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基于动作捕捉的虚拟运动与用户身体自然性表达

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基于动作捕捉的虚拟运动与用户身体自然性表达

作者：张雨哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

虚拟运动,是一种基于计算机数字技术的新型艺术创作方式。狭义上讲它是以运动规律为基础自动生成运动状态的表现形式,它根据对象的固有属性和运动规律,自动确定其运动状态并实现运动的再生。而近些年发展迅速的动作捕捉技术,为创造人类... 详细信息

虚拟运动,是一种基于计算机数字技术的新型艺术创作方式。狭义上讲它是以运动规律为基础自动生成运动状态的表现形式,它根据对象的固有属性和运动规律,自动确定其运动状态并实现运动的再生。而近些年发展迅速的动作捕捉技术,为创造人类身体运动的虚拟提供了更完善的技术平台,它流畅准确地将人体的运动数据和生命信息记录下来,并通过创作者的想象力在虚拟场景中进行解析并重构了人体的运动方式,形成了一种全新的交互式审美艺术形态。基于动作捕捉的虚拟运动在数字电影、虚拟现实、网络游戏及体育训练等领域的应用广泛,改变了传统艺术形式给人所带来的身心体验,具有其自身的特点:实时的空间计算性、时空的自由与流动性以及它是一种多感知通道的体验模式。人在虚拟空间的实践过程中,身体受到所处境遇的运动速度、支点平衡、空间方向和作用力的影响,成为了这种创作形态不可缺少的一部分,它同时作为的接受者和表演者,表达着人们自身的思维和意向,用户身体通过视觉、听觉、触觉等途径获知虚拟空间的运动变化,并做以相应的反应,而作为“运动通路”的运动觉在这一过程中发挥了重要的作用,它与其它感知相配合,调节自身以维持空间及心理的平衡,并协调用户自身的运动表现。在人类艺术创作的历程中,人们始终为寻求生命运动的本质和表达方式不断的进行着探索。基于动作捕捉的虚拟运动,验证了生命本体与虚拟生命体之间的同构运动,这为探索并表达生命的本质提供了前所未有的可能性。它作为一种艺术创作方式呈现在现代媒介形态中,更直接的体现了人们对自身动作表现的渴望,在这种数字化构造的虚拟空间中,身体的内在秩序节奏、对时空的感知以及情绪冲动等体验得以充分的调动和激发,人们自然和本能地表达自身的生命体验。

关键词：动作捕捉虚拟运动运动觉身体表达

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面向虚拟互动系统的多视角动作捕捉方法研究

面向虚拟互动系统的多视角动作捕捉方法研究

作者：姚保岐北京邮电大学

学位级别：硕士

随着移动互联网、计算机技术和相关硬件配套产业的迅速发展,涌现出了大量动作捕捉设备,如深度摄像机等。这大大革新了传统的人机交互方式。受动作捕捉技术影响的虚拟现实（Virtual Reality,VR）系统不仅可以给用户回馈图像信息,还可以... 详细信息

随着移动互联网、计算机技术和相关硬件配套产业的迅速发展,涌现出了大量动作捕捉设备,如深度摄像机等。这大大革新了传统的人机交互方式。受动作捕捉技术影响的虚拟现实（Virtual Reality,VR）系统不仅可以给用户回馈图像信息,还可以根据用户的动作信息、体态信息等进行交互,以此催生了大量诸如模拟汽车训练、模拟飞行训练和三维游戏等VR类的应用。随着,体育类训练与其他前沿科技产业的交流融合日益密切,本文面向虚拟篮球训练的场景,对多视角的动作捕捉系统和VR互动系统的展开了深入研究,主要内容包括:1、针对传统计算机视觉动作捕捉设备在阻挡等情况下的追踪效果差的问题,本文提出了基于深度相机的新型动作捕捉方法,利用成本低的深度相机作为基础设备,通过联合多台深度相机从不同视角追踪目标,有效降低了成本并改善了单深度相机在有阻挡的情况下的性能。该方法面向虚拟训练场景,通过多台深度相机分别从不同视角捕捉目标动作,并对来自不同视角的动作数据进行处理,最后改善了传统深度相机追踪的效果。所提系统验证和实现证明了该系统的动作捕捉能力相较于传统的单目深度相机动作捕捉系统得到了提升。2、针对虚拟训练中对多用户异地互动的需求,本文实现了虚拟互动模块。本文利用Unity3D软件和Photon Server服务器,创建了VR虚拟场景,并设计了用户互动机制,实现了支持多个用户在线共同训练的系统,有效扩展了VR训练系统的应用范围。该模块利用Unity3D的VR开发能力开发了 VR虚拟篮球馆场景和虚拟用户单人拍球、投篮等单人离线互动机制;然后利用Photon Server设计并实现了多用户远程登录系统以及多用户间的传球机制,从而达到了在同一 VR空间内多人远程在线互动效果。最后对所提模块进行了验证,结果证明了该模块多人互动功能等的有效性。

关键词： VR互动动作捕捉动作识别虚拟训练

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仿人机器人动作捕捉与运动再现的研究

仿人机器人动作捕捉与运动再现的研究

作者：戚旬芳东北大学

学位级别：硕士

人类社会发展史可以说是人类对工具的创造发明史,当今人类使用的工具越来越多样化、智能化。但目前仍然有很多工作环境像核电站、矿井等对人体危害较大、危险性高,‘不适合人类直接在现场工作。而且全球人口增长率越来越低,甚至一些地... 详细信息

人类社会发展史可以说是人类对工具的创造发明史,当今人类使用的工具越来越多样化、智能化。但目前仍然有很多工作环境像核电站、矿井等对人体危害较大、危险性高,‘不适合人类直接在现场工作。而且全球人口增长率越来越低,甚至一些地区出现了负增长;老龄化越来越严重,劳动力严重不足。迫切需要一种能够代替人类在危险性较高的工作现场并能够胜任工作的设备。当前智能机器人的智力水平还远低于人类,无法完成复杂性高的工作。而仿人机器人,具有和人体结构和运动规律相似这一优势;能够将捕捉到的人体动作,很好的在仿人机器人身上实现再现。从而实现操作人员对设备的远程操作。而且操作人员,可以先后控制在不同工作场所的机器人或同时将人体动作在多个机器人上再现,提高工作效率。机器人技术是一个多学科交叉的综合系统。实体开发成本高、周期长而且进度缓慢。而虚拟样机技术与传统设计方法相比,能够在设计初期就确定关键的设计参数,设计过程中修改方案方便;可以实现缩短研发周期、降低成本以及提高产品质量的目的。所以,本文中的研究采用了虚拟样机技术。首先利用三维软件Pro/E建立仿人机器人系统的虚拟样机,之后将其导入到ADAMS中,并定义虚拟样机的材料属性以及各个关节的运动副。利用ADAMS和MATLAB进行联合仿真。使用V.M.SENS传感器捕捉人体动作数据。由于欧拉角有万向锁现象,所以不能利用V.M.SENS传感器直接获取欧拉角传递给虚拟样机;而是先获取关节运动的旋转矩阵,根据旋转矩阵与欧拉角之间的关系原理,利用MATLAB对数据做预处理,计算出人体各个关节的运动角度数据。将关节角度数据传递给虚拟样机,对比虚拟样机的运动效果与人体真实运动轨迹,观察虚拟样机的运动再现效果。通过实验对模型和参数进行反复修改,基本实现虚拟样机对人体关节运动较快速准确的跟随。当人体关节运动高速运动的时候,虚拟样机的跟随会出现一定的延迟现象。根据本文的实验结果可以得出结论,仿人机器人由于其结构特点能够较好的再现人体动作,实现人类对危险工作环境下的复杂设备的远程控制并能够提高劳动力利用率。

关键词：仿人机器人联合仿真动作捕捉运动再现

三维特效在电影领域中的应用 ——动作捕捉的交互与实现

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三维特效在电影领域中的应用 ——动作捕捉的交互与实现

作者：杨志哈尔滨师范大学

学位级别：硕士

随着人们生活品质的逐步提高,电影特效的新一波浪潮早已进入了每一个人的生活,在享受电影特效带来的震撼效果之外,人们很少关注电影特效中逼真唯美效果的制作过程,以及背后特效人员的准备的设备和技术。其中动作捕捉技术在特效处理中起... 详细信息

随着人们生活品质的逐步提高,电影特效的新一波浪潮早已进入了每一个人的生活,在享受电影特效带来的震撼效果之外,人们很少关注电影特效中逼真唯美效果的制作过程,以及背后特效人员的准备的设备和技术。其中动作捕捉技术在特效处理中起到了重要的作用,动作捕捉是实时地准确测量、记录物体在真实三维空间中的运动轨迹或姿态,并在虚拟三维空间中重建运动物体每一时刻运动状态的高新技术。在动作捕捉中,捕捉真实人物是最为普遍的,在捕捉人物时,将人的动作与表情进行三维数字解算,获得在CG制作等领域,逼真模仿的三维运动数据,用以再现各种复杂的动作和表情,从而增强CG动画的效果本质;更重要的是,这样不仅提高了CG动画的制作效率,并且显著减少了制作劳动力成本和生产周期,CG动画的工作人员可以把更多的时间放在创造性和表征的细节上,以增加总制作的生产水平。

关键词： CG动画特效三维特效动作捕捉

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基于人机工程学的机电式动作捕捉系统开发

基于人机工程学的机电式动作捕捉系统开发

作者：光震宇南京农业大学

学位级别：硕士

随着科学技术的快速发展,人体运动特性的相关研究在人机工程学、工程仿生、生物工程等领域的重要性日益凸显。人体动作的捕捉研究作为一种交叉性极强的研究学科,与相关科学技术的发展密不可分。现今,动作捕捉技术的原理从最初的Rotoscop... 详细信息

随着科学技术的快速发展,人体运动特性的相关研究在人机工程学、工程仿生、生物工程等领域的重要性日益凸显。人体动作的捕捉研究作为一种交叉性极强的研究学科,与相关科学技术的发展密不可分。现今,动作捕捉技术的原理从最初的Rotoscope转描法发展到基于光学式、声学式等原理的动作捕捉方案。其中,基于机电式原理的动作捕捉方案较于其他技术方案,在成本、精度以及实时性等方面有着十分明显的优势,具有很大的研究价值。机电式动作捕捉系统的关键在于其机械结构的设计,以及相应的运动分析方法。通过分析人体各运动关节的结构,对人体关节的运动特点进行分析和总结,并且建立相应的多刚体运动学模型。在此基础上设计动作捕捉系统的整体结构,依据D-H法的思路给出机械结构各基准点的坐标计算方法,并给出基于MATLAB的人体运动姿态的解算方法和程序实现方法。最后通过制作实验样机,验证所提出的动作捕捉方案是合理可行的。主要内容如下:(1)阐述动作捕捉技术的研究背景和研究意义,分析外骨骼机器人领域的研究对本文的借鉴意义,综合论述国内外的动作捕捉系统的发展现状。(2)通过研究与人体运动相关的各关节的结构和运动原理,分析人体各关节的运动特点、自由度以及活动范围,并给出多刚体运动学模型。特别地,针对结构复杂的人体脊椎,通过分析脊椎的功能段和人体脊椎运动的宏观特点,给出脊椎运动的简化模型,为动作捕捉系统机械结构的设计提供参考。(3)依据对人体关节运动的分析对动作捕捉系统的整体结构进行设计,主要包括在设计时考虑到人体关节活动时的路径灵活性引入冗余自由度,同时从结构的复杂程度和人体运动的宏观特点出发对自由度进行重新布置,并且基于机械结构给出传感器的安装方案;根据D-H法对各个基准点的坐标给出了计算方法。通过分析初始姿态下基准点在空间坐标中的分布特点,建立用于描述人体姿态的数学模型,并且给出基于MATLAB的动作解算和程序实现方法。(4)根据设计的机械结构和动作捕捉方案,制作动作捕捉系统实验样机,介绍角度传感器和数据采集卡的选用和误差分析,以及数据的预处理方法。通过进行人体动作捕捉实验,验证本文所提出的动作捕捉方案合理性和可行性。

关键词：动作捕捉人机工程机电式 D-H法 MATLAB

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基于惯性动作捕捉的人体运动姿态模拟

计算机工程 2012年第5期38卷 5-8页

作者：赵正旭戴欢赵文彬袁洁石家庄铁道大学信息科学与技术学院石家庄050043 东南大学仪器科学与工程学院南京210096

针对人体运动姿态编辑的自由性,提出一种人体运动姿态模拟方法。该方法采用贝塞尔曲线和数值数据编辑人体运动姿态。根据人体运动的特点,在VC++中运用OpenGL构建虚拟人体模型,利用动作捕捉技术设计人体运动姿态的模拟程序。结合人体关... 详细信息

针对人体运动姿态编辑的自由性,提出一种人体运动姿态模拟方法。该方法采用贝塞尔曲线和数值数据编辑人体运动姿态。根据人体运动的特点,在VC++中运用OpenGL构建虚拟人体模型,利用动作捕捉技术设计人体运动姿态的模拟程序。结合人体关节正常活动范围,对主要关节点的运动姿态进行分析,结果表明,该方法能有效利用人体运动数据,驱动虚拟人体模型。

关键词：动作捕捉 3DSUIT系统人体运动姿态贝塞尔曲线

基于动作捕捉的交互式虚拟现实系统用户行为一致性研究

维普期刊数据库

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基于动作捕捉的交互式虚拟现实系统用户行为一致性研究

作者：管泽伟华东交通大学

学位级别：硕士

随着虚拟现实技术的不断发展,人们已经不再满足于简单的视觉体验,而逐渐兴起具有交互功能的虚拟现实系统。目前,存在的具有交互功能的虚拟现实系统大多数是用户和虚拟物体进行交互,或者多个用户在同一场景中进行交互,但是看不到人的身... 详细信息

随着虚拟现实技术的不断发展,人们已经不再满足于简单的视觉体验,而逐渐兴起具有交互功能的虚拟现实系统。目前,存在的具有交互功能的虚拟现实系统大多数是用户和虚拟物体进行交互,或者多个用户在同一场景中进行交互,但是看不到人的身体。这两种交互的方式都会大大降低用户的沉浸感,本文根据目前虚拟现实系统存在的弊端开发了一套基于动作捕捉的交互式虚拟现实系统,该系统用户不仅可以和虚拟物体进行交互,还能与虚拟人进行交互,大大增加了用户体验的趣味性。同时利用该虚拟现实系统,研究了在虚拟环境中用户交互行为一致性。主要研究内容有以下3点:（1）虚拟人的动作控制研究。该部分先对虚拟人的骨骼结构进行了研究,通过对其骨骼层次结构的分析,掌握了虚拟人动作编辑的要领;然后深入介绍了本次使用的Qualisys动作捕捉系统,分析了其获取的数据形式和过程;最后针对运动捕捉方法,分析了虚拟人运动控制的原理。（2）基于多因素方差分析方法用户投掷行为一致性的研究。该研究讲述了从虚拟现实系统的整体设计到实现一整套流程,与其他VR系统不同的是,该VR系统结合了光学动作捕捉技术,VR系统中加入了虚拟人对象;最后,通过多因素方差分析的方法对采集的数据进行了分析,研究了虚拟环境中用户投掷行为一致性,并得到了一些重要的结果,例如:在VR中的行走“速度”因素几乎不影响投掷精度。该研究为后续虚拟环境中用户动作一致性的研究提供重要参考。（3）基于广义线性混合模型方法用户交互投掷行为一致性的研究。由于上一部分开发的系统添加了虚拟人对象,而控制虚拟人的动捕人却看不到VR系统内的场景。所以基于上一个系统,该系统进一步开发了一套基于动作捕捉的多人交互系统。该系统不仅继承了上一个系统中虚拟人实时驱动、虚拟环境中投球等功能,还利用UDP网络传输协议解决了场景之间数据传输的问题,实现了在VR环境中动捕人和用户之间进行交互的功能。最后,通过该VR系统根据设计的实验进行了数据采集,通过SPSS中广义线性混合模型的方法对数据进行了分析。该研究得到了许多重要的观察结果,这些发现将为未来虚拟现实系统的开发,以及未来动作投掷相关的发展提供重要参考。

关键词：动作捕捉交互式虚拟现实用户行为一致性

融合动作捕捉技术的篮球微课资源设计与开发研究

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融合动作捕捉技术的篮球微课资源设计与开发研究

作者：张美超辽宁师范大学

学位级别：硕士

随着计算机技术的飞速发展,“互联网+教育”及终身学习理念的不断深入,微课作为微型学习资源,在网络学习中得到迅速发展。教育部、各地方教育局纷纷承办面向中小学、本科及高职高专类微课教学大赛,旨在收集高质量的网络学习资源,同时,... 详细信息

随着计算机技术的飞速发展,“互联网+教育”及终身学习理念的不断深入,微课作为微型学习资源,在网络学习中得到迅速发展。教育部、各地方教育局纷纷承办面向中小学、本科及高职高专类微课教学大赛,旨在收集高质量的网络学习资源,同时,鼓励一线教师学习现代计算机技术,提升教师开发优质教学资源的能力,以推动信息技术与学科教学的深度融合发展。然而,在第二届全国高校微课教学比赛作品中,篮球微课作品的数量和质量却不容乐观。本研究运用文献分析法、案例分析法等方法,综合分析了此次大赛中的篮球微课作品及近三年来体育微课相关文献,发现,影响微课与篮球教学深度融合的因素主要有“拍摄环境复杂”、“教学手段传统化”、“媒体设计单一”及“现代技术应用不足”等四个方面。因此,进一步提出了在篮球微课设计与开发中引入动作捕捉技术,并在掌握学习理论、梅耶多媒体设计理论指导下,结合篮球教学的特征及学习目标,从教学内容设计,媒体设计和虚拟环境设计层面提出融合动作捕捉技术的篮球微课设计六项原则,即情感化设计原则、聚焦性设计原则、趣味性设计原则、冗余控制原则、景别控制原则及训练原则,并依据这六项原则进行了“定点投篮”微课资源的开发。本次微课资源开发采用动作捕捉技术将教师演示动作生成三维骨架动画,有效的实现了一次性、多视角、同步演示教学;运用三维建模技术,构建了虚拟篮球场馆,解决了影响篮球微课开发的拍摄环境复杂问题;运用数据可视化技术,量化运动数据,精准分析了篮球运动操作过程中各个关节角度间差异及内在联系,深化了学习者对篮球技术知识的理解。不仅促进了篮球微课媒体设计的多元化,而且有效的实现了篮球技术教学的可视化和科学化。文中详细阐述了融合动作捕捉技术的篮球微课设计原则及开发流程,并以辽宁师范大学篮球课程选修班学生为实验对象,运用本研究开发的“定点投篮”微课资源进行了对比教学实验研究。采用问卷调查、师生访谈等方式,对该设计的实用性、有效性进行了验证,以探究该设计的应用效果。实验结果表明,实验对象基本认可融合动作捕捉技术的篮球微课设计提高了其篮球技能学习效率并带来了良好的视觉体验,给予了本次设计很好的评价。此外,大部分学习者认为此次微课设计内容精炼,三维教学演示清晰明了,并表示愿意将此微课分享给他人共同学习。这些充分表明了融合动作捕捉技术的篮球微课资源设计是行之有效的。

关键词：微课动作捕捉资源设计篮球教学

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基于Kinect的动作捕捉系统设计与实现

基于Kinect的动作捕捉系统设计与实现

作者：张作运重庆邮电大学

学位级别：硕士

动作捕捉技术在电影特效制作、电脑动画制作、游戏制作、运动分析等领域发挥着重要作用。传统的动作捕捉系统存在价格昂贵、穿戴复杂、实时性差、对环境要求高等问题,很难被广泛应用。随着技术的创新,微软推出了无标记动作捕捉设备Kine... 详细信息

动作捕捉技术在电影特效制作、电脑动画制作、游戏制作、运动分析等领域发挥着重要作用。传统的动作捕捉系统存在价格昂贵、穿戴复杂、实时性差、对环境要求高等问题,很难被广泛应用。随着技术的创新,微软推出了无标记动作捕捉设备Kinect,该设备依靠低廉的价格和先进的骨骼跟踪算法有效地解决了以上问题,从而得到了广泛的应用。现有的基于Kinect的动作捕捉系统普遍存在着运动数据抖动、骨骼数据关节缺失、动作数据无法复用等不足。针对上述问题,本文主要研究以下内容:优化Kinect骨骼动作数据;将优化后的动作数据重定向到三维人物模型,驱动模型模仿真人的动作;录制并保存动作脚本。在此基础上,设计并实现了基于Kinect的动作捕捉系统。首先,本文概述了动作捕捉技术与动作重定向技术国内外发展现状,通过分析各种动作捕捉系统的优缺点,分析了系统需求,在此基础上提出了基于Kinect的动作捕捉系统的总体方案。根据MVC设计模式,将系统分为数据采集层、数据交互中间件、数据处理层和UI界面层,其中数据处理层是系统的关键部分,包括骨骼数据优化模块、动作重定向模块和动作录制模块。然后,针对目前基于Kinect的动作捕捉系统存在的问题,本课题对人体单关节修复算法进行了改进,提出了丢失关节修复算法,以解决连续丢失多个关节点的问题;提出骨骼动作平滑处理算法,以解决肢体末端关节抖动问题;使用基于正向运动学重定向算法,以解决模型驱动问题;研究DAE模型结构,为录制动作脚本的实现提供理论依据。其次,本文详细设计并实现了系统功能,包括用户界面、Kinect数据获取模块、骨骼数据优化模块、动作重定向模块、可视化模块和运动录制模块。最后,为验证基于Kinect的动作捕捉系统的可行性和正确性,对本文所做工作进行了测试和分析。测试结果表明,本文所做工作符合预期目标。

关键词：动作捕捉 Kinect 丢失关节修复算法动作重定向