《虚拟现实技术_4th》-(课件).ppt

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虚拟现实技术 Virtual Reality Technology 汪日伟 craftcub@163.com 天津理工大学 计算机与通信学院 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 第四讲 人体动画技术 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 虚拟人体几何表示 人体骨架模型(skeleton) 关节(Joints) Rotational Hinge: 1-DOF Universal: 2-DOF Ball Socket: 3-DOF 关节状态的表示:Euler Angle 欧拉角的特点 简单 几何意义明确 与旋转轴的顺序相关 关节状态的表示: Rotation Matrix Principle axis (x) Arbitrary axis 关节状态的表示: Quaternions(四元组) 四元组与旋转矩阵之间的转换 四元组- 旋转矩阵 旋转矩-四元组 四元数与旋转矩阵之比较 和旋转矩阵是同质的 和旋转矩阵之间可以相互的转换 单位四元数在表示上更具有优势 四元数与旋转矩阵之比较 欧拉角与旋转矩阵的插值问题 空间中一个刚体可以用3个位置参数和3个方向参数来唯一确定 在运动编辑尤其是关键帧动画中,我们经常需要对刚体的姿态进行插值 为了获得一个比较平滑、自然的结果,我们通常需要插值的结果是高阶连续的 物理上,平滑的转动需要的扭矩较小,以利于飞行器的控制等 欧拉角与旋转矩阵的插值问题 欧拉角与旋转矩阵的插值问题 对于方向的插值我们首先想到的是旋转矩阵和欧拉角的线性插值 设两个旋转矩阵Ma和Mb,则: Mo = (1-α)Ma+αMb 不再是一个正交阵 欧拉角与旋转矩阵的插值问题 欧拉角的线性插值为: 虽然仍然表示一个方向但却有任意性 当a,b分别作用旋转c之后所得到的结果并不是对o做旋转c后的结果 向量的旋转 如果v 是一个向量,M是一个旋转矩阵,则旋转M后的向量 v’ 为 v’ = Mv 如果P 是一个点,M是一个旋转矩阵,则旋转M后的点P的位置P’ 为 P’ = M·P 人体姿态表示 人的所有关节的自由度组成了人的自由度,可以由一个向量P表示。如下例机械手臂的姿态可以由向量P(?1 , ?2 , ?3) 人体姿态的显示 forward kinematics Mworld = Mlocal · Mparent-world 有缝人体模型显示结果 人体姿态显示中的皮肤变形 人体姿态显示中的皮肤变形 基于交叉截面的手臂变形 人体运动 人体运动是人体姿态(n个自由度)在时间域上的函数: 如何生成人体运动函数 关键帧方法 运动学方法 正向运动学方法 逆向运动学方法 动力学方法 时空约束方法 基于运动跟踪的方法 人体关节角度计算 运动编辑的方法 修改(retarget, 地形匹配等)、拼接、融合等 关键帧方法 关键帧方法中的运动插值 由于运动的连续,可以在两个关键帧之间插值。 简单的线性插值方法: 设 t1和t2是两个相邻的关键帧, 则时刻t的人体姿态为: 正向运动学方法(Forward Kinematics) Mworld = Mlocal · Mparent-world 需要预先知道所有关节的角度 可以通过给出每个自由度的表达式定义人体运动 逆向运动学方法(Inverse Kinematics) IK is a method of posing a skeleton where you specify the ‘goal’ of the ‘end effector’ and the algorithm computes the joint angles necessary to reach that goal 动力学方法 时空约束方法(Spacetime Constraints) 参见:Automatic Synthesis of Human Motion By: Aleksandra Krstic /~krstic/comp259/classPresentation/classPresentation.ppt 基于运动跟踪的方法 一种人体运动记录回放的方法 关键:数据的转换 基于运动跟踪的方法 基于运动跟踪的方法 基于运动跟踪的方法 演示 猴拳 猴拳(虚拟人) 人体运动编辑 Retarget Proportionally (same skeleton layout but with

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