虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)53

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

VirtualRealityTechnology公眾號：別墅8題綱第一講虛虛擬現(xiàn)現(xiàn)實(shí)概述述第二講虛虛擬現(xiàn)現(xiàn)實(shí)顯示示技術(shù)計(jì)算機(jī)三三維圖形形技術(shù)立體圖形形顯示技技術(shù)聲音、力力覺顯示示第三講虛虛擬現(xiàn)現(xiàn)實(shí)跟蹤蹤技術(shù)位置跟蹤蹤器數(shù)據(jù)手套套人體運(yùn)動動跟蹤第四講人人體動動畫技術(shù)術(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)的概念念模型王兆其，，《虛擬環(huán)境境中物體體運(yùn)動逼逼真性的的研究》，博士學(xué)學(xué)位論文文，北京京航空航航天大學(xué)學(xué)，1999.6..第四講人人體動畫畫技術(shù)公眾號：：別墅8、本講題綱綱人體動畫畫人臉動畫畫1、人體動動畫人體幾何何模型表表示人體骨架架模型(skeleton))人體姿態(tài)態(tài)人體運(yùn)動動基本的人人體動畫畫方法虛擬人體體幾何表表示分層表示示模型虛擬人體體幾何表表示人體骨架架模型(skeleton))虛擬人可可以抽象象為一個(gè)個(gè)Articulation(鏈體)，其姿態(tài)態(tài)可以由由下列參參數(shù)表示示：基準(zhǔn)位置置：表示虛擬擬人在全全局環(huán)境境中的位位置關(guān)節(jié)角度度：表示各骨骨骼段(segment)相對于它它所附骨骨骼段的的方向。。關(guān)節(jié)(Joints)RotationalHinge:1-DOFUniversal::2--DOFBall&Socket:3-DOF公眾號：：別墅8關(guān)節(jié)狀態(tài)態(tài)的表示示：EulerAngle以(X，Y，Z)為旋轉(zhuǎn)順順序軸的的歐拉角角：(,,)歐拉角的的特點(diǎn)簡單幾何意義義明確與旋轉(zhuǎn)軸軸的順序序相關(guān)關(guān)節(jié)狀態(tài)態(tài)的表示示：RotationMatrixPrincipleaxis((x)Arbitraryaxis關(guān)節(jié)狀態(tài)態(tài)的表示示：Quaternions(四元組)四元組與與旋轉(zhuǎn)矩矩陣之間間的轉(zhuǎn)換換四元組->旋轉(zhuǎn)矩陣陣旋轉(zhuǎn)矩->四元組四元數(shù)與與旋轉(zhuǎn)矩矩陣之比比較和旋轉(zhuǎn)矩矩陣是同同質(zhì)的和旋轉(zhuǎn)矩矩陣之間間可以相相互的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換單位四元元數(shù)在表表示上更更具有優(yōu)優(yōu)勢四元數(shù)與與旋轉(zhuǎn)矩矩陣之比比較項(xiàng)目四元數(shù)歐拉角/旋轉(zhuǎn)矩陣坐標(biāo)系獨(dú)立是否，與順序有關(guān)萬向節(jié)鎖無有插值難易形式簡單比較困難直觀程度幾何意義明顯旋轉(zhuǎn)矩陣不夠直觀維數(shù)4(1個(gè)約束)9(含6個(gè)約束)能否表示平移不能齊次旋轉(zhuǎn)矩陣可以歐拉角與與旋轉(zhuǎn)矩矩陣的插插值問題題空間中一一個(gè)剛體體可以用用3個(gè)位置參參數(shù)和3個(gè)方向參參數(shù)來唯唯一確定定在運(yùn)動編編輯尤其其是關(guān)鍵鍵幀動畫畫中，我我們經(jīng)常常需要對對剛體的的姿態(tài)進(jìn)進(jìn)行插值值為了獲得得一個(gè)比比較平滑滑、自然然的結(jié)果果，我們們通常需需要插值值的結(jié)果果是高階階連續(xù)的的物理上，，平滑的的轉(zhuǎn)動需需要的扭扭矩較小小，以利利于飛行行器的控控制等歐拉角與與旋轉(zhuǎn)矩矩陣的插插值問題題歐拉角與與旋轉(zhuǎn)矩矩陣的插插值問題題對于方向向的插值值我們首首先想到到的是旋旋轉(zhuǎn)矩陣陣和歐拉拉角的線線性插值值設(shè)兩個(gè)旋旋轉(zhuǎn)矩陣陣Ma和Mb,則：Mo=(1-α)Ma+αMb不再是一一個(gè)正交交陣歐拉角與與旋轉(zhuǎn)矩矩陣的插插值問題題歐拉角的的線性插插值為：：雖然仍然然表示一一個(gè)方向向但卻有有任意性性當(dāng)a,b分別作用用旋轉(zhuǎn)c之后所得得到的結(jié)結(jié)果并不不是對o做旋轉(zhuǎn)c后的結(jié)果果向量的旋旋轉(zhuǎn)如果v是一個(gè)向向量，M是一個(gè)旋旋轉(zhuǎn)矩陣陣，則旋旋轉(zhuǎn)M后的向量量v’為v’==Mv如果P是一個(gè)點(diǎn)點(diǎn)，M是一個(gè)旋旋轉(zhuǎn)矩陣陣，則旋旋轉(zhuǎn)M后的點(diǎn)P的位置P’為P’==M·P人體姿態(tài)態(tài)表示人的所有有關(guān)節(jié)的的自由度度組成了了人的自自由度，，可以由由一個(gè)向向量P表示。如如下例機(jī)機(jī)械手臂臂的姿態(tài)態(tài)可以由由向量P(1,2,3)公眾號：：別墅8人體姿態(tài)態(tài)的顯示示forwardkinematicsMworld=Mlocal·Mparent--world有縫人體體模型顯顯示結(jié)果果人體姿態(tài)態(tài)顯示中中的皮膚膚變形Allen基于實(shí)例例的方法法人體姿態(tài)態(tài)顯示中中的皮膚膚變形Shen提出的基基于解剖剖學(xué)的腿腿部變形形結(jié)果基于交叉叉截面的的手臂變變形基于交叉叉截面的的手臂變變形人體運(yùn)動動人體運(yùn)動動是人體體姿態(tài)(n個(gè)自由度度)在時(shí)間域域上的函函數(shù)：如何生成成人體運(yùn)運(yùn)動函數(shù)數(shù)關(guān)鍵幀方方法運(yùn)動學(xué)方方法正向運(yùn)動動學(xué)方法法逆向運(yùn)動動學(xué)方法法動力學(xué)方方法時(shí)空約束束方法基于運(yùn)動動跟蹤的的方法人體關(guān)節(jié)節(jié)角度計(jì)計(jì)算運(yùn)動編輯輯的方法法修改(retarget,,地形匹配配等)、拼接、、融合等等關(guān)鍵幀方方法關(guān)鍵幀方方法中的的運(yùn)動插插值由于運(yùn)動動的連續(xù)續(xù)，可以以在兩個(gè)個(gè)關(guān)鍵幀幀之間插插值。簡單的線線性插值值方法：：設(shè)t1和t2是兩個(gè)相相鄰的關(guān)關(guān)鍵幀,則時(shí)刻t的人體姿姿態(tài)為：：正向運(yùn)動動學(xué)方法法(ForwardKinematics)Mworld=Mlocal·Mparent--world需要預(yù)先先知道所所有關(guān)節(jié)節(jié)的角度度可以通過過給出每每個(gè)自由由度的表表達(dá)式定定義人體體運(yùn)動逆向運(yùn)動動學(xué)方法法(InverseKinematics)IKisamethodofposingaskeletonwhereyouspecifythe‘‘goal’’ofthe‘‘endeffector’andthealgorithmcomputesthejointanglesnecessarytoreachthatgoalDEMO》offline動力學(xué)方方法基于運(yùn)動動跟蹤的的方法一種人體體運(yùn)動記記錄回放放的方法法關(guān)鍵：數(shù)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換基于運(yùn)動動跟蹤的的方法基于運(yùn)動動跟蹤的的方法記錄點(diǎn)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)角驅(qū)動虛擬角色運(yùn)動重定向基于運(yùn)動動跟蹤的的方法演示猴拳猴拳(虛擬人)人體運(yùn)動動編輯RetargetProportionally((sameskeletonlayoutbutwithdifferentoffsets))Topologically(differentskeletontopologyanddifferentoffsets)地形匹配配拼接融合人體動畫畫的特點(diǎn)點(diǎn)人體動畫畫復(fù)雜性高高自由度個(gè)個(gè)數(shù)多逼真性要要求高非實(shí)時(shí)動動畫可以預(yù)先先生成人人體運(yùn)動動函數(shù)一般用于于高品質(zhì)質(zhì)動畫實(shí)時(shí)動畫畫(如VR系統(tǒng)中)需要在逼逼真性與與實(shí)時(shí)性性之間進(jìn)進(jìn)行折中中2、人臉動動畫2.1、三維人人臉建模模人體三維維掃描技技術(shù)：三三維掃描描儀，CT人體彈性性皮膚模模型肌肉模型型服飾、頭頭發(fā)等人臉的表表示特定人臉臉建模--提取特征征點(diǎn)坐標(biāo)標(biāo)自動或手手工在特特定人中中性表情情的正、、側(cè)面照照片上標(biāo)標(biāo)注特征征點(diǎn)進(jìn)行簡單單的坐標(biāo)標(biāo)變換和和比例變變換就可可以得出出特定人人臉?biāo)杏刑卣鼽c(diǎn)點(diǎn)的三維維空間坐坐標(biāo)特定人臉臉建模--非特征點(diǎn)點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)計(jì)算以一般人人臉中性性網(wǎng)格作作為初始始網(wǎng)格以特征點(diǎn)點(diǎn)坐標(biāo)為為輸入數(shù)數(shù)據(jù)用Kriging線性插值值方法計(jì)計(jì)算出非非特征點(diǎn)點(diǎn)坐標(biāo)68個(gè)FAPs(FacialAnimationParameters)每個(gè)FAP控制網(wǎng)格格上一些些點(diǎn)在某某個(gè)方向向上的位位移，如如FAP41控制了藍(lán)藍(lán)色點(diǎn)的的上下移移動。用Kriging線性插值值方法計(jì)計(jì)算每個(gè)個(gè)FAP影響哪些些點(diǎn)，影影響的程程度是多多少。2.2、人臉動動畫--獲取FAP參數(shù)人臉動畫畫--用FAP驅(qū)動人臉臉動畫上圖從左左到右是是喜、怒怒、哀、、驚的表表情。每一個(gè)表表情是一一組68個(gè)FAP組合的結(jié)結(jié)果。將一個(gè)個(gè)個(gè)表情串串起來播播放，再再使用關(guān)關(guān)鍵幀插插值的方方法，就就可以播播放出平平滑過度度的動畫畫。2.3、人臉動動畫生成成方法編輯方法法MotionCapture方法訓(xùn)練方法法特征臉方方法2.4、基于訓(xùn)訓(xùn)練的方方法演示第