虚拟现实技术概述 9

虚拟现实技术

VirtualRealityTechnology公众号：别墅8题纲第一讲虚拟现实概述第二讲虚拟现实显示技术计算机三维图形技术立体图形显示技术声音、力觉显示第三讲虚拟现实跟踪技术位置跟踪器数据手套人体运动跟踪第四讲人体动画技术虚拟现实的概念模型王兆其，《虚拟环境中物体运动逼真性的研究》，博士学位论文，北京航空航天大学，1999.6.第四讲人体动画技术公众号：别墅8、本讲题纲人体动画人脸动画1、人体动画人体几何模型表示人体骨架模型(skeleton)人体姿态人体运动基本的人体动画方法虚拟人体几何表示分层表示模型虚拟人体几何表示人体骨架模型(skeleton)虚拟人可以抽象为一个Articulation(链体)，其姿态可以由下列参数表示：基准位置： 表示虚拟人在全局环境中的位置关节角度

： 表示各骨骼段(segment)相对于它所附骨骼段的方向。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：(,,)欧拉角角的特特点简单几何意意义明明确与旋转转轴的的顺序序相关关关节状状态的的表示示：RotationMatrixPrincipleaxis(x)Arbitraryaxis关节状状态的的表示示：Quaternions(四元组组)四元组组与旋旋转矩矩阵之之间的的转换换四元组组->旋转矩矩阵旋转矩矩->四元组组四元数数与旋旋转矩矩阵之之比较较和旋转转矩阵阵是同同质的的和旋转转矩阵阵之间间可以以相互互的转转换单位四四元数数在表表示上上更具具有优优势四元数数与旋旋转矩矩阵之之比较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角与旋旋转矩矩阵的的插值值问题题空间中中一个个刚体体可以以用3个位置置参数数和3个方向向参数数来唯唯一确确定在运动动编辑辑尤其其是关关键帧帧动画画中，，我们们经常常需要要对刚刚体的的姿态态进行行插值值为了获获得一一个比比较平平滑、、自然然的结结果，，我们们通常常需要要插值值的结结果是是高阶阶连续续的物理上上，平平滑的的转动动需要要的扭扭矩较较小，，以利利于飞飞行器器的控控制等等欧拉角角与旋旋转矩矩阵的的插值值问题题欧拉角角与旋旋转矩矩阵的的插值值问题题对于方方向的的插值值我们们首先先想到到的是是旋转转矩阵阵和欧欧拉角角的线线性插插值设两个个旋转转矩阵阵Ma和Mb,则：Mo=(1-α)Ma+αMb不再是是一个个正交交阵欧拉角角与旋旋转矩矩阵的的插值值问题题欧拉角角的线线性插插值为为：虽然仍仍然表表示一一个方方向但但却有有任意意性当a,b分别作作用旋旋转c之后所所得到到的结结果并并不是是对o做旋转转c后的结结果向量的的旋转转如果v是一个个向量量，M是一个个旋转转矩阵阵，则则旋转转M后的向向量v’为v’=Mv如果P是一个个点，，M是一个个旋转转矩阵阵，则则旋转转M后的点点P的位置置P’为P’=M·P人体姿姿态表表示人的所所有关关节的的自由由度组组成了了人的的自由由度，，可以以由一一个向向量P表示。。如下下例机机械手手臂的的姿态态可以以由向向量P(1,2,3)公众号号：别别墅8人体姿姿态的的显示示forwardkinematicsMworld=Mlocal·Mparent-world有缝人人体模模型显显示结结果人体姿姿态显显示中中的皮皮肤变变形Allen基于实实例的的方法法人体姿姿态显显示中中的皮皮肤变变形Shen提出的的基于于解剖剖学的的腿部部变形形结果果基于交交叉截截面的的手臂臂变形形基于交交叉截截面的的手臂臂变形形人体运运动人体运运动是是人体体姿态态(n个自由由度)在时间间域上上的函函数：：如何生生成人人体运运动函函数关键帧帧方法法运动学学方法法正向运运动学学方法法逆向运运动学学方法法动力学学方法法时空约约束方方法基于运运动跟跟踪的的方法法人体关关节角角度计计算运动编编辑的的方法法修改(retarget,地形匹匹配等等)、拼接接、融融合等等关键帧帧方法法关键帧帧方法法中的的运动动插值值由于运运动的的连续续，可可以在在两个个关键键帧之之间插插值。。简单的的线性性插值值方法法：设t1和t2是两个个相邻邻的关关键帧帧,则时刻刻t的人体体姿态态为：：正向运运动学学方法法(ForwardKinematics)Mworld=Mlocal·Mparent-world需要预预先知知道所所有关关节的的角度度可以通通过给给出每每个自自由度度的表表达式式定义义人体体运动动逆向运运动学学方法法(InverseKinematics)IKisamethodofposingaskeletonwhereyouspecifythe‘‘goal’ofthe‘‘endeffector’andthealgorithmcomputesthejointanglesnecessarytoreachthatgoalDEMO》》offline动力学学方法法基于运运动跟跟踪的的方法法一种人人体运运动记记录回回放的的方法法关键：：数据据的转转换基于运运动跟跟踪的的方法法基于运运动跟跟踪的的方法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运动跟跟踪的的方法法演示猴拳猴拳(虚拟人人)人体运运动编编辑RetargetProportionally(sameskeletonlayoutbutwithdifferentoffsets)Topologically(differentskeletontopologyanddifferentoffsets)地形匹匹配拼接融合人体动动画的的特点点人体动动画复杂性性高自由度度个数数多逼真性性要求求高非实时时动画画可以预预先生生成人人体运运动函函数一般用用于高高品质质动画画实时动动画(如VR系统中中)需要在在逼真真性与与实时时性之之间进进行折折中2、人脸脸动画画2.1、三维维人脸脸建模模人体三三维扫扫描技技术：：三维维扫描描仪，，CT人体弹弹性皮皮肤模模型肌肉模模型服饰、、头发发等人脸的的表示示特定人人脸建建模--提取特特征点点坐标标自动或或手工工在特特定人人中性性表情情的正正、侧侧面照照片上上标注注特征征点进行简简单的的坐标标变换换和比比例变变换就就可以以得出出特定定人脸脸所有有特征征点的的三维维空间间坐标标特定人人脸建建模--非特征征点坐坐标计计算以一般般人脸脸中性性网格格作为为初始始网格格以特征征点坐坐标为为输入入数据据用Kriging线性插插值方方法计计算出出非特特征点点坐标标68个FAPs(FacialAnimationParameters)每个FAP控制网网格上上一些些点在在某个个方向向上的的位移移，如如FAP41控制了了蓝色色点的的上下下移动动。用Kriging线性插插值方方法计计算每每个FAP影响哪哪些点点，影影响的的程度度是多多少。。2.2、人脸脸动画画--获取FAP参数人脸动动画--用FAP驱动人人脸动动画上图从从左到到右是是喜、、怒、、哀、、惊的的表情情。每一个个表情情是一一组68个FAP组合的的结果果。将一个个个表表情串串起来来播放放，再再使用用关键键帧插插值的的方法法，就就可以以播放放出平平滑过过度的的动画画。2.3、人脸脸动画画生成成方法法编辑方方法MotionCapture方法训练方方法特征脸脸方法法2.4、基于于训练练的方方法演示第四讲讲小小结人体动动画人体几几何模模型表表示人体