虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

VirtualRealityTechnology公眾號：別墅8題綱第一講虛擬現(xiàn)實(shí)概述第二講虛擬現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)計算機(jī)三維圖形技術(shù)立體圖形顯示技術(shù)聲音、力覺顯示第三講虛擬現(xiàn)實(shí)跟蹤技術(shù)位置跟蹤器數(shù)據(jù)手套人體運(yùn)動跟蹤第四講人體動畫技術(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)的概念模型王兆其，《虛擬環(huán)境中物體運(yùn)動逼真性的研究》，博士學(xué)位論文，北京航空航天大學(xué)，1999.6.第四講人體動畫技術(shù)公眾號：別墅8、本講題綱人體動畫人臉動畫1、人體動畫人體幾何模型表示人體骨架模型(skeleton)人體姿態(tài)人體運(yùn)動基本的人體動畫方法虛擬人體幾何表示分層表示模型虛擬人體幾何表示人體骨架模型(skeleton)虛擬人可以抽象為一個Articulation(鏈體)，其姿態(tài)可以由下列參數(shù)表示：基準(zhǔn)位置： 表示虛擬人在全局環(huán)境中的位置關(guān)節(jié)角度

： 表示各骨骼段(segment)相對于它所附骨骼段的方向。關(guān)節(jié)(Joints)RotationalHinge:1-DOFUniversal:2-DOFBall&Socket:3-DOF公眾號：別墅8關(guān)節(jié)狀狀態(tài)的的表示示：EulerAngle以(X，Y，Z)為旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)順序序軸的的歐拉拉角：：(,,)歐拉角角的特特點(diǎn)簡單幾何意意義明明確與旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸的的順序序相關(guān)關(guān)關(guān)節(jié)狀狀態(tài)的的表示示：RotationMatrixPrincipleaxis(x)Arbitraryaxis關(guān)節(jié)狀狀態(tài)的的表示示：Quaternions(四元組組)四元組組與旋旋轉(zhuǎn)矩矩陣之之間的的轉(zhuǎn)換換四元組組->旋轉(zhuǎn)矩矩陣旋轉(zhuǎn)矩矩->四元組組四元數(shù)數(shù)與旋旋轉(zhuǎn)矩矩陣之之比較較和旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩陣陣是同同質(zhì)的的和旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩陣陣之間間可以以相互互的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換單位四四元數(shù)數(shù)在表表示上上更具具有優(yōu)優(yōu)勢四元數(shù)數(shù)與旋旋轉(zhuǎn)矩矩陣之之比較較項(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個約束)9(含6個約束)能否表示平移不能齊次旋轉(zhuǎn)矩陣可以歐拉角角與旋旋轉(zhuǎn)矩矩陣的的插值值問題題空間中中一個個剛體體可以以用3個位置置參數(shù)數(shù)和3個方向向參數(shù)數(shù)來唯唯一確確定在運(yùn)動動編輯輯尤其其是關(guān)關(guān)鍵幀幀動畫畫中，，我們們經(jīng)常常需要要對剛剛體的的姿態(tài)態(tài)進(jìn)行行插值值為了獲獲得一一個比比較平平滑、、自然然的結(jié)結(jié)果，，我們們通常常需要要插值值的結(jié)結(jié)果是是高階階連續(xù)續(xù)的物理上上，平平滑的的轉(zhuǎn)動動需要要的扭扭矩較較小，，以利利于飛飛行器器的控控制等等歐拉角角與旋旋轉(zhuǎn)矩矩陣的的插值值問題題歐拉角角與旋旋轉(zhuǎn)矩矩陣的的插值值問題題對于方方向的的插值值我們們首先先想到到的是是旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩陣陣和歐歐拉角角的線線性插插值設(shè)兩個個旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩陣陣Ma和Mb,則：Mo=(1-α)Ma+αMb不再是是一個個正交交陣歐拉角角與旋旋轉(zhuǎn)矩矩陣的的插值值問題題歐拉角角的線線性插插值為為：雖然仍仍然表表示一一個方方向但但卻有有任意意性當(dāng)a,b分別作作用旋旋轉(zhuǎn)c之后所所得到到的結(jié)結(jié)果并并不是是對o做旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)c后的結(jié)結(jié)果向量的的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)如果v是一個個向量量，M是一個個旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩陣陣，則則旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)M后的向向量v’為v’=Mv如果P是一個個點(diǎn)，，M是一個個旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩陣陣，則則旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)M后的點(diǎn)點(diǎn)P的位置置P’為P’=M·P人體姿姿態(tài)表表示人的所所有關(guān)關(guān)節(jié)的的自由由度組組成了了人的的自由由度，，可以以由一一個向向量P表示。。如下下例機(jī)機(jī)械手手臂的的姿態(tài)態(tài)可以以由向向量P(1,2,3)公眾號號：別別墅8人體姿姿態(tài)的的顯示示forwardkinematicsMworld=Mlocal·Mparent-world有縫人人體模模型顯顯示結(jié)結(jié)果人體姿姿態(tài)顯顯示中中的皮皮膚變變形Allen基于實(shí)實(shí)例的的方法法人體姿姿態(tài)顯顯示中中的皮皮膚變變形Shen提出的的基于于解剖剖學(xué)的的腿部部變形形結(jié)果果基于交交叉截截面的的手臂臂變形形基于交交叉截截面的的手臂臂變形形人體運(yùn)運(yùn)動人體運(yùn)運(yùn)動是是人體體姿態(tài)態(tài)(n個自由由度)在時間間域上上的函函數(shù)：：如何生生成人人體運(yùn)運(yùn)動函函數(shù)關(guān)鍵幀幀方法法運(yùn)動學(xué)學(xué)方法法正向運(yùn)運(yùn)動學(xué)學(xué)方法法逆向運(yùn)運(yùn)動學(xué)學(xué)方法法動力學(xué)學(xué)方法法時空約約束方方法基于運(yùn)運(yùn)動跟跟蹤的的方法法人體關(guān)關(guān)節(jié)角角度計計算運(yùn)動編編輯的的方法法修改(retarget,地形匹匹配等等)、拼接接、融融合等等關(guān)鍵幀幀方法法關(guān)鍵幀幀方法法中的的運(yùn)動動插值值由于運(yùn)運(yùn)動的的連續(xù)續(xù)，可可以在在兩個個關(guān)鍵鍵幀之之間插插值。。簡單的的線性性插值值方法法：設(shè)t1和t2是兩個個相鄰鄰的關(guān)關(guān)鍵幀幀,則時刻刻t的人體體姿態(tài)態(tài)為：：正向運(yùn)運(yùn)動學(xué)學(xué)方法法(ForwardKinematics)Mworld=Mlocal·Mparent-world需要預(yù)預(yù)先知知道所所有關(guān)關(guān)節(jié)的的角度度可以通通過給給出每每個自自由度度的表表達(dá)式式定義義人體體運(yùn)動動逆向運(yùn)運(yùn)動學(xué)學(xué)方法法(InverseKinematics)IKisamethodofposingaskeletonwhereyouspecifythe‘‘goal’ofthe‘‘endeffector’andthealgorithmcomputesthejointanglesnecessarytoreachthatgoalDEMO》》offline動力力學(xué)學(xué)方方法法基于于運(yùn)運(yùn)動動跟跟蹤蹤的的方方法法一種種人人體體運(yùn)運(yùn)動動記記錄錄回回放放的的方方法法關(guān)鍵鍵：：數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)的的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換基于于運(yùn)運(yùn)動動跟跟蹤蹤的的方方法法基于于運(yùn)運(yùn)動動跟跟蹤蹤的的方方法法記錄點(diǎn)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)角驅(qū)動虛擬角色運(yùn)動重定向基于于運(yùn)運(yùn)動動跟跟蹤蹤的的方方法法演示示猴拳拳猴拳拳(虛擬擬人人)人體體運(yùn)運(yùn)動動編編輯輯RetargetProportionally(sameskeletonlayoutbutwithdifferentoffsets)Topologically(differentskeletontopologyanddifferentoffsets)地形形匹匹配配拼接接融合合人體體動動畫畫的的特特點(diǎn)點(diǎn)人體體動動畫畫復(fù)雜雜性性高高自由由度度個個數(shù)數(shù)多多逼真真性性要要求求高高非實(shí)實(shí)時時動動畫畫可以以預(yù)預(yù)先先生生成成人人體體運(yùn)運(yùn)動動函函數(shù)數(shù)一般般用用于于高高品品質(zhì)質(zhì)動動畫畫實(shí)時時動動畫畫(如VR系統(tǒng)統(tǒng)中中)需要要在在逼逼真真性性與與實(shí)實(shí)時時性性之之間間進(jìn)進(jìn)行行折折中中2、人人臉臉動動畫畫2.1、三三維維人人臉臉建建模模人體體三三維維掃掃描描技技術(shù)術(shù)：：三三維維掃掃描描儀儀，，CT人體體彈彈性性皮皮膚膚模模型型肌肉肉模模型型服飾飾、、頭頭發(fā)發(fā)等等人臉臉的的表表示示特定定人人臉臉建建模模--提取取特特征征點(diǎn)點(diǎn)坐坐標(biāo)標(biāo)自動動或或手手工工在在特特定定人人中中性性表表情情的的正正、、側(cè)側(cè)面面照照片片上上標(biāo)標(biāo)注注特特征征點(diǎn)點(diǎn)進(jìn)行行簡簡單單的的坐坐標(biāo)標(biāo)變變換換和和比比例例變變換換就就可可以以得得出出特特定定人人臉臉?biāo)杏刑靥卣髡鼽c(diǎn)點(diǎn)的的三三維維空空間間坐坐標(biāo)標(biāo)特定定人人臉臉建建模模--非特特征征點(diǎn)點(diǎn)坐坐標(biāo)標(biāo)計計算算以一一般般人人臉臉中中性性網(wǎng)網(wǎng)格格作作為為初初始始網(wǎng)網(wǎng)格格以特特征征點(diǎn)點(diǎn)坐坐標(biāo)標(biāo)為為輸輸入入數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)用Kriging線性性插插值值方方法法計計算算出出非非特特征征點(diǎn)點(diǎn)坐坐標(biāo)標(biāo)68個FAPs(FacialAnimationParameters)每個個FAP控制制網(wǎng)網(wǎng)格格上上一一些些點(diǎn)點(diǎn)在在某某個個方方向向上上的的位位移移，，如如FAP41控制制了了藍(lán)藍(lán)色色點(diǎn)點(diǎn)的的上上下下移移動動。。用Kriging線性性插插值值方方法法計計算算每每個個FAP影響響哪哪些些點(diǎn)點(diǎn)，，影影響響的的程程度度是是多多少少。。2.2、人人臉臉動動畫畫--獲取取FAP參數(shù)數(shù)人臉臉動動畫畫--用FAP驅(qū)動動人人臉臉動動畫畫上圖圖從從左左到到右右是是喜喜、、怒怒、、哀哀、、驚驚的的表表情情。。每一一個個表表情情是是一一組組68個FAP組合合的的結(jié)結(jié)果果。。將一一個個個個表表情情串串起起來來播播放放，，再再使使用用關(guān)關(guān)鍵鍵幀幀插插值值的的方方法法，，就就可可以以播播放放出出平平滑滑過過度度的的動動畫畫。。2.3、人人臉臉動動畫畫生生成成方方法法編輯輯方方法法MotionCapture方法法訓(xùn)練練方方法法特征征臉臉方方法法2.4、基基于于訓(xùn)訓(xùn)練練的的方方法法演示示第四四講講小小結(jié)結(jié)人體體動動畫畫人體體幾幾何何模模型型表表示示人體體骨骨架架模模型型(skeleton)人體體姿姿態(tài)態(tài)人體體運(yùn)運(yùn)動動基本本的的人人體體動動畫畫方方法法關(guān)鍵鍵幀幀方