CN104268920B - 一种利用布娃娃物理系统模拟人物角色死亡的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用布娃娃物理系统模拟人物角色死亡的方法，主要包括：建立 渲染模型、骨骼架构和物理模型的层次关系；基于骨骼架构、物理模型和蒙皮模型三者之间的层次关系，计算得到每个骨骼的世界矩阵；根据每个骨骼的世界矩阵和时间变化量得到骨骼的死亡速度。本发明所述利用布娃娃物理系统模拟人物角色死亡的方法，可以克服现有技术中重复工作量大、动作缺乏新意和工作效率低等缺陷，以实现重复工作量小、动作具有新意和工作效率高的优点。

Description

一种利用布娃娃物理系统模拟人物角色死亡的方法

技术领域

本发明涉及计算机技术领域，具体地，涉及一种利用布娃娃物理系统模拟人物角色死亡的方法。

背景技术

布娃娃物理系统(Ragdoll physics)通常被用于电子游戏中物理引擎中代替传统静态画面的可变性角色动画系统。游戏中实现实时动画已经变为现实，现在人们利用三维工具开发工具建立一个角色模型，并为合适的角色模型设定骨骼，利用底层的引擎控制角色的变换，由于之前的技术限制，骨骼的移动没有像角色肌肉的来约束，在实际的运用过程中，经常出现将骨骼移动到一个现实中不可能实现的位置，这种系统通常用于网络游戏中的射击类游戏和动作游戏中，目前的游戏中很少用到布娃娃物理系统，一般的都是当击中目标时，直接在三维软件中做好的动画然后放进游戏中，以达到真实的角色受攻击时的状态，但是随着游戏的越来越复杂，这种方法的缺点也变的显著：

⑴每次制作新的产品时，都要为人物重新制作一套动画；

⑵对于同样的人物受外力攻击时，死亡姿态动作重复，缺乏新意；

⑶增减了游戏制作者对人物设计动作的工作量，无法提高效率。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在重复工作量大、动作缺乏新意和工作效率低等缺陷。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述问题，提出一种利用布娃娃物理系统模拟人物角色死亡的方法，以实现重复工作量小、动作具有新意和工作效率高的优点。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种利用布娃娃物理系统模拟人物角色死亡的方法，主要包括：

a、建立渲染模型、骨骼模型和物理模型的层次关系；

b、基于骨骼模型、物理模型和渲染模型三者之间的层次关系，计算得到每个骨骼的世界矩阵；

c、根据每个骨骼的世界矩阵和时间变化量得到骨骼的死亡速度。

进一步地，所述步骤a，具体包括：

在三维软件中制作完成的角色模型导出时，包括角色的渲染模型，骨骼模型，还有一些用于碰撞检测的物理模型，还有骨骼之间的变换的矩阵信息；

骨骼模型置于渲染模型内部，当骨骼运动的时候会牵引着蒙皮一起运动；物理模型是近似的包裹了渲染模型外部，并为物理模型设定一定的质量；一般人物角色规定是由13个立方体构成角色的骨骼组成，这13块骨骼分别为：头、左右上臂，左右下臂，脊柱2块，左右大腿，左右小腿，左右脚；

对于物理模型的13立方体构成的骨架系统，不同的骨骼绕关节转动，正常情况下可以分为下面几种情况：

⑴人物头部骨骼绕脖子关节转动，转动的弧度是一个倒角的圆锥体；

⑵膝关节可以前后有一定范围的摆动；

⑶肘关节和肩部关节可绕对应关节在范围内转动。

进一步地，所述步骤b，具体包括：

物理模型和骨骼模型有对应的绑定关系，用数学表达式来表达其关系，具体的绑定方法为：

每个模型的移动、缩放、旋转数据信息都能够从底部的引擎中获得的，把骨骼模型的运动的初始变换世界矩阵信息记作M_A，物理模型运动的初始变换世界矩阵信息记作M_B，M_A*M_B的逆矩阵就等于渲染模型相对于物理模型的相对矩阵记作 M_A相对于B，随着时间的流逝，物理模型的矩阵信息在每刻都不同，这个矩阵信息能够从底部引擎中获取的，得到的相对矩阵是不变的；

这种矩阵的变换关系如下：用公式表示为：

M_A*M_B ^-1＝M_A相对于B (1)；

其中M_B ^-1表示物理模型矩阵的逆矩阵；

那么骨骼在每时刻的世界矩阵为：

M_A相对于B*M_B＝M_A (2)；

基于公式(1)(2)和物理模型的世界矩阵信息得到每个骨骼每时刻的世界矩阵信息；那么根据人体的13块骨骼信息，得到13块骨骼每时刻的世界矩阵，这些骨骼的世界矩阵来驱动蒙皮顶点以及这些顶点受那些骨骼影响的权重值进而得到顶点的新位置。

进一步地，所述步骤c，具体包括：

当人物从有生命到死亡状态转变的过程中，需要将物理模型的世界矩阵和骨骼的世界矩阵相互转变；

在三维软件中，对人物有生命状态时，通过美术对人物动作的进行插入关键帧实现人物的动作播放，同时是由关键帧中的骨骼的世界矩阵信息即骨骼模型来驱动渲染模型，同时也驱动着物理模型，此时的物理模型设定质量为0，当人物受到手榴弹的攻击时，因为物理模型的质量可以形成反弹的物理效果，更贴近现实。

进一步地，在步骤c中，当人物受外力作用死亡的过程中，分为两种情况：

(一)第一种情况，当人物受力不足以当场毙命时，此时分为两种阶段来讨论人物死亡的过程：

a)其中第一阶段是美术对人物角色死亡状态插入关键帧并播放动画来模拟人物死亡的短暂过程，是由骨骼模型来驱动完成动画的播放，而不是物理模型来驱动的；

b)第二个阶段是：记录第一阶段美术设定关键帧的最后一帧人物的状态，然后把此时的状态的骨骼矩阵传给新的渲染模型，在步骤a中，有生命人物同时有渲染模型、 物理模型、骨骼模型并存，而到第二个阶段，此时的渲染模型不是第一阶段的渲染模型，二者的顶点数量是一样的，第一个阶段的渲染模型是受20个或者更多的骨骼模型来支配其运动，而新的渲染模型只受到13块骨骼的影响，这个阶段人物的运动状态有本引擎接管并驱动完成，而不是设定的关键帧动画，这个过程是由物理模型驱动骨骼模型，骨骼模型再驱动渲染模型来完成的；

(二)第二种情况：当人物受力的作用很大时，直接由物理模型来接管完成人物死亡的过程。

进一步地，在第一种情况中，基于第二个阶段，用力学冲量定理来表达：

其中I为冲量，F为作用力，m为质量，v为速度，t为时间；

在上述公式(3)中，在引擎底层这个F作用力是一个可以调节的已知量，时间的变化量是应用程序每执行一次循环所花费的时间，然后根据循环上一次和下一次的时间中的每个骨骼的世界矩阵得到每个骨骼在该时间的一个变化量，而人物的速度计算是根据作用力由该引擎自身来完成的，然后把这个速度传递给新的渲染模型，来模拟人物的死亡过程。

本发明各实施例的利用布娃娃物理系统模拟人物角色死亡的方法，由于主要包括：渲染模型、骨骼模型和物理模型的层次关系；基于骨骼模型、物理模型和渲染模型三者之间的层次关系，计算得到每个骨骼的世界矩阵；根据每个骨骼的世界矩阵和时间变化量得到骨骼的死亡速度；从而可以克服现有技术中重复工作量大、动作缺乏新意和工作效率低的缺陷，以实现重复工作量小、动作具有新意和工作效率高的优点。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明利用布娃娃物理系统模拟人物角色死亡的方法中物理模型绕不同关节运动的约束范围示意图，其中，(a)表示状态一，(b)表示状态二，(c)表示状态三；

图2为本发明利用布娃娃物理系统模拟人物角色死亡的方法中人物受外力作用时，各个阶段运动的示意图；

图3为本发明利用布娃娃物理系统模拟人物角色死亡的方法中利用布娃娃物理系统模拟人物死亡的流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

基于目前游戏中存在的上述问题，根据本发明实施例，如图1-图3所示，提供了一种利用布娃娃物理系统模拟人物角色死亡的方法，具体涉及到射击游戏中的人物死亡过程的算法。该利用布娃娃物理系统模拟人物角色死亡的方法，能较真实的模拟受不同外在力攻击时，角色跟随环境的变换自动做出反应，而不是像以前那样播放一段预先做好的动作。

布娃娃系统使得人物模型身体发生形变，角色被击中时会有比较真实的反应。例如用枪打人，每个部位不一样会受到不同的物理效果，例如：在角色左边仍手雷，角色就会向右边飞，人物死亡时，不会出现角色尸体穿墙的效果等，这些角色模型和周围环境进行检测碰撞，使模型可以自适应和周围环境交互的过程。

具体实施方案如下：

第一：建立渲染模型、骨骼模型、物理模型的层次关系

在三维软件中制作完成的角色模型导出时，包括角色的渲染模型，骨骼模型，还有一些用于碰撞检测的物理模型，还有骨骼之间的变换的矩阵信息。实际的渲染效果是看不到角色的骨骼模型和物理模型，而骨骼模型和物理模型用于角色做复杂运动计算时采用的，只有人物的渲染模型渲染出来才是可见的，而这些渲染模型一般都是有三角面组成的，每个面的顶点中包含了顶点位置，法线信息和纹理材质信息以及哪些骨骼影响了该点和影响权重值等。骨骼模型置于渲染模型内部，当骨骼运动的时候会牵引着蒙皮一起运动。物理模型是近似的包裹了渲染模型外部，并为物理模型设定一定的质量；一般人物角色规定是由13个立方体构成角色的骨骼组成，这13块骨骼分别为：头、左右上臂，左右下臂，脊柱2块，左右大腿，左右小腿，左右脚。这个物理模型的大小可以调节的，我们要确保这个包围盒能够更紧凑的吸附模型，对于复杂的生物角色，可能有更多的物理模型组成，但是原理都是一样的，而对于物理模型的 13立方体构成的骨架系统，不同的骨骼绕关节转动，正常情况下可以分为下面几种情况：

⑴人物头部骨骼绕脖子关节转动，转动的弧度是一个倒角的圆锥体；

⑵膝关节可以前后有一定范围的摆动；

⑶肘关节和肩部关节可绕对应关节在范围内转动。

第二：骨骼模型、物理模型、渲染模型三者之间的层次关系计算出每个骨骼的世界矩阵

物理模型和骨骼模型有对应的绑定关系，可以用数学表达式来表达其关系，具体的绑定方法为：每个模型的移动、缩放、旋转数据信息都是可以从底部的引擎中获得的，我们把骨骼模型的运动的初始变换世界矩阵信息记作M_A，物理模型运动的初始变换世界矩阵信息记作M_B，M_A*M_B的逆矩阵就等于渲染模型相对于物理模型的相对矩阵记作M_A相对于B，随着时间的流逝，物理模型的矩阵信息在每刻都不同，这个矩阵信息是可以从底部引擎中获取的，得到的相对矩阵是不变的。这种矩阵的变换关系如下：用公式可以表示为：

M_A*M_B ^-1＝M_A相对于B (1)；

其中M_B ^-1表示物理模型矩阵的逆矩阵。

那么骨骼在每时刻的世界矩阵为：

M_A相对于B*M_B＝M_A (2)；

基于公式(1)(2)和物理模型的世界矩阵信息可以得到每个骨骼每时刻的世界矩阵信息。那么人体的13块骨骼信息，可以得到13块骨骼每时刻的世界矩阵，这些骨骼的世界矩阵来驱动蒙皮顶点以及这些顶点受那些骨骼影响的权重值进而得到顶点的新位置。

第三：根据每个骨骼的世界矩阵和时间变化量得到骨骼的死亡速度。

当人物从有生命到死亡状态转变的过程中，需要将物理模型的世界矩阵和骨骼的世界矩阵相互转变，这种转变就是本发明利用的布娃娃的模拟人物逼真的死亡过程。

在三维软件中，对人物有生命状态时，通过美术对人物动作的进行插入关键帧实现人物的动作播放，同时是由关键帧中的骨骼的世界矩阵信息即骨骼模型来驱动渲染模型，同时也驱动着物理模型，此时的物理模型设定质量为0，当人物受到手榴弹的攻击时，因为物理模型的质量可以形成反弹的物理效果，更贴近现实。

当人物受外力作用死亡的过程中，分为两种情况：

(一)、第一种情况，当人物受力不足以当场毙命时，此时可以分为两种阶段来讨论人物死亡的过程：

a)、其中第一阶段是美术对人物角色死亡状态插入关键帧并播放动画来模拟人物死亡的短暂过程，是由骨骼模型来驱动完成动画的播放，而不是物理模型来驱动的。如图2所示的第一个阶段。

b)、第二个阶段是：记录第一阶段美术设定关键帧的最后一帧人物的状态，然后把此时的状态的骨骼矩阵传给新的渲染模型，在步骤a 中，有生命人物同时有渲染模型、物理模型、骨骼模型并存，而到第二个阶段，此时的渲染模型不是第一阶段的渲染模型，二者的顶点数量是一样的，第一个阶段的渲染模型可能是受20个或者更多的骨骼模型来支配其运动，而新的渲染模型只受到13块骨骼的影响，这个阶段人物的运动状态有本引擎接管并驱动完成，而不是设定的关键帧动画，这个过程是由物理模型驱动骨骼模型，骨骼模型再驱动渲染模型来完成的。

基于第二个阶段，可以用力学冲量定理来表达：

其中I为冲量，F为作用力，m为质量，v为速度，t为时间。

其表达式意义是力在时间上累计的效应，同时也是物体的动量变化量。当物体的变化形态一定时，作用里越大，时间越短，作用力越小，时间越长。

有上述公式(3)中，在引擎底层这个F作用力是一个可以调节的已知量，时间的变化量是应用程序每执行一次循环所花费的时间，然后根据循环上一次和下一次的时间中的每个骨骼的世界矩阵可以得到每个骨骼在该时间的一个变化量，而人物的速度计算是根据作用力由该引擎自身来完成的，然后把这个速度传递给新的渲染模型，来模拟人物的死亡过程。

(二)、第二种情况：当人物受力的作用很大时，直接由物理模型来接管完成人物死亡的过程。

综上所述描述了人物在受外力作用的不同，死亡的规则是不同的。然而人物在死亡后每个骨骼的运动不是杂乱无章的，在处理后期的过程中同时也需要为每个骨骼设定一个约束范围，以模拟具有真实的受攻击后，整个人物自然的死亡过程。

本发明的技术方案，提供了一种布娃娃模拟人物死亡过程，在制作新游戏时，不必要为每个人物制作复杂的死亡状态，计算方法简单，减少了制作人的工作量，效率高等优点。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种利用布娃娃物理系统模拟人物角色死亡的方法，其特征在于，主要包括：

a、建立渲染模型、骨骼模型和物理模型的层次关系；

b、基于骨骼模型、物理模型和渲染模型三者之间的层次关系，计算得到每个骨骼的世界矩阵；

c、根据每个骨骼的世界矩阵和时间变化量得到骨骼的死亡速度，

所述步骤a，具体包括：

在三维软件中制作完成的角色模型导出时，包括角色的渲染模型，骨骼模型，还有一些用于碰撞检测的物理模型，还有骨骼之间的变换的矩阵信息；

骨骼模型置于渲染模型内部，当骨骼运动的时候会牵引着蒙皮一起运动；物理模型是近似的包裹了渲染模型外部，并为物理模型设定一定的质量；一般人物角色规定是由13个立方体构成角色的骨骼组成，这13块骨骼分别为：头、左右上臂，左右下臂，脊柱2块，左右大腿，左右小腿，左右脚；

对于物理模型的13立方体构成的骨架系统，不同的骨骼绕关节转动，正常情况下可以分为下面几种情况：

⑴人物头部骨骼绕脖子关节转动，转动的弧度是一个倒角的圆锥体；

⑵膝关节可以前后有一定范围的摆动；

⑶肘关节和肩部关节可绕对应关节在范围内转动，

所述步骤b，具体包括：

物理模型和骨骼模型有对应的绑定关系，用数学表达式来表达其关系，具体的绑定方法为：

每个模型的移动、缩放、旋转数据信息都能够从底部的引擎中获得的，把骨骼模型的运动的初始变换世界矩阵信息记作M_A，物理模型运动的初始变换世界矩阵信息记作M_B，M_A*M_B的逆矩阵就等于渲染模型相对于物理模型的相对矩阵记作M_A相对于B，随着时间的流逝，物理模型的矩阵信息在每刻都不同，这个矩阵信息能够从底部引擎中获取的，得到的相对矩阵是不变的；

这种矩阵的变换关系如下：用公式表示为：

M_A*M_B ^-1＝M_A相对于B (1)；

其中M_B ^-1表示物理模型矩阵的逆矩阵；

那么骨骼在每时刻的世界矩阵为：

M_A相对于B*M_B＝M_A （2）；

基于公式(1)(2)和物理模型的世界矩阵信息得到每个骨骼每时刻的世界矩阵信息；那么根据人体的13块骨骼信息，得到13块骨骼每时刻的世界矩阵，这些骨骼的世界矩阵来驱动蒙皮顶点以及这些顶点受那些骨骼影响的权重值进而得到顶点的新位置。

2.根据权利要求1所述的利用布娃娃物理系统模拟人物角色死亡的方法，其特征在于，所述步骤c，具体包括：

当人物从有生命到死亡状态转变的过程中，需要将物理模型的世界矩阵和骨骼的世界矩阵相互转变；

在三维软件中，对人物有生命状态时，通过美术对人物动作的进行插入关键帧实现人物的动作播放，同时是由关键帧中的骨骼的世界矩阵信息即骨骼模型来驱动渲染模型，同时也驱动着物理模型，此时的物理模型设定质量为0，当人物受到手榴弹的攻击时，因为物理模型的质量可以形成反弹的物理效果，更贴近现实。

3.根据权利要求2所述的利用布娃娃物理系统模拟人物角色死亡的方法，其特征在于，在步骤c中，当人物受外力作用死亡的过程中，分为两种情况：

(一)第一种情况，当人物受力不足以当场毙命时，此时分为两种阶段来讨论人物死亡的过程：

a)其中第一阶段是美术对人物角色死亡状态插入关键帧并播放动画来模拟人物死亡的短暂过程，是由骨骼模型来驱动完成动画的播放，而不是物理模型来驱动的；

b)第二个阶段是：记录第一阶段美术设定关键帧的最后一帧人物的状态，然后把此时的状态的骨骼矩阵传给新的渲染模型，在步骤a中，有生命人物同时有渲染模型、物理模型、骨骼模型并存，而到第二个阶段，此时的渲染模型不是第一阶段的渲染模型，二者的顶点数量是一样的，第一个阶段的渲染模型是受20个或者更多的骨骼模型来支配其运动，而新的渲染模型只受到13块骨骼的影响，这个阶段人物的运动状态有本引擎接管并驱动完成，而不是设定的关键帧动画，这个过程是由物理模型驱动骨骼模型，骨骼模型再驱动渲染模型来完成的；

(二)第二种情况：当人物受力的作用很大时，直接由物理模型来接管完成人物死亡的过程。

4.根据权利要求3所述的利用布娃娃物理系统模拟人物角色死亡的方法，其特征在于，在第一种情况中，基于第二个阶段，用力学冲量定理来表达：

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其中I为冲量，F为作用力，m为质量，v为速度，t为时间；

在上述公式(3)中，在引擎底层这个F作用力是一个可以调节的已知量，时间的变化量是应用程序每执行一次循环所花费的时间，然后根据循环上一次和下一次的时间中的每个骨骼的世界矩阵得到每个骨骼在该时间的一个变化量，而人物的速度计算是根据作用力由该引擎自身来完成的，然后把这个速度传递给新的渲染模型，来模拟人物的死亡过程。