專利名稱：一種虛擬人群運(yùn)動(dòng)的三維可視化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域，特別涉及一種虛擬人群運(yùn)動(dòng)的三維可視化方法。
背景技術(shù)：
虛擬人群運(yùn)動(dòng)的可視化是指將人群的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)顯示在屏幕上，當(dāng)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)賦予某個(gè)個(gè)體后，在屏幕上通過(guò)觀察個(gè)體的運(yùn)動(dòng)，可以了解到運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)產(chǎn)生的宏觀或微觀效果。對(duì)大規(guī)模人群運(yùn)動(dòng)進(jìn)行三維可視化，可以在計(jì)算機(jī)空間中生成逼真的虛擬人群，并從各個(gè)角度全方位的觀察各種場(chǎng)所、各種情況下的人群運(yùn)動(dòng)情況，有著非常廣泛的應(yīng)用前景。例如在大型建筑(如火車站、體育館等)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)師必須考慮在各種緊急情況(如火災(zāi)、爆炸、踩踏等)發(fā)生時(shí)大規(guī)模人群的表現(xiàn)，利用大規(guī)模虛擬群體運(yùn)動(dòng)的三維可視化技術(shù)，可以 方便的在設(shè)計(jì)階段對(duì)建筑進(jìn)行公共安全評(píng)價(jià)。在電影制作中，也經(jīng)常需要逼真的展現(xiàn)大規(guī)模動(dòng)態(tài)人群的場(chǎng)景，如電影《兄弟連》中展現(xiàn)盟軍登陸時(shí)傘兵大規(guī)模從天而降的效果。在游戲制作中，游戲動(dòng)畫(huà)師也經(jīng)常需要在游戲場(chǎng)景中渲染大量游戲角色的群體運(yùn)動(dòng)，如《魔獸世界》中鋪天蓋地的怪獸運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景。因此，在游戲/影視制作、建筑設(shè)計(jì)、公共安全評(píng)估等領(lǐng)域都需要一種虛擬人群運(yùn)動(dòng)的三維可視化方法。大規(guī)模虛擬人群運(yùn)動(dòng)的三維可視化方法，需要同時(shí)滿足逼真性和實(shí)時(shí)性需求。一方面，需要使用豐富的虛擬角色模型，并且每個(gè)虛擬角色模型都能夠被獨(dú)立控制并完成指定的動(dòng)作，以滿足用戶對(duì)于逼真性的需求；另一方面，模型載入、驅(qū)動(dòng)和渲染的內(nèi)存開(kāi)銷和計(jì)算開(kāi)銷要控制在一定范圍內(nèi)，以保證用戶能夠?qū)崟r(shí)地獲得可視化結(jié)果。此外，還需要考慮易用性、通用性和建模成本等方面的要求。由于技術(shù)上的難度，目前還沒(méi)有通用的大規(guī)模虛擬人群運(yùn)動(dòng)的三維可視化方法。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)大規(guī)模虛擬人群運(yùn)動(dòng)進(jìn)行三維化可視化操作的缺陷，從而提供一種高效、通用、且建模成本低的方法。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種虛擬人群運(yùn)動(dòng)的三維可視化方法，包含以下步驟
步驟10)、分析系統(tǒng)中要出現(xiàn)的虛擬人群，將個(gè)體作分類，為每種分類按外形特征建立一個(gè)三維人體模型作為模板模型，得到模板模型庫(kù)并根據(jù)每個(gè)模板模型的特征，選擇一組派生部位,定義每一派生部位所能用到的材質(zhì),加入到材質(zhì)庫(kù)中
步驟20)、捕獲或者手工生成人體運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，并將運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)輸入到運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)中；
步驟30)、合成運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)；
步驟40)、對(duì)模板模型和合成的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行繪制預(yù)處理；
步驟50)、輸入描述人群運(yùn)動(dòng)的簡(jiǎn)單腳本數(shù)據(jù)，腳本中的信息包括群體中每個(gè)個(gè)體所屬的類型、每個(gè)個(gè)體當(dāng)前的位置、每個(gè)個(gè)體當(dāng)前的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；
步驟60)、根據(jù)步驟50)中輸入的數(shù)據(jù)，從模板模型庫(kù)中選擇模板模型，并結(jié)合材質(zhì)庫(kù)實(shí)現(xiàn)模型的派生，生成虛擬個(gè)體；步驟70)、對(duì)步驟60)生成的虛擬個(gè)體，根據(jù)該個(gè)體在步驟50)中輸入的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息，從所述的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)中選擇運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，并計(jì)算該運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)隨時(shí)間的變化，以驅(qū)動(dòng)虛擬個(gè)體的運(yùn)動(dòng)；遍歷群體中的所有虛擬個(gè)體，生成動(dòng)態(tài)的虛擬人群；
步驟80)、實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬人群的群體渲染。上述技術(shù)方案中，在步驟10)中，所述的將個(gè)體作分類是按照個(gè)體的年齡、性別對(duì)人群進(jìn)行劃分。上述技術(shù)方案中，在步驟10)中，所述的派生部位選擇人體所穿著的服裝、發(fā)型、鞋帽。上述技術(shù)方案中，所述的步驟20)包括 步驟21)、統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)中的虛擬個(gè)體可能出現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；
步驟22)、利用運(yùn)動(dòng)捕獲設(shè)備采集或使用運(yùn)動(dòng)生成和編輯軟件手工生成步驟21)中所統(tǒng)計(jì)得到的每種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的人體運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)；
在所述的步驟22)中，捕獲運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)采用基于電磁的或基于光學(xué)的或基于聲學(xué)的運(yùn)動(dòng)捕獲方法，所述的運(yùn)動(dòng)生成和編輯軟件包括專用軟件3dsmaX或Maya或SOFTIMAGE | XSI或 Blender。上述技術(shù)方案中，在所述的步驟30)中，所述的合成運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)采用美工手調(diào)的方法或采用運(yùn)動(dòng)融合、運(yùn)動(dòng)拼接、運(yùn)動(dòng)重定向的方法。上述技術(shù)方案中，在步驟40)中，對(duì)模板模型和合成的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行繪制預(yù)處理包括
41)、對(duì)每個(gè)模版模型,對(duì)每個(gè)此模板模型可執(zhí)行的動(dòng)作數(shù)據(jù),對(duì)此動(dòng)作數(shù)據(jù)的每一幀，計(jì)算對(duì)應(yīng)此幀的三維模型
42)、對(duì)步驟41)中得到的三維模型，進(jìn)行繪制預(yù)處理；其中，所需的繪制預(yù)處理方法包括基于圖像的繪制預(yù)處理方法、基于點(diǎn)采樣的繪制預(yù)處理方法、基于網(wǎng)格動(dòng)畫(huà)的預(yù)處理方法、基于層次細(xì)節(jié)技術(shù)的預(yù)處理方法。上述技術(shù)方案中，所述的步驟60)包括
步驟61)、針對(duì)系統(tǒng)虛擬人群中的每個(gè)個(gè)體，根據(jù)在步驟50)所輸入數(shù)據(jù)中的個(gè)體的類型信息，從模板模型庫(kù)中選擇相應(yīng)的模板模型；
步驟62)、判斷當(dāng)前個(gè)體是否首次出現(xiàn)，若是，執(zhí)行下一步，否則，執(zhí)行步驟64);
步驟63)、個(gè)體首次出現(xiàn)，尚未分配材質(zhì)，從所述的材質(zhì)庫(kù)中隨機(jī)選擇一套材質(zhì)，并在內(nèi)存中存儲(chǔ)材質(zhì)序號(hào)，然后執(zhí)行步驟70);
步驟64)、個(gè)體已經(jīng)分配材質(zhì)，直接從內(nèi)存中讀取該模板模型的材質(zhì)序號(hào)，并使用相應(yīng)的材質(zhì)，進(jìn)行渲染。上述技術(shù)方案中，所述的步驟70)包括
步驟71)、針對(duì)群體中的每個(gè)個(gè)體，根據(jù)步驟50)的輸入數(shù)據(jù)中該個(gè)體的類型信息和當(dāng)前時(shí)刻該個(gè)體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息，從運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)中選擇相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)
步驟72)、根據(jù)輸入數(shù)據(jù)中該個(gè)體當(dāng)前時(shí)刻、上一時(shí)刻和下一時(shí)刻的位置信息，求取該個(gè)體當(dāng)前的運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)方向
步驟73)、根據(jù)從運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)中選出的各時(shí)刻運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的位移向量、個(gè)體各時(shí)刻仿真數(shù)據(jù)的位移向量、個(gè)體上一時(shí)刻所選取的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)幀索引，計(jì)算當(dāng)前時(shí)刻個(gè)體的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，所述的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)包括個(gè)體當(dāng)前的位置、身體各個(gè)部分的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)；
步驟74)、利用步驟73)中得到的當(dāng)前時(shí)刻運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)和步驟72)中得到的運(yùn)動(dòng)方向驅(qū)動(dòng)步驟60)中生成的虛擬個(gè)體；
步驟75)、遍歷群體中的全部個(gè)體，生成動(dòng)態(tài)虛擬群體。上述技術(shù)方案中，所述的步驟80)中所敘述的群體渲染采用的方法包括基于圖像的繪制方法、基于點(diǎn)采樣的繪制方法、基于網(wǎng)格動(dòng)畫(huà)的繪制方法、基于層次細(xì)節(jié)技術(shù)的繪制方法。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在
1、系統(tǒng)的輸入較為簡(jiǎn)單，主要是不同時(shí)刻下個(gè)體的狀態(tài)、位置等腳本數(shù)據(jù)，可以方便的嵌入到其他應(yīng)用系統(tǒng)或被它們調(diào)用，具有較好的通用性；
2、通過(guò)使用骨骼蒙皮、運(yùn)動(dòng)捕獲等技術(shù)，系統(tǒng)可以自由靈活地控制群體中的每個(gè)個(gè)體，滿足用戶對(duì)于人體運(yùn)動(dòng)逼真性的要求；
3、通過(guò)使用模型派生技術(shù)，能夠從較少的模型模板派生出大量的個(gè)性化模型，最大程度的降低三維群體模型的建模成本，并節(jié)省模型載入、存儲(chǔ)的內(nèi)存開(kāi)銷和計(jì)算開(kāi)銷；
4、通過(guò)使用運(yùn)動(dòng)變形技術(shù)，用較少的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)就可以產(chǎn)生逼真的運(yùn)動(dòng)效果，從而節(jié)省模型驅(qū)動(dòng)的內(nèi)存開(kāi)銷和計(jì)算開(kāi)銷；
5、通過(guò)使用基于點(diǎn)采樣的渲染等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模人群數(shù)據(jù)的三維實(shí)時(shí)渲染。


圖I為本發(fā)明的虛擬人群運(yùn)動(dòng)的三維可視化方法的流程圖
圖2為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中所建立的六類模板模型。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。如圖I所示，本發(fā)明的虛擬人群運(yùn)動(dòng)的三維可視化方法，包括以下步驟
一、預(yù)處理步驟
預(yù)處理步驟的主要目的是生成實(shí)時(shí)處理時(shí)所需要的模板模型庫(kù)、材質(zhì)庫(kù)、運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)和繪制庫(kù)。因此包括模板模型建模、運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)捕獲、運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)合成、模板模型和運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)繪制預(yù)處理四個(gè)子步驟。步驟10、模板模型建模，建立模板模型庫(kù)。步驟11、分析應(yīng)用系統(tǒng)中出現(xiàn)的虛擬人群，將其中的個(gè)體按照一定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類。例如可以按照年齡和性別，將人群中的個(gè)體分為老年人男、老年人女、青年人男、青年人女、兒童男、兒童女六類。步驟12、針對(duì)每一類型個(gè)體的外形特征，建立一個(gè)三維人體模型作為模板模型。例如，在步驟11)中將虛擬人群劃分為老年人男、老年人女、青年人男、青年人女、兒童男、兒童女六類，在本步驟中，為老年人男建立一個(gè)三維人體模型，該模型作為老年人男的模板模型，對(duì)其他種類的虛擬人群也做類似的操作，最后得到老年人男、老年人女、青年人男、青年人女、兒童男、兒童女六類個(gè)體的模板模型。圖2就是老年人男、老年人女、青年人男、青年人女、兒童男、」L童女六類個(gè)體的模板模型。步驟13、針對(duì)每個(gè)模板模型的特征，選擇一組派生部位，定義每一派生部位的可能材質(zhì)，并加入到材質(zhì)庫(kù)中。一般情況下，可以選擇人體所穿著的服裝、發(fā)型、鞋帽作為派生部分。以老年人男模板模型為例，若指定上衣和褲子做為派生部位，材質(zhì)庫(kù)中存放的即為上衣和褲子的可能材質(zhì)，這些可能材質(zhì)由用戶根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)需要人為指定。步驟20、捕獲人體運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，或者手工生成人體運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，并將運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)輸入到運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)中。步驟21、統(tǒng)計(jì)應(yīng)用系統(tǒng)中的虛擬個(gè)體可能出現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。例如，在人員平地緊急疏散的情況下，個(gè)體可能出現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)包括走、跑、停止觀望、死亡倒地。步驟22、利用運(yùn)動(dòng)捕獲設(shè)備或使用運(yùn)動(dòng)生成和編輯軟件，采集步驟21中所統(tǒng)計(jì)得到的每種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的人體運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)。對(duì)人體運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的捕獲可采用現(xiàn)有的運(yùn)動(dòng)
捕獲方法，包括基于電磁的、基于光學(xué)的、基于聲學(xué)的運(yùn)動(dòng)捕獲方法，所采用的運(yùn)動(dòng)捕獲設(shè)備可采用VIC0N。所述的運(yùn)動(dòng)生成和編輯軟件包括專用軟件3dsmax或Maya或 SOFTIMAG I XSI 或 Blender。步驟30、運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)合成。不同的模板模型，由于具有不同的身高、腿長(zhǎng)等人體測(cè)量學(xué)信息，若采用相同的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，必將產(chǎn)生腳步滑動(dòng)、肢體穿透等問(wèn)題。因此，需要對(duì)捕獲到的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，為每個(gè)模板模型合成一套符合該模型體型的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)。此外，，為了節(jié)省存儲(chǔ)空間，每個(gè)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)需要處理成可循環(huán)播放的，即首幀和尾幀能夠平滑過(guò)渡的周期性運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)。合成運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，可以采用美工手調(diào)的方法，也可以采用運(yùn)動(dòng)融合、運(yùn)動(dòng)拼接、運(yùn)動(dòng)重定向等技術(shù)，只要生成的數(shù)據(jù)是逼真的、符合模板模型體型特征的、能夠循環(huán)播放的就可以。步驟40、模板模型和運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)繪制預(yù)處理。為了提高模板模型渲染的速度，高效的繪制算法通常需要對(duì)模板模型和運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行繪制預(yù)處理。例如，采用基于點(diǎn)采樣的繪制算法，需要對(duì)模板模型經(jīng)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)后的模型進(jìn)行點(diǎn)采樣，生成多分辨率模型；采用基于圖像的繪制算法，也需要根據(jù)這個(gè)驅(qū)動(dòng)后模型生成不同視角的圖像。對(duì)模板模型和合成的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行繪制預(yù)處理的具體實(shí)現(xiàn)步驟包括
步驟41、對(duì)每個(gè)模版模型，對(duì)每個(gè)此模板模型可執(zhí)行的動(dòng)作數(shù)據(jù)，對(duì)此動(dòng)作數(shù)據(jù)的每一幀，計(jì)算對(duì)應(yīng)此幀的三維模型；
步驟42、對(duì)步驟41中得到的三維模型，進(jìn)行繪制預(yù)處理。其中，在步驟42中所需的繪制預(yù)處理方法包括基于圖像的繪制預(yù)處理方法、基于點(diǎn)采樣的繪制預(yù)處理方法、基于網(wǎng)格動(dòng)畫(huà)的預(yù)處理方法、基于層次細(xì)節(jié)技術(shù)的預(yù)處理方法。二、輸入數(shù)據(jù)步驟
步驟50、輸入描述人群運(yùn)動(dòng)的簡(jiǎn)單腳本數(shù)據(jù)，腳本中的信息主要包括群體中每個(gè)個(gè)體所屬的類型、每個(gè)個(gè)體當(dāng)前的位置、每個(gè)個(gè)體當(dāng)前的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。下面是輸入數(shù)據(jù)的一個(gè)例子片段
個(gè)體序號(hào)015 ；
個(gè)體類型老年人男；
時(shí)間(秒):0. 2位置(米)10，11，11 ；
運(yùn)動(dòng)狀態(tài)走；
時(shí)間(秒):0. 3 位置(米)10. 1,11,11 ；
運(yùn)動(dòng)狀態(tài)走；
時(shí)間(秒):0. 4 位置(米)10. 2，，11,11 ；
運(yùn)動(dòng)狀態(tài)走；
三、實(shí)時(shí)處理步驟 實(shí)時(shí)處理步驟包括模型派生、模型驅(qū)動(dòng)、群體渲染，用于對(duì)虛擬人群運(yùn)動(dòng)的三維可視化實(shí)現(xiàn)。步驟60、根據(jù)輸入數(shù)據(jù)，從模板模型庫(kù)中選擇模板模型，并結(jié)合材質(zhì)庫(kù)實(shí)現(xiàn)模型的派生,生成虛擬個(gè)體。步驟61、針對(duì)群體中的每個(gè)個(gè)體，根據(jù)輸入數(shù)據(jù)中該個(gè)體的類型信息，從模板模型庫(kù)中選擇相應(yīng)的模板模型；
步驟62、判斷當(dāng)前個(gè)體是否首次出現(xiàn)，若是，執(zhí)行下一步，否則，執(zhí)行步驟64;
步驟63、個(gè)體首次出現(xiàn)，尚未分配材質(zhì)，從材質(zhì)庫(kù)中隨機(jī)選擇一套材質(zhì)，并在內(nèi)存中存儲(chǔ)材質(zhì)序號(hào)，然后執(zhí)行步驟70 ；
步驟64、個(gè)體已經(jīng)分配材質(zhì)，直接從內(nèi)存中讀取該模板模型的材質(zhì)序號(hào)，并使用相應(yīng)的材質(zhì)，進(jìn)行渲染。步驟70、驅(qū)動(dòng)模型得到個(gè)體當(dāng)前時(shí)刻的最終姿態(tài)。步驟71、針對(duì)群體中的每個(gè)個(gè)體，根據(jù)輸入數(shù)據(jù)中該個(gè)體的類型信息和當(dāng)前時(shí)刻該個(gè)體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息，從運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)中選擇相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)。以步驟50中輸入的數(shù)據(jù)為例，對(duì)個(gè)體序號(hào)為015的老年人男，從運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)中選擇老年人男的走的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)。步驟72、根據(jù)輸入數(shù)據(jù)中該個(gè)體當(dāng)前時(shí)刻、上一時(shí)刻和下一時(shí)刻的位置信息，求取該個(gè)體當(dāng)前的運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)方向。仍以步驟50中輸入的數(shù)據(jù)為例，個(gè)體序號(hào)為015的老年人男，在其運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，上一時(shí)刻為0-2秒，當(dāng)前時(shí)刻為0. 3秒，下一時(shí)刻為0. 4秒，在0. 2秒時(shí)的位置為(10，11，11)，在0. 3秒時(shí)的位置為(10. 1，11，11)，在0. 4秒時(shí)的位置為(10. 2，11，11)。據(jù)此可計(jì)算該個(gè)體當(dāng)前的運(yùn)動(dòng)速度為I米/秒，當(dāng)前的運(yùn)動(dòng)方向?yàn)?1，0，0)。步驟73、根據(jù)從運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)中選出的各時(shí)刻運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的位移向量、個(gè)體各時(shí)刻仿真數(shù)據(jù)的位移向量、個(gè)體上一時(shí)刻所選取的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)幀索引，計(jì)算當(dāng)前時(shí)刻個(gè)體的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)。運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)包括個(gè)體當(dāng)前的位置、身體各個(gè)部分的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。具體計(jì)算方法如下
假設(shè){F1;i=h……，J }為第i幀運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的位移向量，其中，I為運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)總幀數(shù)。(SjI為在時(shí)間點(diǎn)tj上仿真數(shù)據(jù)位移向量，需要求得{Nj}，即在時(shí)間點(diǎn)\_上所選取的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)幀索引。使用數(shù)學(xué)歸納法，使初始值Ntl=I,問(wèn)題轉(zhuǎn)換為在％已知的前提下，求％+1。其中，下標(biāo)j表示上一時(shí)刻，下標(biāo)j+1表示當(dāng)前時(shí)刻。
使用試探求解的方法，將Nj+1，由Nj依次遞增試探，當(dāng)/^_+1時(shí)，試探停止，即得到％+1。其中，>符號(hào)為運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)兩個(gè)向量的比較，使用最大分量比較法，即當(dāng)向量/^+1子NJ中任一分量大于Sp1-S1中相應(yīng)分量時(shí)，即整個(gè)向量大于。因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)幀數(shù)有限，無(wú)法無(wú)限遞增試探，因此當(dāng)％+1>1，時(shí)，NJ+1重新從I開(kāi)始遞增試探，同時(shí)，
Fmn=F^i+FrFi。步驟74、利用步驟73中得到的當(dāng)前時(shí)刻運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)和步驟72)中得到的運(yùn)動(dòng)方向驅(qū)動(dòng)步驟60中生成的虛擬個(gè)體。步驟75、遍歷群體中的全部個(gè)體，生成動(dòng)態(tài)虛擬群體。步驟80、實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬人群的群體渲染。在本步驟中，群體渲染是成熟的現(xiàn)有技術(shù)，可采用中國(guó)專利號(hào)為200610089057. 9，發(fā)明名稱“一種虛擬人實(shí)時(shí)繪制方法”的發(fā)明專利申請(qǐng)，其中公開(kāi)了繪制方法或其他高效的繪制方法，對(duì)動(dòng)態(tài)虛擬群體進(jìn)行實(shí)時(shí)繪制，包括基于圖像的繪制方法、基于點(diǎn)采樣的繪制方法、基于網(wǎng)格動(dòng)畫(huà)的繪制方法、基于層次細(xì)節(jié)技術(shù) 的繪制方法等。
權(quán)利要求
1.一種虛擬人群運(yùn)動(dòng)的三維可視化方法，包含以下步驟 步驟10)、分析系統(tǒng)中要出現(xiàn)的虛擬人群，將個(gè)體作分類，為每種分類按外形特征建立一個(gè)三維人體模型作為模板模型，得到模板模型庫(kù)；并根據(jù)每個(gè)模板模型的特征，選擇ー組派生部位,定義每一派生部位所能用到的材質(zhì),加入到材質(zhì)庫(kù)中 步驟20)、捕獲或者手工生成人體運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，并將運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)輸入到運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)中； 步驟30)、合成運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)； 步驟40)、對(duì)模板模型和合成的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行繪制預(yù)處理； 步驟50)、輸入描述人群運(yùn)動(dòng)的簡(jiǎn)單腳本數(shù)據(jù)，腳本中的信息包括群體中每個(gè)個(gè)體所屬的類型、每個(gè)個(gè)體當(dāng)前的位置、每個(gè)個(gè)體當(dāng)前的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)； 步驟60)、根據(jù)步驟50)中輸入的數(shù)據(jù)，從模板模型庫(kù)中選擇模板模型，并結(jié)合材質(zhì)庫(kù)實(shí)現(xiàn)模型的派生，生成虛擬個(gè)體； 步驟70)、對(duì)步驟60)生成的虛擬個(gè)體，根據(jù)該個(gè)體在步驟50)中輸入的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息，從所述的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)中選擇運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，并計(jì)算該運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)隨時(shí)間的變化，以驅(qū)動(dòng)虛擬個(gè)體的運(yùn)動(dòng)；遍歷群體中的所有虛擬個(gè)體，生成動(dòng)態(tài)的虛擬人群； 步驟80)、實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬人群的群體渲染。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的虛擬人群運(yùn)動(dòng)的三維可視化方法，其特征在于，在步驟10)中，所述的將個(gè)體作分類是按照個(gè)體的年齡、性別對(duì)人群進(jìn)行劃分。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的虛擬人群運(yùn)動(dòng)的三維可視化方法，其特征在于，在步驟10)中，所述的派生部位選擇人體所穿著的服裝、發(fā)型、鞋帽。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的虛擬人群運(yùn)動(dòng)的三維可視化方法，其特征在于，所述的步驟20)包括 步驟21)、統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)中的虛擬個(gè)體可能出現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)； 步驟22)、利用運(yùn)動(dòng)捕獲設(shè)備采集或使用運(yùn)動(dòng)生成和編輯軟件手工生成步驟21)中所統(tǒng)計(jì)得到的每種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的人體運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的虛擬人群運(yùn)動(dòng)的三維可視化方法，其特征在于，在所述的步驟22)中，捕獲運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)采用基于電磁的或基于光學(xué)的或基于聲學(xué)的運(yùn)動(dòng)捕獲方法，所述的運(yùn)動(dòng)生成和編輯軟件包括專用軟件3dsmax或Maya或SoftimageIXSI或Blender。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的虛擬人群運(yùn)動(dòng)的三維可視化方法，其特征在于，在所述的步驟30)中，所述的合成運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)采用美工手調(diào)的方法或采用運(yùn)動(dòng)融合、運(yùn)動(dòng)拼接、運(yùn)動(dòng)重定向的方法。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的虛擬人群運(yùn)動(dòng)的三維可視化方法，其特征在于，在步驟40)中，對(duì)模板模型和合成的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行繪制預(yù)處理包括 41)、對(duì)每個(gè)模版模型,對(duì)每個(gè)此模板模型可執(zhí)行的動(dòng)作數(shù)據(jù),對(duì)此動(dòng)作數(shù)據(jù)的每ー幀，計(jì)算對(duì)應(yīng)此幀的三維模型； 42)、對(duì)步驟41)中得到的三維模型，進(jìn)行繪制預(yù)處理其中，所需的繪制預(yù)處理方法包括基于圖像的繪制預(yù)處理方法、基于點(diǎn)采樣的繪制預(yù)處理方法、基于網(wǎng)格動(dòng)畫(huà)的預(yù)處理方法、基于層次細(xì)節(jié)技術(shù)的預(yù)處理方法。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的虛擬人群運(yùn)動(dòng)的三維可視化方法，其特征在于，所述的步驟60)包括步驟61)、針對(duì)系統(tǒng)虛擬人群中的每個(gè)個(gè)體，根據(jù)在步驟50)所輸入數(shù)據(jù)中的個(gè)體的類型信息，從模板模型庫(kù)中選擇相應(yīng)的模板模型； 步驟62)、判斷當(dāng)前個(gè)體是否首次出現(xiàn)，若是，執(zhí)行下一歩，否則，執(zhí)行步驟64) 步驟63)、個(gè)體首次出現(xiàn)，尚未分配材質(zhì)，從所述的材質(zhì)庫(kù)中隨機(jī)選擇ー套材質(zhì)，并在內(nèi)存中存儲(chǔ)材質(zhì)序號(hào)，然后執(zhí)行步驟70); 步驟64)、個(gè)體已經(jīng)分配材質(zhì)，直接從內(nèi)存中讀取該模板模型的材質(zhì)序號(hào)，并使用相應(yīng)的材質(zhì)，進(jìn)行渲染。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的虛擬人群運(yùn)動(dòng)的三維可視化方法，其特征在于，所述的步驟70)包括 步驟71)、針對(duì)群體中的每個(gè)個(gè)體，根據(jù)步驟50)的輸入數(shù)據(jù)中該個(gè)體的類型信息和當(dāng)前時(shí)刻該個(gè)體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息，從運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)中選擇相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)； 步驟72)、根據(jù)輸入數(shù)據(jù)中該個(gè)體當(dāng)前時(shí)刻、上一時(shí)刻和下一時(shí)刻的位置信息，求取該個(gè)體當(dāng)前的運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)方向； 步驟73)、根據(jù)從運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)中選出的各時(shí)刻運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的位移向量、個(gè)體各時(shí)刻仿真數(shù)據(jù)的位移向量、個(gè)體上ー時(shí)刻所選取的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)幀索引，計(jì)算當(dāng)前時(shí)刻個(gè)體的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，所述的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)包括個(gè)體當(dāng)前的位置、身體各個(gè)部分的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)； 步驟74)、利用步驟73)中得到的當(dāng)前時(shí)刻運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)和步驟72)中得到的運(yùn)動(dòng)方向驅(qū)動(dòng)步驟60)中生成的虛擬個(gè)體； 步驟75)、遍歷群體中的全部個(gè)體，生成動(dòng)態(tài)虛擬群體。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的虛擬人群運(yùn)動(dòng)的三維可視化方法，其特征在于，所述的步驟80)中所敘述的群體渲染采用的方法包括基于圖像的繪制方法、基于點(diǎn)采樣的繪制方法、基于網(wǎng)格動(dòng)畫(huà)的繪制方法、基于層次細(xì)節(jié)技術(shù)的繪制方法。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種虛擬人群運(yùn)動(dòng)的三維可視化方法，本發(fā)明公開(kāi)了一種虛擬人群運(yùn)動(dòng)的三維可視化方法，包含以下步驟分析系統(tǒng)中要出現(xiàn)的虛擬人群，將個(gè)體作分類，建立模板模型庫(kù)和材質(zhì)庫(kù)；捕獲或者手工生成所需人體運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，并將運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)輸入到運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)中；合成運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)；對(duì)模板模型和合成的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行繪制預(yù)處理；輸入描述人群運(yùn)動(dòng)的簡(jiǎn)單腳本數(shù)據(jù)；生成虛擬個(gè)體；驅(qū)動(dòng)虛擬個(gè)體的運(yùn)動(dòng)，生成動(dòng)態(tài)的虛擬人群；實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬人群的群體渲染。本發(fā)明的虛擬人群運(yùn)動(dòng)三維可視化方法，具有高效、通用、低建模成本等優(yōu)點(diǎn)，能夠在普通的PC上實(shí)時(shí)、逼真的展示30,000人規(guī)模的虛擬人群運(yùn)動(dòng)。
文檔編號(hào)G06T13/40GK102693549SQ20111007336
公開(kāi)日2012年9月26日 申請(qǐng)日期2011年3月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月25日
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