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(jì)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(gè)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(gè)約束)9(含6個(gè)約束)能否表示平移不能齊次旋轉(zhuǎn)矩陣可以歐拉角角與旋旋轉(zhuǎn)矩矩陣的的插值值問題題空間中中一個(gè)個(gè)剛體體可以以用3個(gè)位置置參數(shù)數(shù)和3個(gè)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(gè)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(gè)個(gè)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩陣陣Ma和Mb,則：Mo=(1-α)Ma+αMb不再是是一個(gè)個(gè)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(gè)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(gè)個(gè)向量量，M是一個(gè)個(gè)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(gè)個(gè)點(diǎn)，，M是一個(gè)個(gè)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(gè)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(gè)自由由度)在時(shí)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(shí)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(jì)計(jì)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(gè)個(gè)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(gè)個(gè)相鄰鄰的關(guān)關(guān)鍵幀幀,則時(shí)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(gè)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動力學(xué)學(xué)方法法基于運(yùn)運(yùn)動跟跟蹤的的方法法一種人人體運(yùn)運(yùn)動記記錄回回放的的方法法關(guān)鍵：：數(shù)據(jù)據(jù)的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換基于運(yùn)運(yùn)動跟跟蹤的的方法法基于運(yùn)運(yùn)動跟跟蹤的的方法法記錄點(diǎn)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)角驅(qū)動虛擬角色運(yùn)動重定向基于運(yùn)運(yùn)動跟跟蹤的的方法法演示猴拳猴拳(虛擬人人)人體運(yùn)運(yùn)動編編輯RetargetProportionally(sameskeletonlayoutbutwithdifferentoffsets)Topologically(differentskeletontopologyanddifferentoffsets)地形匹匹配拼接融合人體動動畫的的特點(diǎn)點(diǎn)人體動動畫復(fù)雜性性高自由度度個(gè)數(shù)數(shù)多逼真性性要求求高非實(shí)時(shí)時(shí)動畫畫可以預(yù)預(yù)先生生成人人體運(yùn)運(yùn)動函函數(shù)一般用用于高高品質(zhì)質(zhì)動畫畫實(shí)時(shí)動動畫(如VR系統(tǒng)中中)需要在在逼真真性與與實(shí)時(shí)時(shí)性之之間進(jìn)進(jìn)行折折中2、人臉臉動畫畫2.1、三維維人臉臉建模模人體三三維掃掃描技技術(shù)：：三維維掃描描儀，，CT人體彈彈性皮皮膚模模型肌肉模模型服飾、、頭發(fā)發(fā)等人臉的的表示示特定人人臉建建模--提取特特征點(diǎn)點(diǎn)坐標(biāo)標(biāo)自動或或手工工在特特定人人中性性表情情的正正、側(cè)側(cè)面照照片上上標(biāo)注注特征征點(diǎn)進(jìn)行簡簡單的的坐標(biāo)標(biāo)變換換和比比例變變換就就可以以得出出特定定人臉臉?biāo)杏刑卣髡鼽c(diǎn)的的三維維空間間坐標(biāo)標(biāo)特定人人臉建建模--非特征征點(diǎn)坐坐標(biāo)計(jì)計(jì)算以一般般人臉臉中性性網(wǎng)格格作為為初始始網(wǎng)格格以特征征點(diǎn)坐坐標(biāo)為為輸入入數(shù)據(jù)據(jù)用Kriging線性插插值方方法計(jì)計(jì)算出出非特特征點(diǎn)點(diǎn)坐標(biāo)標(biāo)68個(gè)FAPs(FacialAnimationParameters)每個(gè)FAP控制網(wǎng)網(wǎng)格上上一些些點(diǎn)在在某個(gè)個(gè)方向向上的的位移移，如如FAP41控制了了藍(lán)色色點(diǎn)的的上下下移動動。用Kriging線性插插值方方法計(jì)計(jì)算每每個(gè)FAP影響哪哪些點(diǎn)點(diǎn)，影影響的的程度度是多多少。。2.2、人臉臉動畫畫--獲取FAP參數(shù)人臉動動畫--用FAP驅(qū)動人人臉動動畫上圖從從左到到右是是喜、、怒、、哀、、驚的的表情情。每一個(gè)個(gè)表情情是一一組68個(gè)FAP組合的的結(jié)果果。將一個(gè)個(gè)個(gè)表表情串串起來來播放放，再再使用用關(guān)鍵鍵幀插插值的的方法法，就就可以以播放放出平平滑過過度的的動畫畫。2.3、人臉臉動畫畫生成成方法法編輯方方法MotionCapture方法訓(xùn)練方方法特征臉臉方法法2.4、基于于訓(xùn)練練的方方法演示第四講講小小結(jié)人體動動畫人體幾幾何模模型表表示人體