基于光学运动捕捉的虚拟交互系统开发(4)

1.4 课题主要研究内容

本文运用光学运动捕捉设备，以C++语言和OpenGL图形库作为软件开发工具，构建了在虚拟环境下进行交互平台环境，并着重对虚拟交互环境中人体上肢的交互操作进行了研究。总结本文的主要研究内容如下：

(1)虚拟交互系统框架的构建分析虚拟交互系统的功能需求、性能要求以及关键技术；确定虚拟交互系统的基本功能模块，设计虚拟交互系统的框架结构和实现流程。

(2)搭建虚拟交互系统的交互环境进行模型数据接口的开发，将几何模型导入到虚拟交互环境中；对人的手臂部的结构及运动进行分析，创建几何模型和运动模型；实现模型碰撞检测。

(3)实现运动的实时捕捉与模型交互控制实现人体手部运动的实时捕捉（包括标记点放置位置的确定，相机标定以及捕捉参数的调整）；进行虚拟交互系统和运动捕捉系统之间通讯接口的开发；实现对人手部几何模型的运动控制；对手部动作进行定义，实现手部动作的识别以及系统对各种动作的响应。

(4)虚拟交互验证系统开发及其验证开发虚拟交互验证系统；进行虚拟交互的应用验证。

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第2章 虚拟交互系统的分析与总体设计

虚拟交互系统的功能是使用虚拟现实系统进行人机交互操作。虚拟交互系统由硬件和软件两个部分组成：系统硬件进行运动数据的采集和基本的运算，系统软件负责交互系统各项功能的具体实现。本章对虚拟交互系统的功能结构进行分析，对系统的性能提出了要求，此外本章还对系统硬件组成和软件结构进行了分析，对系统软件中的功能模块、层次结构以及相关类进行了设计。

2.1 虚拟交互系统的功能和结构

虚拟交互系统实际上是一个虚拟现实系统，该系统大体可以分为以下两个部分：真实系统与虚拟系统，如图2-1所示。使用虚拟交互系统进行交互操作，主要需要经过一下几个步骤：

(1)在真实系统中操作者进行真实的动作演示和操作；

(2)光学运动捕捉设备捕捉人体动作，并将其传给虚拟系统；

(3)虚拟系统中对运动数据进行分析处理后，使用这些数据驱动虚拟环境中的人体模型进行相应的动作，并将这些动作信息通过显示设备显示出来；

(4)操作者可以通过显示装置观察到虚拟环境中的动作，并根据虚拟环境中的情况调节自己的动作，进而完成对虚拟物体的操作，使交互操作顺利进行。

运动捕捉系统

数据处理

真实系统

图2-1 虚拟交互系统示意图 虚拟系统

虚拟交互系统中的控制结构，如图2-2所示。人体的运动数据通过运动捕捉系统获取，然后经由运动数据接口传入虚拟系统，虚拟系统对运动数据进行处理使其满足使用要求，完成模型的驱动，并将模型的运动情况通过显示设备反馈回真实系统，人根据反馈的信息进行相应的动作调整，从而实现整个系统的闭环控制。

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图2-2 虚拟交互系统的控制结构图

2.2 系统的性能及关键技术分析

虚拟交互系统利用光学运动捕捉设备实现人机的交互，为了完成系统的构建，实现系统应有的功能，首先要对虚拟交互系统的性能提出要求，并对其中的难点和关键技术进行分析。

2.2.1 虚拟交互系统的性能需求分析

虚拟交互系统作为一个虚拟现实系统，为了实现其基本功能，除了具有稳定性以及良好的交互界面外还需要具备以下几个特点：

(1)真实性：虚拟交互系统应具备良好的视觉效果，系统中的人，物体以及光照等应该与现实情况尽可能的相近，以保证整个系统的真实程度。

(2)交互性：操作者进行各种操作时，虚拟系统中的操作者也能够进行相应的动作，并操作虚拟场景中的物体。操作过程中不应出现或尽可能的少出现错误抓取以及物体之间相互“碰穿”的现象。

(3)实时性：真实系统中的变化应当在一定的时间内传入到虚拟环境中，并在显示系统中显示出来。系统显示的流畅程度很大程度上影响到系统的真实性，同时良好的实时性也可以使操作者可以及时调整自己的动作，进而提高系统的交互性能。

虚拟交互系统需要满足真实性、交互性以及实时性的要求。但在实际的实现过程中这几个要求存在相互矛盾的方面，系统的真实性与交互性越好将导致系统的计算量增加，从而限制系统的实时性提高。而为了提高系统的实时性必须对模型和场景进行简化，从而影响系统的真实程度。系统的实现需要在各种因素中寻找平衡点，进而实现系统整体性能上的最优化。

2.2.2 虚拟交互系统的关键技术分析

根据对系统性能需求的分析，虚拟交互系统需要实现真实而实时的交互，而实现这些功能主要存在以下关键技术：

(1)虚拟场景的逼真显示

虚拟场景的显示使用的是OpenGL(Open Graphics Library)开放图形库。

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OpenGL是图形硬件的软件接口[52]，它独立于图形硬件和操作窗口，可以在不同的操作平台下使用，具有良好的移植性，OpenGL的基本函数可以进行几何图元和几何属性的描述，也可以实现几何变换、视角变换以及其他的相关操作。为了实现场景的逼真显示，除了使用图元绘制和基本变换外，还需要使用OpenGL中的光照和纹理等较为复杂的功能。

(2)实时高效的碰撞检测

高效的碰撞检测一方面要考虑碰撞的检测精度，保证抓取动作的真实，不出现模型的碰穿和虚抓；另一方面要控制检测的计算量，缩短检测时间，以保证整个系统的实时性。在本文的虚拟交互系统，人体模型较为复杂，检测困难较大，同时操作物体的数目也会随交互复杂程度的增加而增加，也要求较高的检测效率。因此设计高效的碰撞检测算法，是构建整个虚拟交互系统中的一个关键点和难点。

(3)运动捕捉标记点的放置

由于标记点的遮挡问题光学运动捕捉的固有缺点，因而标记点的放置受到限制。标记点的放置位置应该稳定的固定在人的手及手臂上，与人体的运动保持一致；由于光学运动捕捉采用双目立体视觉原理，所以应保证在每一时刻所有的标记点被至少两个相机同时观察到。

此外由于人体手部的运动比较复杂，考虑到运动捕捉的精度及遮挡问题，应当在保证可以对人体运动显示重构的基础上尽量的减少标记点的数目。标记点的放置关系到运动捕捉的效果及运动数据的形式，是实现运动控制的关键之一。

(4)人体模型的运动控制

对人体的运动控制首先需要从对人体模型的简化开始，人体模型十分复杂，在系统的实现过程中对每一个结构都进行建模和控制是没有必要，对模型进行简化的程度和质量将直接影响系统的真实程度。人体运动的驱动数据来自光学运动捕捉系统，由于捕捉系统的限制和手部结构的复杂性，不可能对每一个关节进行捕捉，需要在算法上实现对缺失数据的补偿。因而根据光学运动捕捉系统获取的数据构建人体手部的运动模型以及运动控制模型是实现交互的关键技术。

2.3 虚拟交互系统的硬件环境

虚拟交互系统的硬件实现运动数据的获取、传输同时还负责进行数据的计算处理工作，是系统不可缺少的组成部分。本系统采用的硬件是Vicon公司的被动式光学运动捕捉设备和PC计算机组成。

Vicon MX运动捕捉设备Vicon MX运动捕捉设备可以获取毫米量级的运动数据，实现高速度和较高精度的运动捕捉。该设备的构架如下图2-3所示，整个Vicon

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MX运动捕捉设备主要有以下几个部分组成：包含4个MX红外摄像头，一台MX Net和一台PC主机。

MX Net

PC

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