虚拟现实技术53

虚拟现实技术

VirtualRealityTechnology公众号：别墅8题纲第一讲虚虚拟现现实概述述第二讲虚虚拟现现实显示示技术计算机三三维图形形技术立体图形形显示技技术声音、力力觉显示示第三讲虚虚拟现现实跟踪踪技术位置跟踪踪器数据手套套人体运动动跟踪第四讲人人体动动画技术术虚拟现实实的概念念模型王兆其，，《虚拟环境境中物体体运动逼逼真性的的研究》，博士学学位论文文，北京京航空航航天大学学，1999.6..第四讲人人体动画画技术公众号：：别墅8、本讲题纲纲人体动画画人脸动画画1、人体动动画人体几何何模型表表示人体骨架架模型(skeleton))人体姿态态人体运动动基本的人人体动画画方法虚拟人体体几何表表示分层表示示模型虚拟人体体几何表表示人体骨架架模型(skeleton))虚拟人可可以抽象象为一个个Articulation(链体)，其姿态态可以由由下列参参数表示示：基准位置置：表示虚拟拟人在全全局环境境中的位位置关节角度度：表示各骨骨骼段(segment)相对于它它所附骨骨骼段的的方向。。关节(Joints)RotationalHinge:1-DOFUniversal::2--DOFBall&Socket:3-DOF公众号：：别墅8关节状态态的表示示：EulerAngle以(X，Y，Z)为旋转顺顺序轴的的欧拉角角：(,,)欧拉角的的特点简单几何意义义明确与旋转轴轴的顺序序相关关节状态态的表示示：RotationMatrixPrincipleaxis((x)Arbitraryaxis关节状态态的表示示：Quaternions(四元组)四元组与与旋转矩矩阵之间间的转换换四元组->旋转矩阵阵旋转矩->四元组四元数与与旋转矩矩阵之比比较和旋转矩矩阵是同同质的和旋转矩矩阵之间间可以相相互的转转换单位四元元数在表表示上更更具有优优势四元数与与旋转矩矩阵之比比较项目四元数欧拉角/旋转矩阵坐标系独立是否，与顺序有关万向节锁无有插值难易形式简单比较困难直观程度几何意义明显旋转矩阵不够直观维数4(1个约束)9(含6个约束)能否表示平移不能齐次旋转矩阵可以欧拉角与与旋转矩矩阵的插插值问题题空间中一一个刚体体可以用用3个位置参参数和3个方向参参数来唯唯一确定定在运动编编辑尤其其是关键键帧动画画中，我我们经常常需要对对刚体的的姿态进进行插值值为了获得得一个比比较平滑滑、自然然的结果果，我们们通常需需要插值值的结果果是高阶阶连续的的物理上，，平滑的的转动需需要的扭扭矩较小小，以利利于飞行行器的控控制等欧拉角与与旋转矩矩阵的插插值问题题欧拉角与与旋转矩矩阵的插插值问题题对于方向向的插值值我们首首先想到到的是旋旋转矩阵阵和欧拉拉角的线线性插值值设两个旋旋转矩阵阵Ma和Mb,则：Mo=(1-α)Ma+αMb不再是一一个正交交阵欧拉角与与旋转矩矩阵的插插值问题题欧拉角的的线性插插值为：：虽然仍然然表示一一个方向向但却有有任意性性当a,b分别作用用旋转c之后所得得到的结结果并不不是对o做旋转c后的结果果向量的旋旋转如果v是一个向向量，M是一个旋旋转矩阵阵，则旋旋转M后的向量量v’为v’==Mv如果P是一个点点，M是一个旋旋转矩阵阵，则旋旋转M后的点P的位置P’为P’==M·P人体姿态态表示人的所有有关节的的自由度度组成了了人的自自由度，，可以由由一个向向量P表示。如如下例机机械手臂臂的姿态态可以由由向量P(1,2,3)公众号：：别墅8人体姿态态的显示示forwardkinematicsMworld=Mlocal·Mparent--world有缝人体体模型显显示结果果人体姿态态显示中中的皮肤肤变形Allen基于实例例的方法法人体姿态态显示中中的皮肤肤变形Shen提出的基基于解剖剖学的腿腿部变形形结果基于交叉叉截面的的手臂变变形基于交叉叉截面的的手臂变变形人体运动动人体运动动是人体体姿态(n个自由度度)在时间域域上的函函数：如何生成成人体运运动函数数关键帧方方法运动学方方法正向运动动学方法法逆向运动动学方法法动力学方方法时空约束束方法基于运动动跟踪的的方法人体关节节角度计计算运动编辑辑的方法法修改(retarget,,地形匹配配等)、拼接、、融合等等关键帧方方法关键帧方方法中的的运动插插值由于运动动的连续续，可以以在两个个关键帧帧之间插插值。简单的线线性插值值方法：：设t1和t2是两个相相邻的关关键帧,则时刻t的人体姿姿态为：：正向运动动学方法法(ForwardKinematics)Mworld=Mlocal·Mparent--world需要预先先知道所所有关节节的角度度可以通过过给出每每个自由由度的表表达式定定义人体体运动逆向运动动学方法法(InverseKinematics)IKisamethodofposingaskeletonwhereyouspecifythe‘‘goal’’ofthe‘‘endeffector’andthealgorithmcomputesthejointanglesnecessarytoreachthatgoalDEMO》offline动力学方方法基于运动动跟踪的的方法一种人体体运动记记录回放放的方法法关键：数数据的转转换基于运动动跟踪的的方法基于运动动跟踪的的方法记录点的坐标转换成旋转角驱动虚拟角色运动重定向基于运动动跟踪的的方法演示猴拳猴拳(虚拟人)人体运动动编辑RetargetProportionally((sameskeletonlayoutbutwithdifferentoffsets))Topologically(differentskeletontopologyanddifferentoffsets)地形匹配配拼接融合人体动画画的特点点人体动画画复杂性高高自由度个个数多逼真性要要求高非实时动动画可以预先先生成人人体运动动函数一般用于于高品质质动画实时动画画(如VR系统中)需要在逼逼真性与与实时性性之间进进行折中中2、人脸动动画2.1、三维人人脸建模模人体三维维扫描技技术：三三维扫描描仪，CT人体弹性性皮肤模模型肌肉模型型服饰、头头发等人脸的表表示特定人脸脸建模--提取特征征点坐标标自动或手手工在特特定人中中性表情情的正、、侧面照照片上标标注特征征点进行简单单的坐标标变换和和比例变变换就可可以得出出特定人人脸所有有特征点点的三维维空间坐坐标特定人脸脸建模--非特征点点坐标计计算以一般人人脸中性性网格作作为初始始网格以特征点点坐标为为输入数数据用Kriging线性插值值方法计计算出非非特征点点坐标68个FAPs(FacialAnimationParameters)每个FAP控制网格格上一些些点在某某个方向向上的位位移，如如FAP41控制了蓝蓝色点的的上下移移动。用Kriging线性插值值方法计计算每个个FAP影响哪些些点，影影响的程程度是多多少。2.2、人脸动动画--获取FAP参数人脸动画画--用FAP驱动人脸脸动画上图从左左到右是是喜、怒怒、哀、、惊的表表情。每一个表表情是一一组68个FAP组合的结结果。将一个个个表情串串起来播播放，再再使用关关键帧插插值的方方法，就就可以播播放出平平滑过度度的动画画。2.3、人脸动动画生成成方法编辑方法法MotionCapture方法训练方法法特征脸方方法2.4、基于训训练的方方法演示第