基于空间多点信息采集的虚拟现实人景合成关键技术研究

论文题目: 基于空间多点信息采集的虚拟现实人景合成关键技术研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 计算机应用技术

作者: 黄海明

导师: 刘金刚

关键词: 运动捕捉,虚拟现实,关节角度,一致性

文献来源: 中国科学院研究生院（计算技术研究所）

发表年度: 2005

论文摘要: 本文从空间多点信息采集处理技术及其在虚拟现实中的应用出发,针对目前光学运动捕捉所存在的运动跟踪与重构的质量和速度等各种问题展开了研究,包括提高跟踪质量的策略和改善重构水平的策略,并对虚拟人景交互合成的策略进行了深入的研究。根据运动捕捉的流程,从各个环节提高跟踪质量和重构效果,包括姿态参数的获取、参数有效性判别、虚拟人的建模与驱动、以及在虚拟现实环境中的合理保持一致性的策略,并实现了相关的算法。本文首先综述了运动捕捉的意义,人体运动捕捉数据的不同应用,分析了对运动跟踪质量造成影响的各种因素并讨论了其中的一些需要进一步研究的问题。同时对人景合成的策略进行了介绍,还介绍了一些可以利用运动捕捉的虚拟人应用系统。本文针对与表演者匹配的marker-skeleton模型获取的相关问题展开研究,定义了适合运动的人体结构,研究并确定了适合的marker个数和粘贴位置。由于关节中心的获取是skeleton模型获取的关键问题,本文研究了各种关节中心获取算法,通过实验从算法精度和复杂度两个方面分析了各种算法的优劣,给出了marker权值、搜索优化、异点去除以及改善样本集等策略,最终实现了一种精确的关节中心定位算法。在此基础上,根据本系统的具体情况,进行局部关节子系统的调整,构造了Full-Marker-Joint关系模型来进行关节中心的快速定位,以此来生成所有帧的关节中心。接着在分析了Herda假设的基础上,提出了经验解析算法与全局能量最小搜索的混合方案,最后给出了完全marker-skeleton模型的生成结果。本文对人体运动姿态的运动参数获取方法展开了研究,分析了现有的多种姿态获取方法,包括运动学几何解析法、逆向运动学解析法、能量函数法和动力学方法。接着详细阐述了基于较少marker的无skeleton的运动参数解析法。为了解决分级解析几何关节参数求解所导致的最终重构的marker重合度不佳的情况,并避免局部收敛问题,最终本文提出了一种基于粗姿态和完全marker-skeleton模型的运动参数获取算法。本文分析了目前一般采用的运动参数有效性判别方法,包括刚体关系判别、幅度空间可达性判别、基于统计学的关节受限角判别、运动平滑度判别等等,然后提出了一种新的有效性判别策略——具有个性化关联性的运动参数有效性判别策略,通过生成、保存各关节的受限空间,将有效性问题转化为空间判定问题。最后对该策略进行了例证。在对信息补全与信息调整方法的研究中,我们特别考虑了速度变化的外插方法,并给出了有关的信息补全结果。同时针对Marker表面漂移问题,提出了一种基于常识针对表面漂移的关节参数补偿策略。在概述了目前虚拟人建模与驱动研究状况的基础上,本文简述了本系统虚拟人模型的建模方法,针对虚拟人匹配骨架的手工生成和配准所存在的随意误差,提出了一种基于OBB包围盒的虚拟人匹配骨架自动获取方法。然后文章阐述了常用的多肢体段重叠

论文目录:

摘要

英文摘要

图目录

表目录

第一章空间多点信息处理技术及人景合成的研究现状

1.1 引言及背景

1.2 国内外发展现状

1.2.1 捕捉方式的发展

1.2.2 在不同应用中跟踪质量的重要程度不同

1.2.3 对于提高运动跟踪与重构质量的研究现状

1.2.4 人景合成策略

1.2.5 利用运动捕捉的各种虚拟人应用系统

1.3 本系统方案的概述

1.4 本论文的组织结构

第二章与表演者匹配的marker-skeleton 模型获取的方法研究

2.1 适合运动的人体结构定义

2.2 marker 个数和粘贴位置的研究

2.3 改进的关节中心定位算法

2.3.1 关节旋转中心估算方法

2.3.2 进一步改进的关节中心定位算法

2.4 适用于具体多点采集装置的完全marker-skeleton 模型的生成策略

2.4.1 表演者匹配的skeleton 模型的自动生成策略

2.4.2 完全marker-skeleton 模型的生成

第三章人体运动姿态的运动参数获取及有效性的研究

3.1 人体运动姿态的表示与获取方法概述

3.2 适用于具体多点采集装置的运动参数获取算法

3.2.1 基于较少marker 的无skeleton 的运动参数解析法

3.2.2 基于粗姿态和完全marker-skeleton 模型的运动参数获取算法

3.2.3 讨论

3.3 具有个性化关联性的运动参数有效性判别策略

3.3.1 一般的运动参数有效性判别方法

3.3.2 具有个性化关联性的运动参数有效性判别策略

3.3.3 策略的例证与讨论

3.4 信息补全与信息调整方法

3.5 基于常识针对表面漂移的关节参数补偿策略

第四章虚拟人的建模及驱动策略研究

4.1 虚拟人的建模与驱动概述

4.2 一种虚拟人匹配骨架自动获取的新方法

4.2.1 本系统的虚拟人建模

4.2.2 虚拟人匹配骨架的自动获取

4.3 基于动态添加边缘点圈的多肢体段无缝拼接驱动算法

4.3.1 常规的肢体段重叠法

4.3.2 模型的无缝化驱动

4.4 虚拟人的非原型驱动方法

第五章虚拟现实人景交互的研究

5.1 基于实景的虚拟现实场景生成

5.2 基于空间多点的物体参数采集与建模策略研究

5.2.1 物体的参数化建模

5.2.2 基于空间多点信息采集的物体参数的获取方法

5.2.3 以空间点信息为输入的交互式建模定位方案

5.2.4 讨论

5.3 人与物之间的碰撞检测优化算法

5.3.1 碰撞检测简介

5.3.2 人与物之间的碰撞检测优化算法

5.3.3 物体的碰撞响应处理

5.4 基于全景图的人景合成策略

5.4.1 准三维虚拟场景的快速生成

5.4.2 虚拟人未被物体遮挡的合成

5.4.3 虚拟人被虚拟物体遮挡的合成策略

5.4.4 人体与物体间的交互策略

5.5 讨论

第六章系统实现的补充说明与误差分析

6.1 系统实现的补充说明

6.2 系统误差讨论

第七章结束语

7.1 本文主要贡献与创新

7.2 下一步研究工作

参考文献

致谢

作者简历

发布时间: 2006-12-27

参考文献

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