CN111524213B - 一种应用于类人体骨架的反向动力学解算方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种应用于类人体骨架的反向动力学解算方法，包括以下步骤：将人体骨架拆分为手臂部件、腿部部件、脊柱部件与颈部部件；对存在输入的手臂部件与腿部部件进行更新，并进行反向动力学计算并判断其是否超限，如果超限，检查脊柱部件的起始端是否有输入，若无，按照手臂部件以及腿部部件的超限偏移量对脊柱部件的起始端进行更新，若有输入，根据脊柱部件的输入对脊柱部件进行更新，对更新后的脊柱部件进行反向动力学计算并判断其是否超限，如果超限，根据超限偏移量同时对腿部部件以及手臂部件的起始输入进行更新，同时再次更新手臂部件以及腿部部件的反向动力学；通过朝向约束或样条反向动力学对颈部部件效果进行计算，从而得到各个部件最接近当前的动画效果。
Description
技术领域
本发明涉及动画捕捉与动画编辑技术领域，具体涉及一种应用于类人体骨架的反向动力学解算方法及装置。
背景技术
在动画捕捉与动画编辑领域全身反向动力学计算是非常重要的，其可以提高整个流程的制作效率，使用全身反向动力学工具后，可以使用少量的输入，处理一个较为复杂的动画效果，并且该过程完全可控，保证了效果的同时提升了效率；
反向动力学的计算目的是当存在一个人物动画时，可以在动画进行过程中，通过少数的控制器输入，按照当前的人物动作以及控制器输入直接计算出新的人物动作，通常反向动力学计算都是处理链状结构，因为树状结构的反向动力学计算不易控制，但是链状结构并不能满足人物动画的计算，因为人物骨骼在CG制作过程中基本都是树状结构，所以为了实现全身反向动力学效果时使用链状反向动力学，就必须对人物骨骼进行拆分；
传统的全身反向动力学拆分都是固定模板，一类角色使用一个固定模板，无法修改，然后设置人物骨骼到固定的模板中后，再进行计算，比如human反向动力学系统，但是这样不利于角色扩展，因为如果现在需要控制一个四足动物，人类的模板实际并不能满足需求,那么传统方式就需要重新开发。
发明内容
本发明的目的是提供一种应用于类人体骨架的反向动力学解算方法及装置，使用灵活，可扩展不同组件满足不同的需求。
本发明提供了如下的技术方案：
一种应用于类人体骨架的反向动力学解算方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将人体骨架拆分为手臂部件、腿部部件、脊柱部件与颈部部件；
S2、确定所述手臂部件与所述腿部部件是否存在输入，如果存在输入则对其进行更新，对更新后的手臂部件以及腿部部件进行反向动力学计算并判断其是否超限，如果超限，检查所述脊柱部件的起始端是否有输入，若没有输入，按照所述手臂部件以及所述腿部部件的超限偏移量对所述脊柱部件的起始端进行更新，如果有输入，则进行下一步骤；
S3、根据脊柱部件的输入对所述脊柱部件进行更新，对更新后的所述脊柱部件进行反向动力学计算并判断其是否超限，如果超限，根据超限偏移量同时对所述腿部部件的起始输入以及所述手臂部件的起始输入进行更新，同时再次更新所述手臂部件以及所述腿部部件的反向动力学；
S4、通过朝向约束或样条反向动力学对所述颈部部件效果进行计算，从而得到各个所述部件最接近当前的动画效果；
优选的，步骤S3在对所述脊柱部件进行更新时，需要将赋予所述手臂部件的超限偏移量全部直接叠加给所述腿部部件，在进行相应的动力学计算；
一种应用于类人体骨架的反向动力学解算装置，包括：
组件模块，用于将人体骨架的不同部件进行拆分，所述人体骨架可拆分为手臂部件、腿部部件、脊柱部件以及颈部部件；
解算器，根据所述组件模块拆分的不同部件，对各个所述部件按照事先设定的算法进行计算，并根据计算结果对各个所述部件进行更新，得到最接近当前的动画效果；
优选的，所述手臂部件与所述腿部组件均由三个关节点与两端骨骼组成，能够提供基础的FK动画操作以及两段所述骨骼的反向动力学计算，并且提供极向量输入以确定朝向；
优选的，所述脊柱部件以及所述颈部部件由复数段骨骼组成，呈链状结构，能够通过朝向约束或样条反向动力学进行计算，预定义采用所述朝向约束；
本发明的有益效果是：本发明的组件模块包含原有的所有的全身反向动力学功能，并且使用灵活，可以根据预定义的组件随意组装；通过组件，解算器的方式搭建全身反向动力学的装置，可以在满足现有的全身动力学计算的情况下，扩展不同的组件满足不同的需求；同时扩展解算器的方式可以让全身反向动力学只满足于人类角色的情况。
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是本发明原理框图。
具体实施方式
如图1所示，一种应用于类人体骨架的反向动力学解算方法，包括以下步骤：
S1、将人体骨架拆分为手臂部件、腿部部件、脊柱部件与颈部部件；
S2、确定手臂部件与腿部部件是否存在输入，如果存在输入则对其进行更新，对更新后的手臂部件以及腿部部件进行反向动力学计算并判断其是否超限，如果超限，检查脊柱部件的起始端是否有输入，若没有输入，按照手臂部件以及腿部部件的超限偏移量对脊柱部件的起始端进行更新，如果有输入，则进行下一步骤；
S3、根据脊柱部件的输入对脊柱部件进行更新，对更新后的脊柱部件进行反向动力学计算并判断其是否超限，如果超限，根据超限偏移量同时对腿部部件的起始输入以及手臂部件的起始输入进行更新，同时再次更新手臂部件以及腿部部件的反向动力学；
S4、通过朝向约束或样条反向动力学对颈部部件效果进行计算，从而得到各个部件最接近当前的动画效果；
一种实现上述方法的解算装置，包括：
组件模块，用于将人体骨架的不同部件进行拆分，人体骨架可拆分为手臂部件、腿部部件、脊柱部件以及颈部部件，其中，手臂部件与腿部组件均由三个关节点与两端骨骼组成，能够提供基础的FK动画操作以及两段骨骼的反向动力学计算，并且提供极向量输入以确定朝向，脊柱部件以及颈部部件由复数段骨骼组成，呈链状结构，能够通过朝向约束或样条反向动力学进行计算，预定义采用朝向约束；
解算器，根据组件模块拆分的不同部件，对各个部件按照事先设定的算法进行计算，并根据计算结果对各个部件进行更新，得到最接近当前的动画效果；
其中，步骤S2与步骤S3包括并列进行的手臂部件更新方法步骤与腿部部件更新方法步骤，具体如下：
手臂部件更新方法步骤：确定手臂部件是否存在输入，如果存在输入则对其进行更新，对更新后的手臂部件进行反向动力学计算并判断其是否超限，如果超限，检查脊柱部件的起始端是否有输入，若没有输入，按照手臂部件的超限偏移量对脊柱部件的起始端进行更新，如果有输入，则进行下一步骤；根据脊柱部件的输入对脊柱部件进行更新，对更新后的脊柱部件进行反向动力学计算并判断其是否超限，如果超限，根据超限偏移量同时对手臂部件的起始输入进行更新，同时再次更新手臂部件的反向动力学；
腿部部件更新方法步骤：确定腿部部件是否存在输入，如果存在输入则对其进行更新，对更新后的腿部部件进行反向动力学计算并判断其是否超限，如果超限，检查脊柱部件的起始端是否有输入，若没有输入，按照腿部部件的超限偏移量对脊柱部件的起始端进行更新，如果有输入，则进行下一步骤；根据脊柱部件的输入对脊柱部件进行更新，对更新后的脊柱部件进行反向动力学计算并判断其是否超限，如果超限，根据超限偏移量同时对腿部部件的起始输入进行更新，同时再次更新腿部部件的反向动力学；
实施例一：
现在存在一个人类角色，人物需要摆出一个跑步姿态，当动画师调整好该角色动画后，突然需要替换这个角色成带有蹄足的类人生物，因为该类人生物骨骼和真实人类角色并不相同，那么肯定不能简单的传递骨骼的动画信息来进行动画传递；
这个时候就需要使用全身反向动力学工具，如果人类角色仅有动画，那么就需要对新的类人角色设置反向动力学工具再进行计算，使用当前的工具对类人生物拆分和构建全身反向动力学工具设置（类人生物与人类仅相差腿部，那么将默认的人类角色全身反向动力学的腿部组件替换为蹄足组件），然后再捕获人类角色关键关节的动画输入，全身反向动力学工具就会在类人角色身上得到最接近人类角色当前动画的效果；
如果人类角色也是使用全身反向动力学工具设置，那么这个时候只需要将腿部组件替换掉，并传入类人生物的骨骼，就可直接得到类人生物的最终动画效果；
本发明的组件模块包含原有的所有的全身反向动力学功能，并且使用灵活，可以根据预定义的组件随意组装；通过组件，解算器的方式搭建全身反向动力学的装置，可以在满足现有的全身动力学计算的情况下，扩展不同的组件满足不同的需求；同时扩展解算器的方式可以让全身反向动力学只满足于人类角色的情况；
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)
1.一种应用于类人体骨架的反向动力学解算方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将人体骨架拆分为手臂部件、腿部部件、脊柱部件与颈部部件；
S2、确定所述手臂部件与所述腿部部件是否存在输入，如果存在输入则对其进行更新，对更新后的手臂部件以及腿部部件进行反向动力学计算并判断其是否超限，如果超限，检查所述脊柱部件的起始端是否有输入，若没有输入，按照所述手臂部件以及所述腿部部件的超限偏移量对所述脊柱部件的起始端进行更新，如果有输入，则进行下一步骤；
S3、根据脊柱部件的输入对所述脊柱部件进行更新，对更新后的所述脊柱部件进行反向动力学计算并判断其是否超限，如果超限，根据超限偏移量对手臂部件的起始输入进行更新，并在所述手臂部件动力学计算超限时将赋予所述手臂部件的超限偏移量全部直接叠加给所述腿部部件，在进行相应的动力学计算，更新腿部部件的反向动力学；
S4、通过朝向约束或样条反向动力学对所述颈部部件效果进行计算，从而得到各个所述部件最接近当前的动画效果。
2.一种应用于类人体骨架的反向动力学解算装置，该装置可实现权利要求1所述的方法，其特征在于，包括：
组件模块，用于将人体骨架的不同部件进行拆分，所述人体骨架可拆分为手臂部件、腿部部件、脊柱部件以及颈部部件；
解算器，根据所述组件模块拆分的不同部件，对各个所述部件按照事先设定的算法进行计算，并根据计算结果对各个所述部件进行更新，得到最接近当前的动画效果。
3.根据权利要求2所述的一种应用于类人体骨架的反向动力学解算装置，其特征在于，所述手臂部件与所述腿部部件 均由三个关节点与两端骨骼组成，能够提供基础的FK动画操作以及两段所述骨骼的反向动力学计算，并且提供极向量输入以确定朝向。
4.根据权利要求2所述的一种应用于类人体骨架的反向动力学解算装置，其特征在于，所述脊柱部件以及所述颈部部件由复数段骨骼组成，呈链状结构，能够通过朝向约束或样条反向动力学进行计算，预定义采用所述朝向约束。
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| CN1461460A (zh) * | 2001-02-13 | 2003-12-10 | 世嘉股份有限公司 | 动画创建程序 |
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| Title |
|---|
| 基于物理模型的人体运动建模与仿真;宋薇;《中国博士学位论文全文数据库 信息科技辑》;20130515;第9-91页 * |
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