VR游艇模拟器视景系统及虚拟手重建研究

摘要

目前，中国游艇行业发展迅速，游艇操作人员的培训和考核变得格外重要。若部分游艇的实操培训在全任务游艇模拟器中完成，将会显著提高培训效率、节省培训开支、规避培训风险。随着虚拟现实(Virtual Reality，VR)技术的不断发展，作为全任务游艇模拟器的补充，基于VR技术的游艇模拟器将以更低廉的价格、更小的设备占用空间和更易于网络化的优点，逐步占据一定的市场份额。
　　本文研究重点是VR视景系统的关键技术及具体实现。此外，以三维场景中的人体数据为研究对象，利用Kinect深度传感器获取人体三维点云数据，研究点云数据预处理、去噪平滑方法，对不同方位的三维点云数据进行全局配准的方法，以及从点云到三维模型的三维表面重建方法。本文的主要研究工作和结论如下:
　　(1)使用Kinect体感设备、Oculus Rift头戴显示器、三自由度动感平台座椅虚拟现实设备，搭建VR游艇视景系统。该视景系统模拟的港口、海面以及白天夜晚、雨、雪等场景真实，提供了游艇驾驶舱内观察视角，视点可跟随头部的运动而改变，且可以自然简便地进行人机交互，座椅配合游艇运动，满足了系统在真实感和沉浸感方面的要求，而且保证了实时性，达到预期效果。
　　(2)采用3台Kinect设备多视角获取三维场景数据。为解决点云噪声问题，提出双边滤波和中值滤波相结合的方法，该方法提高了点云的质量。通过不同视角下的标定物，计算相邻视角间的旋转和平移矩阵，并通过迭代最近点(ICP)算法进行点云配准。该方法快速、有效地完成了点云的全局配准。
　　(3)本文分别使用移动立方体算法、泊松算法和贪婪投影三角化算法对点云数据进行三维表面重建并进行对。发现泊松算法并不适合本文研究的点云数据，贪婪投影三角化算法抗噪性差，移动立方体算法信息丢失严重。将点云的颜色数据映射到三维模型上，增加了三维模型的真实感。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究的背景和意义

1．1．1 课题的背景

1．1．2 课题的研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 游艇模拟器视景系统的研究现状

1．2．2 Unity3D开发引擎研究现状

1．2．3 三维表面重建的研究现状

1．3 本文主要研究内容及结构安排

第2章 理论基础

2．1 基本概念

2．1．1 彩色图像与深度图像

2．1．2 点云数据

2．2 三维重建

2．3 本章小结

第3章 VR视景系统关键技术

3．1 系统需求

3．2 VR视景系统的总体结构

3．3 关键技术的实现

3．3．1 视景系统

3．3．2 数据头盔显示

3．3．3 三自由度运动平台

3．3．4 交互

3．4 实验结果

3．5 本章小结

第4章 点云数据获取及预处理

4．1 点云数据获取

4．2 点云预处理

4．2．1 背景快速分离方法

4．2．2 图像半滑去噪

4．3 数据传输

4．4 点云处理关键技术

4．4．1 KD-Tree

4．4．2 k邻域搜索

4．4．3 ICP算法的点云配准

4．5 本章小结

第5章 虚拟手的三维重建研究及实现

5．1 点云粒子绘制

5．2 泊松算法

5．2．1 算法原理

5．2．2 定义梯度场

5．2．3 估计向量场

5．2．4 求解泊松问题

5．2．5 实验结果

5．3 移动立方体算法

5．3．1 算法原理

5．3．2 二维平面轮廓提取

5．3．3 体元边表计算

5．3．4 实验结果

5．4 贪婪投影三角化算法

5．4．1 算法原理

5．4．2 投影计算

5．4．3 局部三角刮分

5．4．4 实验结果

5．5 结果分析

5．6 本章小结

第6章 结论

参考文献

攻读学位期间公开发表论文

致谢

作者简介