蔡占川[1]2004年在《人体关节运动编辑系统》文中认为人体动画是计算机图形学中一个快速发展的研究领域，运动捕获技术的使用更为其注入了新的活力。运动编辑对捕捉到的运动数据进行改编生成新的运动，大大提高了数据的利用率。 本文主要设计了人体关节运动编辑系统。提出了加入关节生理约束后改进的快速IK求解人体关节运动编辑算法。运动编辑算法提供动画师对获取数据进行编辑的能力，能够将获取的运动数据应用到不同的虚拟人物；或者提供调整当前的数据以满足不同的约束的手段。运动编辑算法的核心是如何满足运动中时空约束。 但是运动编辑是一个比较新的研究领域，许多算法目前都只停留在理论阶段，需要我们不断探索。在运动编辑操作中必须有一种实时的逆向运动学算法做配合。我们从机器人学科的研究中得到启示，在人体关节运动编辑系统中采用了加入关节生理约束后改进的快速IK求解编辑算法，实践证明效果很好。
李鹰彪[2]2014年在《可编辑路径的运动系统的设计与实现》文中研究表明计算机动画作为图形学的一个重要的分支,如今被广泛应用于多个不同的领域。但是由于传统的动画制作往往具有效率低的缺点,因此很难满足动画市场的要求。而其中路径编辑便是动画制作中有关运动编辑的一项核心技术。这项技术的成败往往决定了动画设计的最后结果。本文主要对路径编辑技术进行了深入的研究。运动系统技术的研究对于计算机动画、航天、军事等领域的研究有重要的意义和作用。本文设计与实现了一种基于路径变换的运动系统路径编辑算法。本系统使用的语言是C++和BVH骨架结构,按照流线型模式的方式实现系统的开发。本文实现了一个包含如下模块的系统,即包含了数据分析、路径变换、约束处理、数据生成、过渡平滑和朝向处理六大模块。这六个模块的功能分别如下:先初始化数据,通过分析运动捕获数据来确定运动周期和控制帧;再路径变换,其中提出了基于步长的控制帧插入方法;之后介绍了一种人为增加腿长进行足部约束的方法;接着生成数据;然后利用动态规划进行平滑过渡;最后提出了一种解决运动系统朝向处理的方法,从而生成高质量的路径编辑动画。实验结果表明本算法能够较好的进行路径编辑,并且使进行编辑后处理的动画更加真实。相比前人的方法,本算法在路径变化不大时没有明显的滑步现象。最后,本文实现了有关运动编辑的一个系统,从而使得用户可以进行各种有关运动编辑的操作。这些模块使得系统具有了更好的进行运动系统路径编辑和运动系统动作设计与平滑处理的功能,并且解决了以往运动系统路径粗糙,连接掉帧的问题,达到了更好的完成运动系统路径设计的目的。
李石磊[3]2009年在《数据和模型混合驱动的虚拟人运动生成与控制技术研究》文中指出针对当前虚拟人特定动作生成所面临的工作繁杂、可控性和适应性差等难题,本文采用数据和模型混合驱动的策略,分别从人体运动系统的建模仿真方法、考虑全身姿态变化的虚拟人抓取、操作类动作快速生成、虚拟人关键帧姿态的自动交互生成以及虚拟人全身运动的多优先级编辑合成与交互控制等方面对虚拟人的运动生成与控制技术进行了深入研究,提出了相应的控制策略和模型,并对传统的算法做了改进,主要研究内容概括如下：(1)论文首先在第一章对虚拟人运动生成与控制技术的国内外研究现状进行了概述,对不同方法的优缺点进行了分析、比较,提出采用数据和模型混合驱动的策略进行虚拟人的运动生成与控制技术研究,以期在虚拟人动作的逼真性、可控性和灵活性之间取得最佳地折衷。然后,在第二章对人体运动系统的建模仿真方法进行了深入研究,为后续工作建立数学基础。(2)对于考虑虚拟人全身姿态变化的抓取、操作类动作姿态快速生成问题,本文提出将姿态样本库和解析逆向运动学算法相结合,上肢姿态由解析逆向运动学算法在线实时求解,全身的其余关节姿态直接由事先离线构建的姿态样本生成,保证了算法的实时交互性。对于7自由度的上肢关节链肘圆问题,提出了腕关节旋转量最小的优化指标,将优化求解和定向搜索相结合实现了上肢关节姿态的快速计算生成,并在求解过程中融合了碰撞检测及关节旋转角度的生理范围约束判断,确保动作姿态的物理逼真。在姿态样本库的离线设计实现时,提出基于肩关节的高度变化进行姿态样本的间隔采样与设计生成,给定目标点信息后,利用姿态库中各姿态样本的肩关节高度信息实现了对应所需姿态样本的快速搜索匹配。整个抓取、操作类动作姿态生成过程最显着的优点为实时性高,可以方便地应用于游戏、操作训练等交互应用领域。(3)对于虚拟人关键帧姿态的自动交互生成问题,提出了将姿态样本库和带优先级的逆向运动学(PIK,Prioritized Inverse Kinematics)算法相结合,首先根据任务约束由姿态样本库生成最终理想姿态的估计值并用作PIK算法所需的初始参考姿态,然后利用PIK算法对所有任务约束按优先级顺序进行逆向运动学(IK,Inverse Kinematics)迭代求解,实现全身姿态的进一步优化生成。既克服了传统基于数据样本的IK算法只能生成与原有姿态样本差别不大的姿态的限制,又可适度保证最终姿态结果的逼真自然性。提出了参数化姿态拼接技术用于虚拟人全身姿态的估计生成,先根据不同的任务约束对全身关节进行分组,然后通过最近邻参数化插值方法实现了不同关节组的姿态求解,保证拼接合成的全身姿态与最终理想的全身姿态具有全局相似性。随后以姿态估计值为初始参考姿态,利用PIK算法实现全身姿态的进一步优化求解。为了保证最终姿态结果的静态平衡,在PIK算法的迭代计算过程中,提出了一种新的平衡约束迭代求解策略,将静态平衡约束和其它任务约束分层单独求解,解决了平衡任务约束的优先级设置问题,并可确保最终姿态结果的静态平衡性。将基于姿态样本库的参数化姿态拼接技术和PIK算法相结合,一方面克服了传统参数化插值方法要求所有动作姿态样本具有相同任务约束的限制,姿态样本不需要与各种任务约束进行精确匹配,并可大幅减少所需姿态样本的数量；另一方面解决了PIK算法的初值选取问题,相应地减少了PIK算法所需的迭代求解次数,提高了求解计算效率,为虚拟人全身姿态的自动交互生成提供了一种实用、高效的算法思路。(4)为了使运动捕捉数据驱动的虚拟人能够根据用户的各种交互控制输入及外界不可预料的小幅动态物理交互,自动生成各种逼真的反应性动作,提出了一种基于各种任务约束的冗余空间,在加速度层次上的、具有任意多个优先级的虚拟人全身运动编辑合成与交互控制算法。给定某一参考动作序列后,算法可根据用户的各种交互控制输入及其相互之间的优先级顺序,生成期望的关节加速度信息,并通过调整期望关节加速度的方式对运动改编结果进行了在线的动态平衡修正。在对原有动作数据进行多优先级运动改编过程中,引入了选择矩阵的概念,使本文所提出的运动数据编辑合成与交互控制算法可以对笛卡尔任务空间和关节空间中的高层任务约束进行统一处理。当虚拟人受到外界的小幅动态交互作用后,由于多优先级运动改编算法在加速度层次上实现,可以方便地基于期望的关节加速度信息,利用考虑虚拟人与外界交互作用力的逆向动力学算法进行动力学跟踪控制器的构建,从而通过动力学仿真实现反应跟随性动作生成。在动力学仿真过程中,提出将交互作用力的优化求解方法和近似估算方法相结合,既提高了动力学仿真的计算效率,又可保证动力学跟踪控制器的精度。当动态物理交互作用消除后,为提高求解计算效率,系统需重新转入单纯的运动学改编,提出了一种简便的运动学改编与动力学仿真之间的过渡处理方法。加速度层次上的多优先级运动编辑合成与交互控制算法实现了运动学约束处理和动力学仿真的无缝衔接,为虚拟人的运动控制提供了一个统一的算法框架。(5)最后进行了虚拟人运动生成与控制仿真集成软件环境原型系统开发,以现有的虚拟人应用开发软件为基础,根据其优缺点进行了集成开发,整个软件环境划分为前台界面层、中间数据层和后台的仿真计算层,以广泛应用的商业软件Poser和DI_Guy软件平台分别作为交互界面和可视化渲染输出,方便了相关应用系统开发。随后以某导弹武器装备模拟操作训练系统为应用实例,进行了虚拟人应用模块的开发,对本文所提出的模型算法和集成软件环境原型系统进行了实例验证。
张万发[4]2016年在《基于Kinect的虚拟机器人的运动设计方法研究》文中研究说明近些年来,机器人开始走进人们的日常生活中,日益改善着人们的生活方式。而目前机器人与人的人机交互却没有与之相应发展起来。目前人与机器人交互方式仍然是鼠标、键盘、遥控器等传统方式,交互方式单一且不灵活,难以满足机器人日益增长的需求,人机交互的问题在一定程度上制约了机器人的发展。虚拟机器人作为真实机器人的数字化形态,其运动方式与真实机器人相同,在机器人仿真等方面有着得天独厚的优势。本文通过研究虚拟机器人的运动设计与控制来分析研究真实机器人的人机交互。其中涉及到运动数据的捕获问题,目前常用的运动捕获方法如机械式、光学式、电磁式等方法成本高、环境要求高,使用很不方便。因此,本文采用深度图像,提出一种新的运动数据提取方法。本文用Kinect设备来获取深度图像,深度图像中包含了空间叁维信息,并且不受光照等环境因素的影响。本文的主要工作和内容主要集中在以下几个方面:首先,本文对提取出的深度图像进行了预处理,由于本文场景固定,因此采用背景差分的方法,提取出运动人体的前景深度图像。对于提取出来的运动人体深度图像,对其进行中值滤波进行降噪和边缘平滑,为后续处理打下基础。其次,本文基于深度图,提出了一种新的运动数据获取方法,即通过对带有叁维信息的运动人体深度图像进行骨架提取,通过骨架定位关节点,从而根据各个关节点的叁维信息计算出各个关节的运动信息,并验证了该方法的有效可行性。再次,针对骨架的提取方法,本文将基于细化的骨架提取方法和基于距离的骨架提取方法相结合,结合了二者各自的优点。在骨架提取中遇到的遮挡问题,本文提出通过深度信息提取遮挡部位,并结合Hough变换和初始人体标定对人体运动骨架进行修复。针对本文出现的毛刺问题,提出基于连通长度与斜率的方法,快速有效的解决该问题。并且对上述方法进行了实验分析与对比。然后,对于关节点定位,我们提出了一种基于初始人体标定的解决方法,有效解决了肩关节下沉等问题。并且详细介绍了本文关节运动数据的计算方法和过程,对两帧之间的运动进行插值,使运动平滑,提出了一种基于关节旋转角度的简单姿态匹配。最后,设计和实现基于Kinect的虚拟机器人运动控制系统。本文通过Unity3D游戏开发引擎应用获取的运动数据实现了系统,并且进行了全面的测试。
李婷[5]2008年在《基于运动捕获数据的人体运动编辑技术研究》文中认为二十世纪九十年代以来,随着运动捕获技术的兴起及运动捕获设备的发展,大量的具有较强真实感的人体运动捕获数据被生成并广泛地应用于计算机动画制作的各个领域:游戏、影视、医学及军事等。但随之而起的问题是如何更方便、高效地利用运动捕获数据进行计算机人体动画的创作。在此背景下,基于运动捕获数据的人体动画研究,已经成为近年来计算机图形学领域的一大热点。研究基于运动捕获数据的人体运动编辑技术,针对当前人体运动编辑技术的研究现状,分析运动捕获数据的描述方法,对现有运动编辑方法进行研究,提出更符合人体运动特征的编辑方法,利用运动捕获数据生成真实感更强的人体动画。对人体骨架的层次关节链模型和运动进行描述,分析常用的运动捕获数据的描述方法和文件格式的结构特点。通过人体姿态间插值技术产生运动片段间的平滑过渡,达到运动片段无缝连接的目的。其关键技术为关节姿态旋转的插值,采用四元数表示每帧人体姿态中关节的旋转,利用四元数的球面线性插值方法生成关节姿态的自然过渡。将运动混合的编辑分为两种操作模式:同种类型运动的融合和不同种类型运动的动作嵌入。对传统的动态时间变形算法进行改进,通过时间序列周期的均匀缩放和下界限制来提高算法的可行性和效率。并利用时间对齐处理技术和插值技术进行运动融合和动作嵌入。提取原始人体运动数据的运动类型和周期性特征,将复杂情况下产生形状变换后的运动路径分割成数个短小周期内运动路径,每段周期内运动路径上的运动进行空间变换下的编辑操作,然后对周期内每帧的人体姿态进行方向偏移的调整,生成新运动路径下的运动。
唐少敏[6]2007年在《关节动画中的关键技术研究与实现》文中研究表明作为叁维动画的重要组成部分,关节动画在影视制作和计算机游戏等应用领域占据着越来越重要的地位。随着关节动画技术的不断发展,获得真实的人体或动物关节运动已经不是一件十分困难的事情,但是仍然存在着很多的问题。对关节动画中的一些关键技术进行了研究,包括关键帧技术、运动学控制技术和运动重定向技术,并结合VC++6.0和OpenGL实现了其中的一些算法。总结了关节动画中的运动学算法,给出正向运动学的具体计算方法,研究了叁种逆向运动学算法,对雅可比算法进行改进,给出了基于约束的雅可比算法,用实验实现了这叁种算法,并结合实验结果对它们进行了分析比较。对已有的重定向算法进行改进,结合运动学控制技术,给出了基于逆向运动学的重定向算法。按照目标模型和原始模型的比例关系,调整目标模型的根关节的位置,结合原始模型的末端效应器位置,利用逆向运动学进行求解,得到目标模型的根关节的平移和各关节的自由度,从而实现运动的重定向。结合VC++6.0和OpenGL技术,开发设计了一个关节动画编辑系统。该系统实现了一些关键的关节动画技术,包括正向运动学技术、逆向运动学技术、运动重定向技术和关键帧技术。
雍国恩[7]2003年在《基于运动捕获的动画展示与运动编辑技术研究》文中研究表明随着叁维动画广告在电视屏幕上的频频播映，计算机动画已经悄无声息地走进了人们的日常生活。目前采用计算机图形工作站和先进的动画软件所生成的叁维动画可产生非常逼真的效果，以假乱真。尚在设计中的城市小区在计算机动画中可变成拔地而起的高楼，尚在设计的时装在未成衣前就可以用计算机虚拟的模特着装走台展示，早已绝迹的古代恐龙可以在屏幕上成群地奔跑，种种不可思议的奇迹可以凭借计算机动画技术而神奇地再现。人体动画是计算机图形学中一个快速发展的研究领域，运动捕获技术的使用更为其注入了新的活力。运动编辑对捕捉到的运动数据进行改编生成新的运动，大大提高了数据的利用率。本文将研究人体运动模型和人体运动的人机工程特点，进而研究模特动画运动控制方法，最后研制了基于运动捕获的动画展示和编辑系统，以支持服装设计，模特走台动作编排以及虚拟试衣等多方面的应用。具体工作如下：本文首先对动画技术的起源，研究内容和国内外的研发应用现状进行了广泛和深入的研究，综述了目前应用较多的各种类型的计算机动画技术特点和内容，分析了计算机动画的发展趋势，并详细介绍了基于运动捕获的动画系统及其应用。接着本文介绍了叁维人体建模型与运运控制技术。在叁维人体模型方面，本文介绍了分层表示模型以及H-Anim和MPEG4等人体建模国际标准。在人体运动控制技术方面，介绍了包括正向运动学和反向运动学等多种运动控制方法。为模特动画展示应用建立理论和技术基础。接下来本文研究了基于运动捕获的模特动画展示技术。研究了模特走台动作的特点和它的人机工程特点，提出了适应服装业量身定制要求的参数化人体模型，建立人体运动方程，分析运动捕获数据文件，实现基于运动捕获的模特动画展示。运动捕获和运动编辑是计算机动画中最关键的技术。运动捕获得到的运动数据简单且带有噪声，运动类型也比较单一。因此，需要对运动捕获的原始数据进行编辑处理，再生出不同场景下的多种运动。本文接着研究了运动编辑算法CCD及其实现，提出了加入关节生理约束后的改进CCD算法。最后，应用以上技术，本文实现了基于运动捕获数据的动画展示和编辑系统，介绍了项目的前期工作，JAVA开发工具，并对其中的关键模块和相关技术做了说明。
戚晶晶[8]2011年在《运动编辑系统的设计与实现》文中认为摘要：近年来,随着计算机技术的飞速发展,叁维动画正在深刻地影响着人们的日常生活,渐渐成为继声音、图像、视频和叁维模型之后的第五种多媒体类型。运动捕捉技术的兴起,给叁维动画注入了新的活力,使动画师能够更加高效、快速地获取真实场景下的叁维人体运动数据。尽管运动捕捉技术日趋成熟,直接捕捉到的运动数据仍然存在运动类型简单、含有噪声等缺点,因此改编运动捕捉数据,提高运动捕捉数据的利用率成为研究者关注的另一个研究方向,这也就是运动编辑技术。本文主要在运动捕捉技术的基础上研究了运动编辑系统的设计与实现,主要工作如下：综述了运动捕捉和运动编辑技术,说明了人体骨架的具体结构、人体关节的表示,欧拉角和四元数的关系,并提出四元数到欧拉角转化的改进算法,能够实现四元数在全角度-360°～+360°内转化为欧拉角。介绍了单运动内的运动编辑技术,包括运动平滑、运动多分辨分析、运动重定向,并在运动平滑的研究中采取小波、高斯、均值等多种滤波方式,得出最终结论。详述了多运动间的运动编辑操作,运动连接和运动混合,并给出相关的算法和实验结果。最后本文设计并实现了运动编辑系统平台,该平台能够实现运动平滑、运动连接和运动重定向的功能。
柏友良[9]2007年在《队列训练中的人体行为模拟技术研究》文中研究指明随着仿真和虚拟现实技术的发展,虚拟人技术逐渐成为当今研究的一个热点。虚拟人的研究以体现人类几何和行为特性为主要目标,研究内容可以分为虚拟人的几何模型表示、虚拟人的运动控制、虚拟人的行为表达以及虚拟人的认知表达四个主要方面。其中前两个方面主要从虚拟人几何和行为特征逼真性的角度进行研究,而后两个方面主要从虚拟人社会性和智能化角度进行研究。本文从前两个方面即几何建模和运动控制对虚拟人技术进行了深入地研究,主要做了以下几方面的工作:首先,建立了虚拟人的几何模型。分析人体结构,对人体骨骼系统进行了简化,与运动捕捉文件类型中的人体骨架定义相结合,创建了具有45个关节点的虚拟人模型,讨论了虚拟人几何模型的主要表示方法,用分层建模法建立了逼真的虚拟人几何模型。其次,在运动控制技术方面,研究了各种运动控制方法,分析队列动作特点,建立了人体运动模型。详细研究了运动捕捉和运动学控制方法,实现了对虚拟人的动作控制。为了处理运动捕获数据,对运动编辑技术中的运动连接、运动混合、数字信号处理方法以及运动重定向技术进行了研究,并给出了详细的算法描述。最后,根据本文对人体几何建模和运动控制方法的研究成果,在VC++6.0和Vega环境下设计开发了队列训练模拟系统。仿真和实验结果表明,本文所建立的人体几何模型逼真可信,运动捕捉和运动学结合的运动控制方法有效、逼真地对虚拟人进行了控制。基于虚拟人的队列训练系统可以作为传统队列训练方法的辅助手段,有助于提高受训者的积极性,提高训练效率和训练水平。同时,本文的研究还可以为以后的相关研究奠定理论和技术基础。
张廷磊[10]2015年在《叁维人体骨骼运动数据编辑与生成方法研究》文中提出随着运动捕捉技术的发展,运动捕捉数据已经被广泛运用到了计算机动画(角色动画)、电影、游戏等各领域并取得了很大成功。由于运动捕捉是在特定场景针对特定人进行捕获的,难以适用于变化的场景,同时由于人体运动的高度复杂性,为运动捕获数据的重用带来了巨大的困难。因此目前针对现有运动序列生成新的运动序列,提高运动捕捉数据的重用性成为当今研究的一大热点。本文着重研究了基于捕获的人体骨骼运动数据的姿势编辑和新运动序列的生成,具体内容如下。(1)单帧运动姿势的编辑。由于通过运动捕捉系统所捕获的运动数据只适用于固定环境,为了提高运动捕捉数据的可重用性,通过对原始数据进行单帧姿势编辑来适应变化的环境。具体途径是通过人机交互结合逆向运动学生成目标姿势,首先完成运动捕获BVH格式数据中关节角度到关节位置的转化,通过人机交互设定肢体末端的目标位置,然后通过改进的循环坐标下降(CCD)算法完成单帧运动姿势的编辑,生成的目标姿势逼真度更高。(2)运动序列的生成。获得目标姿势后,进一步生成起始目标姿势和结束目标姿势之间的运动序列,运动序列的生成通过连接已有的运动数据片段完成。首先通过四元数距离公式来计算帧与帧之间的距离,以此来判断运动姿势间的相似性,从而得到能够连接的运动片段并保证片段连接之后的自然性。具体研究了运动序列的简单连接和平滑过渡连接两种连接方法。简单连接只需把待填充片段放在初始姿势和目的姿势之间即可实现;而对于平滑过渡连接则要通过对运动捕捉数据的插值实现,对于满足不同条件的运动序列分别采用平滑过渡插值和重迭融合插值来保证运动序列时空连续性。综上所述,本文研究了基于运动捕获数据的人体运动姿势编辑和运动序列生成所涉及到的一些关键技术,提高了已有运动数据的可重用性,使已有运动数据能更好地适应角色动画的骨骼运动制作。
参考文献：
[1]. 人体关节运动编辑系统[D]. 蔡占川. 河北工业大学. 2004
[2]. 可编辑路径的运动系统的设计与实现[D]. 李鹰彪. 电子科技大学. 2014
[3]. 数据和模型混合驱动的虚拟人运动生成与控制技术研究[D]. 李石磊. 国防科学技术大学. 2009
[4]. 基于Kinect的虚拟机器人的运动设计方法研究[D]. 张万发. 电子科技大学. 2016
[5]. 基于运动捕获数据的人体运动编辑技术研究[D]. 李婷. 华中科技大学. 2008
[6]. 关节动画中的关键技术研究与实现[D]. 唐少敏. 华中科技大学. 2007
[7]. 基于运动捕获的动画展示与运动编辑技术研究[D]. 雍国恩. 浙江大学. 2003
[8]. 运动编辑系统的设计与实现[D]. 戚晶晶. 北京交通大学. 2011
[9]. 队列训练中的人体行为模拟技术研究[D]. 柏友良. 国防科学技术大学. 2007
[10]. 叁维人体骨骼运动数据编辑与生成方法研究[D]. 张廷磊. 长安大学. 2015
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