|彡ε。時，令RVj = RVsli，之後進入步驟305;當|SL 當前-SLj|> ε 0時，判斷SL當前是否大於SLj，當SL當前〉SLj時，令RV大=RV當前，否則令RV小= RV當前，之後返回步驟302 ; 其中，％為預先設定的單步步長預測誤差； 步驟305、輸出步驟304中所確定的RVJt)
5. 按照權利要求1所述的實時可控步長的人體腿部連續直線走動的運動生成方法，其 特徵在於：步驟四中進行走動運動姿勢序列生成時，還需對人體位置序列進行確定；之後， 將所確定的人體位置序列與所述走動運動姿勢序列相結合，對所述虛擬人體直線走動過程 中不同位置處的腿部姿勢P(t% )進行確定，從而完成所述虛擬人體直線走動過程中的運 動生成過程； 所述人體位置序列為所述虛擬人體直線走動過程中的人體位置T(t% )隨時間變化的 序列；所述人體位置序列中的各人體位置T(t% )分別與所述走動運動姿勢序列中的各腿 部姿勢P(t% )--對應； 步驟一中所建立Boulic走動模型中腿部姿勢P(t% )所採用的坐標係為局部坐標系 L-XYZ，所述局部坐標系L-XYZ是以步驟一中所述腿部關節鏈的幾何結構的幾何中心為坐 標原點〇建立的三維直角坐標系；所述人體位置序列為所述虛擬人體直線走動過程中所述 局部坐標系L-XYZ的坐標原點0在全局坐標系G-XYZ中的位置隨時間變化的序列。
6. 按照權利要求5所述的實時可控步長的人體腿部連續直線走動的運動生成方法，其 特徵在於：所述局部坐標系L-XYZ的坐標原點0為脊柱尾部關節所處位置點，所述局部坐標 系L-XYZ以所述虛擬人體直線走動的前進方向為Z軸，以堅直方向為Y軸。
7. 按照權利要求5或6所述的實時可控步長的人體腿部連續直線走動的運動生成方 法，其特徵在於：步驟二中所述走動周期以左腳跟著地為起始點；每個所述走動周期中左 腳跟著地時的相對時間t%= 0%，右腳跟著地時的相對時間t%= 50%，左腳跟著地至左 腳趾離開地面的時間段為左腳單腳支撐階段Ds，右腳跟著地至右腳趾離開地面的時間段為 右腳單腳支撐階段Ds ;所述左腳單腳支撐階段Ds和右腳單腳支撐階段Ds都分為腳跟支撐 階段Dhs和腳趾支撐階段Dts兩個階段，腳跟支撐階段Dhs和腳趾支撐Dts之間的過渡時 間點T as為腳與地面處於平行狀態時的時間點； 所述腳跟支撐階段Dhs和腳趾支撐Dts之間的過渡時間點Tas為| yhMl - yt(J〈 ε fpg時 的時間點，其中yhMl和yt。。分別為踝關節和腳趾關節在所述局部坐標系L-XYZ中的Y軸坐 標值，e fpg為預先設定的腳跟和腳趾間垂直距離之差的比較閾值且ε?Μ〈〇. 5cm。
8. 按照權利要求7所述的實時可控步長的人體腿部連續直線走動的運動生成方法，其 特徵在於：步驟三中所述單步運動姿勢序列中包括Ml個時間點的腿部姿勢P(t% )，其中
式中Dc為所述走動周期的時長，△ t為預先設定的時間步長；步驟四中生成所 述走動運動姿勢序列後，所述數據處理設備將所述走動運動姿勢序列以圖像流形式輸出； 對人體位置序列進行確定之前，採用所述參數設置單元對所述虛擬人體直線走動開始 時的人體初始位置進行設定；其中，人體初始位置為直線走動開始時所述坐標原點0在全 局坐標系中的G-XYZ中的三維坐標； 對人體位置序列進行確定時，按照時間先後順序由先至後對所述虛擬人體直線走動 過程中各走動周期內左腳單腳支撐階段Ds和右腳單腳支撐階段Ds的人體位置序列分別 進行確定，所述左腳單腳支撐階段Ds的人體位置序列為左腳單腳支撐階段Ds中人體位置 T(t% )隨時間變化的序列，所述右腳單腳支撐階段Ds的人體位置序列為右腳單腳支撐階 段Ds中人體位置T(t % )隨時間變化的序列；所述左腳單腳支撐階段Ds的人體位置序列 確定方法和右腳單腳支撐階段Ds的人體位置序列確定方法相同； 其中，對所述虛擬人體直線走動過程中任一個走動周期內左腳單腳支撐階段Ds的人 體位置序列進行確定時，過程如下： 步驟I -1、左腳腳跟支撐階段Dhs的人體位置序列確定，包括以下步驟： 步驟I -11、結合所述走動運動姿勢序列中當前所確定走動周期的走動運動姿勢序列， 並根據公式 δ p (0LX, 0LY, 0LZ) -p h(xt%，yt%，zt%) _ p h(χα+Δt) %，y(t+Δt) %，z(t+Δt)%) (9_ι)， 計算得出當前所確定左腳腳跟支撐階段Dhs中所述坐標原點0在全局坐標系中的位移增量 APg(〇lx,〇ly,〇lz)； 公式（9-1)中,？\匕％^%，2以）和卩1^0^) %，70^)%，20^)%)為當前所確定左腳 腳跟支撐階段Dhs的走動運動姿勢序列中前後相鄰兩個腿部姿勢P(t % )的左踝關節位置 信息，其中為當前所確定走動周期內相對時間為t%時左踝關節在局部 坐標系L-XYZ的三維坐標值，Ρ\ (X(t+Δ t) %，y (t+Δ t) %，z (t+Δ t) % )為當前所確定走動周期內相對 時間為（t+At) %時左踝關節在局部坐標系L-XYZ的三維坐標值； 步驟I -12、根據步驟I -11中計算得出的當前所確定左腳腳跟支撐階段Dhs中所述坐 標原點0在全局坐標系中的位移增量△PlOu，〇"，(\z)，並結合所述人體初始位置，對當前 所確定左腳腳跟支撐階段Dhs的人體位置序列進行確定； 步驟I -2、左腳腳趾支撐階段Dts的人體位置序列確定，包括以下步驟： 步驟I -21、結合所述走動運動姿勢序列中當前所確定走動周期的走動運動姿勢序列， 並根據公式 Λ PG (〇LX，〇LY，〇LZ) = P\ (Xt%，yt%，zt% ) _ P t (X(t+A t) % , y (t+Δ t) % , Z (t+Δ t) % ) (9_2)， 計算得出當前所確定左腳腳趾支撐階段Dts中所述坐標原點0在全局坐標系中的位移增量 apg(olx,oly,olz)； 腳趾支撐階段Dts的走動運動姿勢序列中前後相鄰兩個腿部姿勢P(t% )的左腳趾關節位 置信息，其中P\(xt%，yt%，zt%)為當前所確定走動周期內相對時間為t%時左腳趾關節在 局部坐標系L-XYZ的三維坐標值，P\ (x(t+At)%，y(t+At)%，z(t+At)% )為當前所確定走動周期內 相對時間為（t+At) %時左腳趾關節在局部坐標系L-XYZ的三維坐標值； 步驟I -22、根據步驟I -21中計算得出的當前所確定左腳腳趾支撐階段Dts中所述坐 標原點〇在全局坐標系中的位移增量Λ 0((^，〇w，OJ，並結合所述人體初始位置和該走動 周期內左腳腳跟支撐階段Dhs的人體位置序列，對當前所確定左腳腳趾支撐階段Dts的人 體位置序列進行確定； 對所述虛擬人體直線走動過程中任一個走動周期內右腳單腳支撐階段Ds的人體位置 序列進行確定時，過程如下： 步驟II -1、右腳腳跟支撐階段Dhs的人體位置序列確定，包括以下步驟： 步驟II -11、結合所述走動運動姿勢序列中當前所確定走動周期的走動運動姿勢序列， 並根據公式 Λ Pe (〇?Χ，〇?Υ，cy = PKh(xt%，yt%，zt%) - PKh (X (t+Δ t) % > y (t+Δ t) % > Z (t+Δ t) % ) (9_3), 計算得出當前所確定右腳腳跟支撐階段Dhs中所述坐標原點0在全局坐標系中的位移增量 apg(olx,oly,olz)； 公式（9-3)中，PKh(xt%, yt%, zt%)和PKh(x(t+At)%, y(t+At)%, z(t+At)%)為當前所確定右腳腳 跟支撐階段Dhs的走動運動姿勢序列中前後相鄰兩個腿部姿勢P (t % )，PKh(xt%，yt%，zt%) 為當前所確定走動周期內相對時間為t%時右踝關節在局部坐標系L-XYZ的三維坐標值， P h (X(t+A t) %，y (t+Δ t) %，Z (t+Δ t) % )為當前所確定走動周期內相對時間為（t+At)%時右踝關節 在局部坐標系L-XYZ的三維坐標值； 步驟II -12、根據步驟II -11中計算得出的當前所確定右腳腳跟支撐階段Dhs中所述坐 標原點〇在全局坐標系中的位移增量Λ 0((^，〇w，0J，並結合所述人體初始位置和該走動 周期內左腳單腳支撐階段Ds的人體位置序列，對當前所確定右腳腳跟支撐階段Dhs的人體 位置序列進行確定； 步驟II -2、右腳腳趾支撐階段Dts的人體位置序列確定，包括以下步驟： 步驟II -21、結合所述走動運動姿勢序列中當前所確定走動周期的走動運動姿勢序列， 並根據公式 APg(0lx，0ly，0lz) =PLt(xt%，yt%，zt%) -PLt(x(t+At)%，y(t+At)%，z(t+At)%)(9-4)， 計算得出當前所確定右腳腳趾支撐階段Dts中所述坐標原點0在全局坐標系中的位移增量 APg(〇lx,〇ly,〇lz)； 腳趾支撐階段Dts的走動運動姿勢序列中前後相鄰兩個腿部姿勢P(t% )的右腳趾關節位 置信息，其中P\ (xt%，yt%，zt%)為當前所確定走動周期內相對時間為t%時右腳趾關節在 局部坐標系L-ΧΥΖ的三維坐標值，P\ (x(t+At)%，y(t+At)%，z(t+At)% )為當前所確定走動周期內 相對時間為（t+At) %時右腳趾關節在局部坐標系L-XYZ的三維坐標值； 步驟II -22、根據步驟II -21中計算得出的當前所確定右腳腳趾支撐階段Dts中所述坐 標原點〇在全局坐標系中的位移增量Λ 0((^，〇w，OJ，並結合所述人體初始位置和該走動 周期內右腳腳跟支撐階段Dhs的人體位置序列，對當前所確定右腳腳趾支撐階段Dts的人 體位置序列進行確定。
9.按照權利要求1或2所述的實時可控步長的人體腿部連續直線走動的運動生成方 法，其特徵在於：步驟二中對單步步長序列進行設定時，先根據路況對所述虛擬人體直線走 動過程中N個單步開始時的腿部設計姿勢P #分別進行確定；之後，再根據N個單步開始時 的腿部設計姿勢P%對N個單步步長設定值的估計值SI；進行確定；然後，根據公式SL s = SI>AEa= (1+k) 41/(11-1)，計算得出N個單步的單步步長設定值，公式（11-1)中 單步步長設定值，k = (0. 001?0. 002) X (LH+LL)，其中LH和LL分別為所述虛擬人體的大 腿骨長度和小腿骨長度且二者的單位均為m ;各單步開始時的相對時間t%= 0%或50% ; 其中，根據腿部設計姿勢P#對單步步長設定值的估計值SI；進行確定時，將當前所確定 單步開始時的腿部設計姿勢P#中左右腳跟之間的距離作為估計值SL'
10.按照權利要求9所述的實時可控步長的人體腿部連續直線走動的運動生成方法， 其特徵在於：根據N個單步開始時的腿部設計姿勢P%對N個單步步長設定值的估計值SI； 進行確定時，根據公式sl#= |ρ\(ο,ο，ζ)1εη-ρ\(ο,ο，ζυ(ιο)進行確定，公式（10)中 SL#為當前所確定單步開始時的腿部設計姿勢Ρ#中左右腳跟之間的距離，Ρ\(0, 0, z)lrft和 Ρ\(0, 0, z)Hght分別為當前所確定單步開始時的腿部設計姿勢P#中左踝關節和右踝關節在 所述局部坐標系L-XYZ中的三維坐標。
【文檔編號】G06T13/40GK104156996SQ201410437633
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年8月30日 優先權日:2014年8月30日
【發明者】荊樹旭, 張廷磊, 張迪 申請人:長安大學