基于骨骼运动数据的运动单元弯曲和扭转角度分析方法

摘要

本发明公开了一种基于骨骼运动数据的运动单元弯曲和扭转角度分析方法，首先获取关节点在骨骼运动数据的初始帧以及当前帧中的坐标，通过比较运动单元中关节点在骨骼运动数据中的位置变化获得复杂模型的每一个局部变形区域在运动中的弯曲和扭转变形角度，使用本发明方法可以简化使用动作数据驱动三维模型进行自动变形的计算。此外，根据骨骼运动的有关规则，本发明方法通过将运动单元中的扭转角度限定在-π/2～π/2之间，解决了分析骨骼运动数据时，弯曲和扭转角度计算中的二义性问题。

主权项

1.基于骨骼运动数据的运动单元弯曲和扭转角度分析方法，所述运动单元包括三个关节点A、O、B，其中关节点A和O连接成骨骼OA，关节点B和O连接成骨骼OB，其特征在于，分析运动单元的弯曲角度和扭转角度，包括以下步骤：(1)获取关节点A、O、B在骨骼运动数据的初始帧中的坐标A₁、O₁、B₁；(2)获取关节点A、O、B在骨骼运动数据的当前帧中的坐标A₂、O₂、B₂；(3)使用平移向量平移A₂、B₂，获得平移后的坐标A₂′、B₂′；即根据下式计算A₂、B₂平移后的坐标A₂′、B₂′：${A_2}^{\prime }=A_2+\overrightarrow{O_2{O}_1},$${B_2}^{\prime }=B_2+\overrightarrow{O_2{O}_1}$(4)围绕O₁旋转B₂′，获得B₂′旋转后的坐标B₂″；即根据如下方法计算B₂′旋转后的坐标B₂″：①计算旋转角以及旋转轴方向向量ρ＝ρ′/|ρ′|，其中并将ρ写为(x，y，z)的形式；②根据步骤①的结果计算旋转矩阵R：$R=\left[\begin{array}{ccc}(1-\cos \left(w\right))x^2+\cos \left(w\right)& (1-\cos \left(w\right))\mathrm{xy}-\sin \left(w\right)z& (1-\cos \left(w\right))\mathrm{xz}+\sin \left(w\right)y\\ (1-\cos \left(w\right))\mathrm{xy}+\sin \left(w\right)z& (1-\cos \left(w\right))y^2+\cos \left(w\right)& (1-\cos \left(w\right))\mathrm{yz}-\sin \left(w\right)x\\ (1-\cos \left(w\right))\mathrm{xz}-\sin \left(w\right)y& (1-\cos \left(w\right))\mathrm{yz}+\sin \left(w\right)x& (1-\cos \left(w\right))z^2+\cos \left(w\right)\end{array}\right];$③B₂′旋转后的坐标B₂″＝B₂′·R^T+O₁·(I-R^T)，其中I为单位矩阵，上标T表示对矩阵进行转置操作；(5)根据下式计算B₂″的局部坐标B₂′″：${B_2}^{\prime \prime \prime }={B_2}^{\prime \prime }·F_1^{-T},$其中初始帧的局部坐标系到世界坐标系的变换矩阵并且向量向量γ₁＝γ₁′/|γ₁′|，向量α₁＝β₁×γ₁；×表示向量的叉乘；μ_o1表示关节点O₁在世界坐标系中的坐标的向量表示；(6)将局部坐标B₂′″写为(x₂，y₂，z₂)的形式，计算当前局部模型的弯曲角度w₂和扭转角度w₁的方法分别如下：①若其中x₂＞0，则扭转角度否则扭转角度$w_1=\arcsin (z_2/\sqrt{{x_2}^2+{z_2}^2});$②弯曲角度w₂＝θ₂-θ₁，其中${\theta }_2=\arccos [\left(\overrightarrow{O_1{A}_1}\right)·\left(\overrightarrow{O_1{B}_1}\right)/\left(\right|\overrightarrow{O_1{A}_1}|·|\overrightarrow{O_1{B}_1}\left|\right)];$θ₁的确定方法为：若x₂＜0，则θ₁＝2π-θ₁′；否则θ₁＝θ₁′；其中${{\theta }_1}^{\prime }=\arccos (y_2/\sqrt{{x_2}^2+{y_2}^2+{z_2}^2}).$