基于光学运动捕捉的虚拟交互系统开发

摘要

虚拟现实系统能够实现声音、影像以及触觉等多通道的信息传递,为实现高效、灵活的人机交互提供了可行途径。运动捕捉技术可以获取真实环境中物体的运动状态,从而为实现虚拟环境和真实环境之间的通信提供了技术保障。为此本文采用被动式光学运动捕捉系统,对虚拟现实系统中的人机交互技术进行了研究。
　　为了构建基于光学跟踪捕捉的虚拟交互系统,对虚拟交互系统的功能结构、性能要求以及其中关键技术进行了分析。在此基础上,对整个系统进行了框架结构的总体设计,确定了系统的硬件组成和软件结构,并且完成了软件层和相关类的设计。
　　建立了系统的交互环境,包括几何模型数据接口的开发,实现了商用CAD模型数据与虚拟交互系统的数据传递;对人体骨骼结构的分析,完成人体几何模型的构建;对人手的运动特点进行了分析,构建了人体上肢的层次结构模型,确定了手部模型的运动参数,完成了人体上肢运动模型的构建;对常用的碰撞检测算法的检测精度和检测效率进行了分析,确定了系统的碰撞检测方法,通过使用层次包围盒以及三角图元的检测,实现了符合系统实时性要求的碰撞检测。
　　根据人体的运动模型确定标记点的放置位置,进行了相机标定以及Vicon系统参数的调整,对人体手部的运动进行了实时的运动捕捉;分析了 ViconReal-Time Energy的通信协议和数据结构,使用Vicon的SDK软件开发包进行了运动数据接口的开发,实现了Vicon系统与虚拟交互系统的数据通信;对人体几何模型进行运动控制,完成了人手运动到虚拟手模型运动的映像;分析了人手抓取物体的动作,对虚拟手的抓取规则进行了定义,实现了在虚拟现实环境中的物体的抓取。
　　最后完成了虚拟交互系统的开发和验证,使用Visual Studio2008作为开发工具,结合Vicon光学运动捕捉系统和OpenGL图形库,进行了虚拟场景显示模块的开发;使用SQL Server2005数据库进行了模型数据库的构建,实现了模型数据的管理;在虚拟交互系统中进行了抓取、移动和释放等操作,实现了指定的交互操作任务。

目录

基于光学运动捕捉的虚拟交互系统开发

OPTICAL CAPTURE BASED DEVELOPMENT OF VIRTUAL INTERACTION SYSTEM

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 课题研究的目的和意义

1.2 虚拟现实中的人机交互技术

1.3 光学运动捕捉技术及其研究现状

1.4 课题主要研究内容

第2章 虚拟交互系统的分析与总体设计

2.1 虚拟交互系统的功能和结构

2.2 系统的性能及关键技术分析

2.3 虚拟交互系统的硬件环境

2.4 虚拟交互系统的软件结构

2.5 本章小结

第3章 虚拟交互环境的构建

3.1 系统几何数据接口的开发

3.2 人体几何模型的构建

3.3 人体上肢运动模型的构建

3.4 模型碰撞检测

3.5 本章小结

第4章 运动捕捉与模型交互控制

4.1 人体运动实时捕捉

4.2 运动数据接口的开发

4.3 虚拟交互环境中的模型控制

4.4 抓取动作的定义与识别

4.5 本章小结

第5章 虚拟交互系统的开发与验证

5.1 虚拟交互系统的开发环境

5.2 虚拟场景显示模块的开发

5.3 系统模型的管理模块的开发

5.4 虚拟交互系统的实验验证

5.5 本章小结

结论

参考文献

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致谢