CN112527109B - 基于坐姿的vr全身动作控制方法、系统及计算机可读介质 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于坐姿的VR全身动作控制方法，包括如下步骤：根据上半身定位设备和定位点牵引法控制上半身位姿；根据下肢控制器的输入信息控制下半身位姿；根据VR头显的旋转信息和手部控制器上的按键控制人体中心的三自由度旋转；通过下肢控制器操作控制人体中心的平移；通过角色实体的特定部位离地高度或碰撞信息决定是否开启人体重力。本发明通过‘灵魂体’定位点牵引法，角色实体会根据玩家的实际位姿和游戏中的物理限制呈现一个合理的姿态，并且玩家可以控制灵魂体和角色实体的距离，从而改变施加在与角色实体碰撞的游戏物体上的动量，进而实现不同的交互效果。

Description

基于坐姿的VR全身动作控制方法、系统及计算机可读介质
技术领域
本发明涉及虚拟现实技术领域，具体地，涉及一种基于坐姿的VR全身动作控制方法、系统及计算机可读介质。
背景技术
在现有的虚拟现实(简称VR)的游戏中，存在着一些问题：一是由于虚拟和现实的物理差异，操纵者必然无法保证自己的动作和游戏中完全一致，这会导致穿模、和游戏物体交互不真实等问题；二是大部分VR采用站姿进行角色控制，虽然更加拟真一些，但很消耗体力，且单人游玩存在安全隐患，不适合在家长时间且舒适地游玩VR，而坐姿下的移动输入和下肢控制并不完善，相比站姿少了很多自由度。
经过检索，专利文献CN106339097A公开了一种语音控制和手柄动作控制的VR设备，包括VR设备本体以及与VR设备本体连接的控制手柄；VR设备本体包括中央处理单元以及与中央处理单元分别连接的第一语音识别模块和第一通讯模块；控制手柄包括陀螺仪传感器和第二通讯模块，陀螺仪传感器依次通过第二通讯模块和第一通讯模块与中央处理单元连接。该现有技术的不足之处在于采用手柄控制比较浪费操作键，操作起来并不那么方便，无法实现多自由度交互效果。
经过检索，专利文献CN102541260A公开了一种人机互动的控制方法及其运用，用户通过实施用户允许微动作以控制虚拟环境中的自我角色实施相应的虚拟允许动作，它包括在虚拟世界中创建自我角色；用户身体无需离开用户所在位置执行微动作；跟踪并识别用户执行微动作；并使用户执行任意微动作时，其身体都无需离开用户所在位置；使自我角色放大执行用户的微动作。但是该现有技术的不足之处在于所用微动作的灵敏度不太高，无法改变施加在与角色实体碰撞的游戏物体上的动量。
因此，有必要研发一种多自由度且更加真实的交互产品。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于坐姿的VR全身动作控制方法、系统及计算机可读介质。
根据本发明提供的一种基于坐姿的VR全身动作控制方法，包括如下步骤：
-根据上半身定位设备和定位点牵引法控制上半身位姿；
-根据下肢控制器的输入信息控制下半身位姿；
-根据VR头显的旋转信息和手部控制器上的按键控制人体中心的三自由度旋转；
-通过下肢控制器操作控制人体中心的平移；
-通过角色实体的特定部位离地高度或碰撞信息决定是否开启人体重力。
优选地，步骤1中的上半身位姿分为灵魂体和角色实体，灵魂体头部和手部相对于人体中心系的位姿由相对应的传感器数据决定；角色实体在没有碰撞时能够通过定位点牵引法与灵魂体重合，受到碰撞时遵守游戏里的物理定律且拥有向灵魂体运动的趋势。
优选地，根据IK算法能够确定角色实体上半身的位姿。
优选地，步骤1中的定位点牵引法是以角色实体中的定位点为向量起点，灵魂体中的定位点为向量终点，定义向量a；每一个物理帧赋给角色实体上的相应部位一个相对于人体中心的新速度v，v等于向量a乘以缩放系数k再除以物理帧刷新时间。
优选地，在步骤1中将灵魂体的头部质心和手部质心作为定位点，并锁定头部和手部的旋转自由度；角色实体对应头部质心和手部质心也作为定位点。
优选地，步骤2中下半身部位自带有关节和刚体组件，下半身位姿会自动根据IK算法进行修正。
优选地，步骤3中人体中心的旋转是锁死的，只由玩家自己控制，不受力矩影响；根据相应部位质量，之前的速度和动量定理在下半身位施加反作用力。
优选地，步骤5中默认着地状态为false，以下躯干为原点向下发射射线获取地面高度h，若左脚和右脚中较低的一个距离地面高度h小于预设值，则着地状态为true；或者在手部和脚部设置有触发器，当触发器接触到带有地面标签的物体时着地状态变为true。
根据本发明提供的一种基于坐姿的VR全身动作控制系统，包括：
模块M1：根据上半身定位设备和定位点牵引法控制上半身位姿；
模块M2：根据下肢控制器的输入信息控制下半身位姿；
模块M3：根据VR头显的旋转信息和手部控制器上的按键控制人体中心的三自由度旋转；
模块M4：通过下肢控制器操作控制人体中心的平移；
模块M5：通过角色实体的特定部位离地高度或碰撞信息决定是否开启人体重力。
根据本发明提供的一种计算机可读介质，其存储有可由基于坐姿的VR全身动作控制系统执行的计算机程序，当所述计算机程序在基于坐姿的VR全身动作控制系统上运行时，使得所述基于坐姿的VR全身动作控制系统执行权利要求1-8中任一项所述的基于坐姿的VR全身动作控制方法的步骤。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明通过‘灵魂体’定位点牵引法，角色实体会根据玩家的实际位姿和游戏中的物理限制呈现一个合理的姿态，并且玩家可以控制灵魂体和角色实体的距离，从而改变施加在与角色实体碰撞的游戏物体上的动量，进而实现不同的交互效果。
2、本发明一方面利用操纵者与游戏角色的动作不一致性，通过‘灵魂体’定位点牵引法避免了VR游戏中的穿模且实现了与VR中虚拟物品更加真实的交互；另一方面提供了一种坐姿下通过特定步骤解决人体中心移动输入的方法。
3、本发明利用人体中心的旋转控制相比直接用摇杆旋转节省了操作键，而人体中心的平移通过类似踏踏板的运动控制，这使得有关人体中心的移动都是让玩家有了小范围的运动趋势再让虚拟人物移动，既控制方便舒适，又可以一定程度上缓解晕动症。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明提供的基于坐姿的VR全身动作控制方法步骤流程图；
图2为本发明实施例提供的下肢控制器的坐标示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1、图2所示，根据本发明提供的一种基于坐姿的VR全身动作控制方法，包括如下步骤：
-根据上半身定位设备和定位点牵引法控制上半身位姿；
-根据下肢控制器的输入信息控制下半身位姿；
-根据VR头显的旋转信息和手部控制器上的按键控制人体中心的三自由度旋转；
-通过下肢控制器操作控制人体中心的平移；
-通过角色实体的特定部位离地高度或碰撞信息决定是否开启人体重力。
一方面利用操纵者与游戏角色的动作不一致性，通过‘灵魂体’定位点牵引法避免了VR游戏中的穿模且实现了与VR中虚拟物品更加真实的交互；另一方面提供了一种坐姿下通过特定步骤解决人体中心移动输入的方法。
将人体主要看作是由头部，一双大臂，一双小臂，一双手，上躯干，下躯干，一双大腿，一双小腿，一双脚这15个刚体通过14个关节连接而成；其中腰、颈、髋、肩、腕关节视作拥有三自由度，省略脚踝自由度，膝、肘关节视作拥有一自由度。将下躯干视作人体中心，对于角色人体中心的六自由度移动操作都是作用在下躯干上的；同时假设玩家采取坐姿进行游戏时操纵者下躯干的位姿不发生大的改变。
由于市面上大多数VR设备都只有三个定位器，即一个头显和两个手部控制器，这里提供的是一种适用于三定位器的方案。
上半身除去手指关节有20个关节自由度，但三个定位设备只能确定18个自由度，所以对关节自由度要有一定的简化。
将肘关节增加为二自由度，即增加绕肘-腕连线旋转；腕关节简化为一自由度，仅考虑绕自身横轴旋转，即旋转角最大的那根轴。
游戏角色上半身可分为‘灵魂体’和角色实体，灵魂体头部、手部相对于人体中心系的位姿由相应传感器数据决定，不受游戏中物理定律的支配，其中手指的灵魂体是相对于手部实体的；而角色实体在没有碰撞时能够通过定位点牵引法与灵魂体重合，受到碰撞时遵守游戏里的物理定律且拥有向灵魂体运动的趋势。根据IK算法可以确定角色实体上躯干和手臂的位姿。
将灵魂体的头部质心、手部质心(如果有手指追踪器可以多加上手指端)作为定位点，并锁定上述部位的旋转自由度，即保持角色实体头部、手部、手指端旋转和灵魂体相应部位旋转始终一致，不受力矩影响；角色实体对应部位质心也作为定位点。
定位点牵引法，具体地说，以角色实体中的定位点为向量起点，灵魂体中的定位点为向量终点，定义向量a；每一个物理帧赋给角色实体上的相应部位一个相对于人体中心的新速度v，v等于向量a乘以缩放系数k再除以物理帧刷新时间；k值视质量而定，一般来说质量越小，k值应当设置越大保证恢复速度。在本实施例中，取头部和手部k为1，手指端的k为3。若v模长大于设定的速度上限，则令v模长等于速度上限，本实施例中速度上限数值上等于人体高度；同时根据相应部位质量，之前的速度和动量定理在下躯干施加反作用力。在另一实施例中对于小质量身体部位，即手指，关于手指增加稳定性的方法如下：k值仍取1，但是赋值的速度要加上所连手部的真实速度，即该函数必须在每一帧给手部赋值新速度之前执行。
下肢控制器将对腿部位姿的操作全部转化为对于脚踝关节的操作，根据下肢控制器的输入数据给脚踝关节点赋值相应速度和角速度，腿部位姿会自动根据IK进行修正。
接下来讨论下躯干(人体中心)的六自由度运动；现实中人是通过熟练地运用摩擦力、重力与自身关节等来实现这些功能的，但是在游戏中坐姿下要实现这样的效果几乎不可能，因为各种误差的存在，只要有轻微的扰动人体中心的运动就会偏离预计轨道，所以现阶段坐姿下只有用直接模拟运动的方法来控制。
先考虑人体中心的三自由度旋转：人体中心的旋转是锁死的，只由玩家自己控制，不受力矩影响，目的是避免预期外的旋转以提高舒适性。在本实施例中，初始状态下操纵者头部姿态与下躯干姿态一致，即两者的四元数相等；根据初始头显四元数q0，t时刻头显的四元数q(t)，可以计算出由q0到q(t)的旋转向量n；操纵者按下手部控制器上的按键，且n对应的旋转角大于20°，则游戏角色的人体中心会绕n旋转，角速度可以不变也可以正比于n的模长；若操纵者处于yOnly状态(一个bool变量，由玩家自己控制)，则先将n投影到人体中心系的y轴(即竖直轴)获得向量ny，然后进行同样的操作。
在一优选例中，记录两帧间隔中头显的角位移，此时角位移较小可以视作矢量，记作n；操纵者按下手部控制器上的按键，则游戏角色的人体中心会绕n旋转。此时可以保持游戏角色头部在人体中心系中的姿态不变，即游戏角色头部的角位移仍与现实中相同，玩家松开按键时，游戏角色头部立即回复到人体中心系中正确的姿态；也可以保持游戏角色头部在人体中心系中的姿态始终与现实中头显相同，相当于按下按键时游戏角色头部进行头显两倍的角位移。
yOnly状态的切换可以通过另外的按键控制，若yOnly为true，则按下按键yOnly变为false,辅助站立状态变为false；若yOnly为false且站立状态为false(站立状态即人体中心系y轴与世界坐标系y轴重合)，则按下按键辅助站立状态变为true；否则yOnly状态变为true，辅助站立状态变为false。在每一帧中，若辅助站立状态为true，则让人体中心系匀速旋转以让人体中心系y轴与世界坐标系y轴重合；若yOnly为false且辅助站立状态为true且站立状态为true，则yOnly变为true，辅助站立状态变为false。
然后考虑人体中心的平移。先考虑水平平移，比如玩家要向前进，就用类似踩自行车踏板前进的方式操作VR下肢控制器，向后和左右移动同理；如图2，在本实施例中，具体的算法为，对于单个下肢控制器的输入数据，建立对应的x，y，z相空间(r方向不参与人体中心的控制，不考虑)，每一个物理帧获得一个相坐标
Figure BDA0002817129250000061
根据上一帧的相坐标点可以获得一个相速度
Figure BDA0002817129250000062
计算此时的约化角速度
Figure BDA0002817129250000063
再计算
Figure BDA0002817129250000064
Figure BDA0002817129250000065
k为控制系数，一般取1即可；将两个下肢控制器得到的
Figure BDA0002817129250000066
取模长较小的作为合加速度
Figure BDA0002817129250000067
位于人体中心系的x,z水平平面。
再考虑人体中心的竖直平移，当双脚向上抬起超过一定范围，即左右下肢控制器输入的y值均大于0.5(y值最大为1)，计算得到一个沿人体中心系y轴负向的加速度
Figure BDA0002817129250000068
Figure BDA0002817129250000069
模长正比于左右下肢控制器的y值和；当双脚向下按压超过一定范围，即左右下肢控制器输入的y值均小于-0.5(y值最小为-1)，计算得到一个沿人体中心系y轴正向的加速度
Figure BDA00028171292500000610
如果角色处于着地状态或其它特殊状态时，取消人体重力，计算总加速度
Figure BDA00028171292500000611
若角色相对于地面/载具的速度
Figure BDA00028171292500000612
大于设定的速度上限(本实施例中速度上限数值上等于2乘以人体高度)，则计算
Figure BDA00028171292500000613
在
Figure BDA00028171292500000614
上的投影值PA，若PA大于零，则
Figure BDA00028171292500000615
保证角色达到相对速度上限后不再沿同方向加速；最后赋给人体中心力
Figure BDA00028171292500000616
m为调控质量，不需要严格等于人体质量。若角色既不处于着地状态也不处于其它特殊状态，则开启人体重力。
在本实施例中，若
Figure BDA00028171292500000617
模长数值上小于速度上限的百分之一，则记录人体中心距离地面高度d，运动状态为false；否则运动状态为true。
若处于运动状态，令游戏角色阻尼因子减小为0.1；满足上述条件的同时下躯干距离地面高度与d之差的绝对值小于身体高度的十分之一，则人体中心沿世界坐标系竖直轴移动使得人体中心距离地面高度等于d，这样在运动状态下既可以避免由于累计误差导致的人体中心竖直偏移，又可以微调整人体中心高度以适应地形变化。若运动状态为false，令游戏角色阻尼因子增大为10，目的是为了保证外力可以对人体中心位置产生影响的同时，人体中心对于外力的响应不过于敏感，以保证玩家舒适性。
基于上述实施例的优选例，本发明中由于重力有时要取消，人在地面上受到的静摩擦力很难模拟，所以用切换游戏角色的运动学刚体开关来代替，具体实施方案如下：每一帧获取游戏角色的相对速度和施加在固定关节(此固定关节连接下躯干和游戏角色)上的作用力，若都小于设定值，则开启游戏角色的运动学控制；出于节约性能的考虑，该函数不需要每帧都执行，比如可以每十帧执行一次，相对速度和作用力取平均值。
最后讨论着地状态的切换，由于着地状态有多种判定方式，为方便每一个物理帧先默认着地状态为false；以下躯干为原点向下发射射线获取地面高度h；若左脚和右脚中较低的一个距离地面高度小于身高的十分之一，则着地状态为true。或者可以在手部和脚部设置有触发器，当触发器接触到带有地面标签的物体时着地状态变为true。
本发明通过‘灵魂体’定位点牵引法，角色实体会根据玩家的实际位姿和游戏中的物理限制呈现一个合理的姿态，并且玩家可以控制灵魂体和角色实体的距离，从而改变施加在与角色实体碰撞的游戏物体上的动量，进而实现不同的交互效果；比如挥舞轻的武器速度快，重的武器速度慢，用身体部位按压大质量物体可以使人体中心位置改变，如爬梯子等；这些以前较难实现的功能现在只需要通过对物品添加刚体、碰撞体、物理材质等纯物理手段就可以实现了，对于低强度的物品交互甚至不需要在物品上添加任何脚本。
并且本发明通过人体中心的旋转控制相比直接用摇杆旋转节省了操作键，而人体中心的平移通过类似踏踏板的运动控制，这使得有关人体中心的移动都是让玩家有了小范围的运动趋势再让虚拟人物移动，既控制方便舒适，又可以一定程度上缓解晕动症。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (8)

1.一种基于坐姿的VR全身动作控制方法，其特征在于，包括：
-根据上半身定位设备和定位点牵引法控制上半身位姿；
-根据下肢控制器的输入信息控制下半身位姿；
-根据VR头显的旋转信息和手部控制器上的按键控制人体中心的三自由度旋转；
-通过下肢控制器操作控制人体中心的平移；
-通过角色实体的特定部位离地高度或碰撞信息决定是否开启人体重力；
所述上半身位姿分为灵魂体和角色实体，灵魂体头部和手部相对于人体中心系的位姿由相对应的传感器数据决定；角色实体在没有碰撞时能够通过定位点牵引法与灵魂体重合，受到碰撞时遵守游戏里的物理定律且拥有向灵魂体运动的趋势；
所述定位点牵引法是以角色实体中的定位点为向量起点，灵魂体中的定位点为向量终点，定义向量a；每一个物理帧赋给角色实体上的相应部位一个相对于人体中心的新速度v，v等于向量a乘以缩放系数k再除以物理帧刷新时间。
2.根据权利要求1所述的基于坐姿的VR全身动作控制方法，其特征在于，根据IK算法能够确定角色实体上半身的位姿。
3.根据权利要求1所述的基于坐姿的VR全身动作控制方法，其特征在于，将灵魂体的头部质心和手部质心作为定位点，并锁定头部和手部的旋转自由度；角色实体对应头部质心和手部质心也作为定位点。
4.根据权利要求1所述的基于坐姿的VR全身动作控制方法，其特征在于，下半身部位自带有关节和刚体组件，下半身位姿会自动根据IK算法进行修正。
5.根据权利要求1所述的基于坐姿的VR全身动作控制方法，其特征在于，人体中心的旋转是锁死的，只由玩家自己控制，不受力矩影响；
根据相应部位质量，之前的速度和动量定理在下半身位施加反作用力。
6.根据权利要求1所述的基于坐姿的VR全身动作控制方法，其特征在于，默认着地状态为false，以下躯干为原点向下发射射线获取地面高度h，若左脚和右脚中较低的一个距离地面高度h小于预设值，则着地状态为true；
或者在手部和脚部设置有触发器，当触发器接触到带有地面标签的物体时着地状态变为true。
7.一种基于坐姿的VR全身动作控制系统，其特征在于，包括：
模块M1：根据上半身定位设备和定位点牵引法控制上半身位姿；
模块M2：根据下肢控制器的输入信息控制下半身位姿；
模块M3：根据VR头显的旋转信息和手部控制器上的按键控制人体中心的三自由度旋转；
模块M4：通过下肢控制器操作控制人体中心的平移；
模块M5：通过角色实体的特定部位离地高度或碰撞信息决定是否开启人体重力；
所述定位点牵引法是以角色实体中的定位点为向量起点，灵魂体中的定位点为向量终点，定义向量a；每一个物理帧赋给角色实体上的相应部位一个相对于人体中心的新速度v，v等于向量a乘以缩放系数k再除以物理帧刷新时间。
8.一种计算机可读介质，其特征在于，其存储有可由基于坐姿的VR全身动作控制系统执行的计算机程序，当所述计算机程序在基于坐姿的VR全身动作控制系统上运行时，使得所述基于坐姿的VR全身动作控制系统执行权利要求1-6中任一项所述的基于坐姿的VR全身动作控制方法的步骤。
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