体育解析系统中虚拟人动作的编辑、修改及视频合成

摘要

在以往的体育解析与诊断系统中，通常是用两台摄像机对运动员的技术动作进行实地拍摄，并将其两组图像序列合成转化成为三维数据，然后仅通过对运动参数的解析给教练以参考。然而在实际应用中人们更希望提供教练能对参数进行修改，甚至直接用鼠标对动作进行编辑的功能，实现教练对动作的设计和指导。并将其修改的结果通过虚拟人表现出来，再与运动员的动作进行视频合成，给运动员以直观的演示。 2003年我们承担了河北省《运动技术可视化实时生物力诊断与仿真指导系统研究》，对体育解析与诊断系统软件进行了研发，实现了关节点的手工标记法[1]和自动识别法[2]，运动参数的解析和虚拟人动作重现[1]，用逆向动力学计算关节点的位置[4]及从图片中提取运动人体轮廓[3]等功能。本文是对该系统做了进一步的修改和完善，包括以下三部分内容。1.虚拟人动画：实现虚拟人动画的常用方法是手工标示法、运动捕获方法和自动识别方法。为了减少手工标示的工作量，回避运动捕获的高成本和弥补自动识别的精度误差。本文提出了基于插值原理的方法，其采用样条插值技术处理位置的平移变化，采用四元数插值技术处理方向的旋转变化。 2.虚拟人动作的设计与修改：当教练员需要对运动员的某一时刻的某一关节点进行修改时，为了保持整个动作的协调性和前后动作的连贯性，需要对该帧的其他关节点和前后帧的动作做相应的自动匹配。为此本文提出了基于运动自身的自相似方法和基于正态分布的关节点曲线调整方法。从运动员自身的运动曲线中提取特征信息，然后进行自动调整使其结果能最大限度地符合运动员自身特点。 3.视频合成：传统的alpha图像合成算法往往使作为运动参照的背景图像在融合之后不够清晰。本文提出了一种新的图像融合算法—Newalpha算法。此方法的优点在于它既保存了原始图片中的清晰背景又使融合后的图像平滑自然。同时，本文还开发了一套视频处理系统，它能够实现视频图像的慢放、及同帧显示不同时刻的动作等操作。

目录

文摘

英文文摘

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第一章绪论

§1.1引言

§1.2体育系统仿真

1.2.1基于VR的体育系统仿真

1.2.2功能要求

§1.3本文的主要研究内容

第二章虚拟人动画技术

§2.1引言

§2.2人体结构分析

§2.3虚拟人运动模型

2.3.1基于运动学的模型

2.3.2基于动力学的模型

§2.4虚拟人运动控制的关键技术

2.4.1参数化关键帧技术

2.4.2插补算法

2.4.3四元数插值

§2.5其它动画技术

§2.6本文采用的三维动画生成方法

第三章运动编辑

§3.1概述

§3.2运动编辑的背景

§3.3运动编辑的分类

3.3.1运动修改

3.3.2基于运动自身的自相似方法

3.3.3基于正态分布的关节点曲线调整方法

3.3.4逆向动力学

3.3.5运动序列的编辑

第四章数字视频合成

§4.1引言

4.1.1 AVI视频文件介绍

4.1.2BMP文件结构及特点

§4.2视频合成

4.2.1视频合成的关键技术

4.2.2视频文件的合成算法

4.2.3 alpha融合技术

§4.3程序实现

4.3.1B M P位图转换为A V I动画的算法

4.3.2实现运动仿真结果与运动员动作的同屏对比

4.3.3实现从A V I文件中提取关键帧的信息

4.3.4实现AVI文件的截取

4.3.5实现运动图像序列的叠加

4.3.6视频媒体播放器

4.3.7Newalpha方法与传统的方法的比较

第五章总结与展望

§5.1本文所作工作总结

§5.2有待解决的一些技术问题

附录：A四元数的相关定理

参考文献

致谢