本發(fā)明涉及虛擬人控制，具體涉及一種基于輕量級物理虛擬人站姿平衡的支撐算法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、虛擬人指具有數(shù)字化外形的虛擬人物。虛擬人具備三大特征：(1)擁有人的外觀及性格特征；(2)擁有通過語言、表情或肢體動作表達(dá)的能力；(3)擁有識別外界環(huán)境、與人交流互動的能力。

2、最早的虛擬人出現(xiàn)于20世紀(jì)80年代，受限于技術(shù)，當(dāng)時的虛擬人制作以手繪為主。21世紀(jì)初，隨著動捕、渲染等技術(shù)的逐步發(fā)展，虛擬人相關(guān)技術(shù)開始在影視領(lǐng)域逐漸普及，用于呈現(xiàn)超現(xiàn)實(shí)角色和場景。2007年初音未來的誕生標(biāo)志著虛擬偶像行業(yè)進(jìn)入蓬勃發(fā)展的階段。近些年來，隨著ai和深度學(xué)習(xí)算法的出現(xiàn)，虛擬人的制作環(huán)節(jié)被大大簡化，同時虛擬人的功能性也日漸凸顯：數(shù)字員工、智能主持人等新業(yè)態(tài)被開發(fā)。目前國內(nèi)各大相關(guān)公司均已開始虛擬人相關(guān)的布局和變現(xiàn)，預(yù)期其在娛樂、電商、教育、文旅等諸多行業(yè)的應(yīng)用將逐步落地。

3、現(xiàn)有技術(shù)倒立擺(ip)反饋模型是一種常用的基于物理的角色站立支撐方案，其原理是通過施加彈簧力將角色的兩個足部向胯部推，從而使角色能夠保持站立。這種方法不僅適用于傳統(tǒng)的基于物理的角色，而且對于結(jié)合數(shù)據(jù)驅(qū)動的基于物理的角色同樣適用。因此，在對基于物理的角色構(gòu)建站姿平衡的工作中，倒立擺模型一直是主流的選擇。

4、在結(jié)合ik動作驅(qū)動的物理角色模型中，身體部位之間存在著父子級關(guān)系，父子之間會相互影響?？璨渴侨聿课坏母?jié)點(diǎn)，當(dāng)人們往足部施加彈簧力時，胯部的位置屬性會受到影響。由于胯部是父級節(jié)點(diǎn)因此也會反過來影響足部的位置屬性，這種閉環(huán)效應(yīng)會導(dǎo)致身體抖動并且無法保持穩(wěn)定的站立姿勢，進(jìn)而無法準(zhǔn)確構(gòu)建虛擬人的站姿平衡。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種基于輕量級物理虛擬人站姿平衡的支撐算法，用于解決現(xiàn)有的虛擬人站姿平衡控制方法由于容易產(chǎn)生欠擬合現(xiàn)象，使得虛擬人難以一直保持平衡狀態(tài)以及通過身體調(diào)整恢復(fù)身體平衡的技術(shù)問題，從而達(dá)到減少虛擬人產(chǎn)生欠擬合現(xiàn)象，并構(gòu)建一個可泛化的虛擬人平衡站姿系統(tǒng)的目的。

2、為解決上述問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下：

3、一種基于輕量級物理虛擬人站姿平衡的支撐算法，包括以下步驟：

4、獲取虛擬人的足部狀態(tài)，根據(jù)所述足部狀態(tài)判斷對所述虛擬人的哪只腳進(jìn)行站姿計算，用于站姿計算的那只腳為目標(biāo)足部；

5、獲取所述目標(biāo)足部的腳下地面數(shù)據(jù)、所述目標(biāo)足部對應(yīng)的下肢數(shù)據(jù)及胯部數(shù)據(jù)，算出虛擬人的站姿胯部高度；

6、將虛擬人胯部拉伸至所述站姿胯部高度，使虛擬人達(dá)到站立的狀態(tài)；

7、生成所述虛擬人的足部運(yùn)動軌跡曲線，并根據(jù)所述足部運(yùn)動軌跡曲線調(diào)整所述虛擬人的腿部位置，恢復(fù)所述虛擬人的平衡。

8、作為優(yōu)選，所述的獲取虛擬人的足部狀態(tài)，根據(jù)所述足部狀態(tài)判斷對所述虛擬人的哪只腳進(jìn)行站姿計算，包括：

9、如判斷結(jié)果為只有一只腳處于運(yùn)動變化且離開地面的狀態(tài)，對尚未進(jìn)行運(yùn)動變化的另一只腳進(jìn)行站姿計算；

10、如判斷結(jié)果為虛擬人雙腳都處于靜止站直的狀態(tài)，對腳下地面高度較低的一只腳進(jìn)行站姿計算。

11、作為優(yōu)選，所述的獲取所述目標(biāo)足部的腳下地面數(shù)據(jù)、所述目標(biāo)足部對應(yīng)的下肢數(shù)據(jù)及胯部數(shù)據(jù)，算出虛擬人的站姿胯部高度，包括：

12、所述腳下地面數(shù)據(jù)指目標(biāo)足部的腳下所接觸的物體所在的高度h，所述下肢數(shù)據(jù)指目標(biāo)足部所對應(yīng)的一側(cè)的腿長lf，所述胯部數(shù)據(jù)指胯部位置坐標(biāo)ps，所述站姿胯部高度h和站姿胯部位置坐標(biāo)p是通過式(1)和(2)計算：

13、

14、p＝(ps.x,rp.y+h,ps.z)??(2)；

15、其中，h指虛擬人呈站立狀態(tài)時胯部與所述腳下地面數(shù)據(jù)之間的高度差，lsf是胯部和足部水平距離，rp指所述目標(biāo)足部對應(yīng)的地面位置，其坐標(biāo)y即為h。

16、作為優(yōu)選，所述的將虛擬人胯部拉伸至所述站姿胯部高度，使虛擬人達(dá)到站立的狀態(tài)，包括：拉動所述虛擬人的胯部在垂直面上進(jìn)行偏移，直至虛擬人達(dá)到站立的狀態(tài)。

17、本發(fā)明還提供一種基于輕量級物理虛擬人站姿平衡的算法系統(tǒng)，包括：

18、判斷模塊，用于獲取虛擬人的足部狀態(tài)，根據(jù)所述足部狀態(tài)判斷對所述虛擬人的哪只腳進(jìn)行站姿計算，用于站姿計算的那只腳為目標(biāo)足部；

19、計算模塊，用于獲取所述目標(biāo)足部的腳下地面數(shù)據(jù)、所述目標(biāo)足部對應(yīng)的下肢數(shù)據(jù)及胯部數(shù)據(jù)，算出虛擬人的站姿胯部高度；

20、拉伸模塊，用于將虛擬人胯部拉伸至所述站姿胯部高度，使虛擬人達(dá)到站立的狀態(tài)；

21、平衡模塊，用于生成所述虛擬人的足部運(yùn)動軌跡曲線，并根據(jù)所述足部運(yùn)動軌跡曲線調(diào)整所述虛擬人的腿部位置，恢復(fù)所述虛擬人的平衡。

22、作為優(yōu)選，所述判斷模塊具體用于：

23、如判斷結(jié)果為只有一只腳處于運(yùn)動變化且離開地面的狀態(tài)，對尚未進(jìn)行運(yùn)動變化的另一只腳進(jìn)行站姿計算；

24、如判斷結(jié)果為虛擬人雙腳都處于靜止站直的狀態(tài)，對腳下地面高度較低的一只腳進(jìn)行站姿計算。

25、作為優(yōu)選，所述計算模塊，具體用于：

26、所述腳下地面數(shù)據(jù)指目標(biāo)足部的腳下所接觸的物體所在的高度h，所述下肢數(shù)據(jù)指目標(biāo)足部所對應(yīng)的一側(cè)的腿長lf，所述胯部數(shù)據(jù)指胯部位置坐標(biāo)ps，所述站姿胯部高度h是通過式(1)和(2)計算：

27、

28、p＝(ps.x,rp.y+h,ps.z)??(2)；

29、其中，站姿胯部高度h是指虛擬人呈站立狀態(tài)時胯部與所述腳下地面數(shù)據(jù)之間的高度差，lsf是胯部和足部的水平距離，rp指所述目標(biāo)足部對應(yīng)的地面所處位置，p為計算得到的站姿胯部位置坐標(biāo)。

30、作為優(yōu)選，所述拉伸模塊，具體用于：拉動所述虛擬人的胯部在垂直面上進(jìn)行偏移，直至虛擬人達(dá)到站立的狀態(tài)。

31、相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明至少具有以下優(yōu)點(diǎn)：

32、本發(fā)明將三維空間劃分為水平位置以及垂直高度，對站立和維持平衡兩個行為進(jìn)行耦合重構(gòu)，并控制身體胯部的位置。在這一過程中，針對站姿行為進(jìn)行了探討，分析了不同的站姿行為，例如單腳站立、雙腿直立、單膝下跪等，并根據(jù)不同的站姿行為進(jìn)行恢復(fù)平衡的動作設(shè)計，其中不僅設(shè)計了不同的平衡判斷方法，同時還參考了[bruijn?2018]利用腳部生成運(yùn)動軌跡來恢復(fù)身體平衡的方法。本發(fā)明之方法為基于物理的角色的站姿平衡控制領(lǐng)域帶來了新的思路和方法。

33、下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。

技術(shù)特征：

1.一種基于輕量級物理虛擬人站姿平衡的支撐算法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于輕量級物理虛擬人站姿平衡的支撐算法，其特征在于，所述的獲取虛擬人的足部狀態(tài)，根據(jù)所述足部狀態(tài)判斷對所述虛擬人的哪只腳進(jìn)行站姿計算，包括：

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于輕量級物理虛擬人站姿平衡的支撐算法，其特征在于，所述的獲取所述目標(biāo)足部的腳下地面數(shù)據(jù)、所述目標(biāo)足部對應(yīng)的下肢數(shù)據(jù)及胯部數(shù)據(jù)，算出虛擬人的站姿胯部高度，包括：

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于輕量級物理虛擬人站姿平衡的支撐算法，其特征在于，所述的將虛擬人胯部拉伸至所述站姿胯部高度，使虛擬人達(dá)到站立的狀態(tài)，包括：拉動所述虛擬人的胯部在垂直面上進(jìn)行偏移，直至虛擬人達(dá)到站立的狀態(tài)。

5.一種基于輕量級物理虛擬人站姿平衡的算法系統(tǒng)，其特征在于：包括：

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于輕量級物理虛擬人站姿平衡的算法系統(tǒng)，其特征在于，所述判斷模塊具體用于：

7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于輕量級物理虛擬人站姿平衡的算法系統(tǒng)，其特征在于，所述計算模塊，具體用于：

8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于輕量級物理虛擬人站姿平衡的算法系統(tǒng)，其特征在于，所述拉伸模塊，具體用于：拉動所述虛擬人的胯部在垂直面上進(jìn)行偏移，直至虛擬人達(dá)到站立的狀態(tài)。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開一種基于輕量級物理虛擬人站姿平衡的支撐算法和系統(tǒng)，所述算法包括：獲取虛擬人的足部狀態(tài)，根據(jù)所述足部狀態(tài)判斷對所述虛擬人的哪只腳進(jìn)行站姿計算，用于站姿計算的那只腳為目標(biāo)足部；獲取所述目標(biāo)足部的腳下地面數(shù)據(jù)、所述目標(biāo)足部對應(yīng)的下肢數(shù)據(jù)及胯部數(shù)據(jù)，算出虛擬人的站姿胯部高度；將虛擬人胯部拉伸至所述站姿胯部高度，使虛擬人達(dá)到站立的狀態(tài)；生成所述虛擬人的足部運(yùn)動軌跡曲線，并根據(jù)所述足部運(yùn)動軌跡曲線調(diào)整所述虛擬人的腿部位置，恢復(fù)所述虛擬人的平衡。本發(fā)明將三維空間劃分為水平位置以及垂直高度，對站立和維持平衡兩個行為進(jìn)行耦合重構(gòu)，并控制身體胯部的位置。

技術(shù)研發(fā)人員：郭慧,楊鈺鈴
受保護(hù)的技術(shù)使用者：梧州學(xué)院
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/15