基于四元数插值的虚拟人运动建模及实现

针对关键帧动画中,欧拉角描述旋转运动时自由度的丢失,提出了四元数插值方法来模拟人体运动.首先根据人体结构建立虚拟人骨架模型,其次模拟人体运动建立虚拟人运动模型,然后基于XML表示法建立关键帧数据模型来存储关键帧信息,最后采用四元数方法对给定的关键帧进行插值生成中间帧,并基于OpenGL实现可视化编程.实验结果表明,该方法能对虚拟人的运动过程进行平滑地插值,该算法框架具有通用性,通过修改关键帧信息可以很好地模拟人体的不同运动.

空间三次PH曲线的定弧长四元数插值

针对已知两端点处位矢和切矢的空间曲线定弧长插值问题,构造了C1连续的三次PH曲线。通过四元数运算描述空间曲线切矢的变化,将曲线分成两段进行插值。利用PH曲线可以精确计算弧长的优势,实现了给定曲线弧长,简单快速地插值出空间曲线,并且论证了所提曲线插值方法的控制方程解的存在性。最后,通过算例验证了该方法在实现空间曲线定弧长插值方面的有效性和实用性。

基于四元数插值的虚拟人运动框架研究

针对矩阵表示旋转时繁琐的计算量引起的不必要的时间和空间上的浪费以及欧拉角表示旋转时的万向锁问题,采用四元数插值的方法来表示虚拟人运动过程中的旋转运动,通过对人体行走、跑步、打拳等运动的分析和研究,建立了虚拟人运动框架,并在Visual Studio 2013中配置OpenGL实现虚拟人的运动模拟。实验结果表明,四元数插值的方法能够实现平滑的虚拟人运动,建立的虚拟人运动框架具有可行性。

利用实际飞行数据插值的INS/GNSS组合导航仿真轨迹发生器

针对INS/GNSS组合导航仿真中捷联惯导系统陀螺、加速度计信号高精度模拟问题,提出基于实际飞行数据插值的动态轨迹解析生成仿真算法。对转换到地心惯性坐标系中的载体姿态、位置和重力场数据进行关于时间的样条函数插值,得到载体坐标系下陀螺角速率、角增量以及加速度计比力积分增量的高精度分段解析表达式。使生成的陀螺、加速度计信号符合载体运动学和动力学特性,反映杆臂效应影响,同时与经事后处理的实测GNSS伪距、伪距率等数据特征保持一致。提出四元数约束插值算法,其可满足四元数解析插值时范数为1的约束限制条件。基于某实际无人机飞行数据,验证了所提算法的有效性,其完全满足组合导航动态仿真精度要求。该算法也适用于其他高精度高动态导航系统和刚体运动控制仿真中的角运动、线运动传感器信号模拟。

基于关键视频帧跟踪数据的三维虚拟人动画

根据VRML中H-anim标准对虚拟人进行几何建模。在虚拟人文件导入过程中,利用有限状态机(FSM)对文件进行解释,为便于虚拟人的显示及控制,以树型数据结构表示虚拟人几何数据,完成了一个用于三维虚拟人动画的开发包VHASDK。建立了人体运动中世界坐标系及各关节点的局部坐标系,利用逆运动学计算出关键帧中人体各关节点相对于初始状态下的位移向量及旋转轴角,在虚拟人的动画过程中对关节点旋转采用四元数球形线性插值法进行平滑处理。最后完成了一个原型系统,采用多个虚拟人及多种人体运动方式进行了系统验证。

样条插值在运动模拟中的应用

研究样条插值在物体运动模拟时的路径设计与运动控制中的应用,建立一个适合于物体运动模拟的数学模型;提出适合于运动模拟的样条插值方法,对四元数插值作了改进,以增加形状控制的灵活性;简化了弧长参数化方法,以减少运动控制的计算量;在实际模拟中取得了良好的效果.

结合HMM隐状态基元和贝叶斯准则的运动捕获片段过渡

针对运动捕获序列拼接时常常忽略其运动语义自然过渡问题,提出了一种结合隐马尔可夫模型隐状态基元和贝叶斯准则的运动捕获数据片段过渡方法.首先,提取两种代表性的人体骨架特征并归一化,得到组合特征数据矩阵来表示原始运动数据;其次,采用HMM方法对组合特征矩阵进行运动隐状态基元预测,发现其运动隐状态变化规律;紧接着,依据连接处不同运动序列隐状态预测结果,结合贝叶斯规则搜索运动片段作为连接片段;最后,对序列连接处进行四元数插值平滑处理,达到运动片段自然过渡的目的.实验结果表明,本文提出的方法能够较好地保持运动状态的自然过渡,且过渡区域无明显地拼接痕迹,有助于不同语义运动片段自动拼接时运动姿态的自然衔接.

对图像缩放中有理插值方法的一种新讨论

利用有理函数可有效逼近大挠度曲面的特点,该文提出一类新的数字图像缩放方法,即构造出性能优良的多元混合切触连分式重建图像插值核函数,使其较好保持图像的梯度特征,并对其边缘位置和方向具有良好的适应性.基于四元数代数理论,将彩色图像象素点的三个颜色分量当作一个纯四元数处理,构造出基于Clifford代数的四元数连分式插值格式,将R,G,B三色通道并行处理,使之较传统方法具有更高的计算效率、较好的色彩保真性和更好的保边缘特性。

基于Hermite样条曲线的关键帧插值角色动画

针对角色关键帧动画中的运动平滑性问题,以基于运动捕获数据的角色动画为基础,提出以Hermite样条曲线为基本算法结合四元数球面线性插值算法的方法,对虚拟人体骨骼运动的动画关键帧进行插值,实现虚拟人体角色的动作平滑过渡。经实验证明,本方法实现简单高效,获得的关键帧动画平滑流畅,可广泛用于人体类角色动画的研究。

基于三角网格曲面的机器人磨削工具姿态光顺优化

目前,网格曲面机械人磨削理论得到了广泛研究,但现有方法所产生的磨削工具姿态往往存在光顺性差、未能兼顾网格曲面局部微分特性等问题,为此,提出了一种基于网格曲面和四元数插值的机器人磨削工具姿态光顺优化算法。首先,通过对网格曲面法矢进行估计,并对网格曲面局部几何特征进行拟合获得相应的曲率信息,实现网格曲面局部微分特性的重构;然后,综合考虑磨削曲面的曲率信息,在曲率较大的关键路径点处进行磨削工具姿态的指定,并采用四元数插值在指定的姿态间生成光顺变化的过渡姿态,以提高磨削过程的运动平稳程度和磨削表面的均匀性。仿真结果和加工实例表明,该算法能够产生光顺性良好和过渡均匀的磨削工具姿态,并且能够很好地适应网格曲面的曲率变化,保证了磨削过程的平稳性和磨削效果的均匀性。

飞行模拟的路径设计与运动控制

本文研究了飞行模拟中的路径设计与运动控制问题,是项目“军事指挥实时动态真实感模拟系统RDMSS”的飞行模拟部分,主要内容包括:建立了一个适合于飞行模拟的运动模型;提出了适合于飞行模拟的运动插值方法,对四元数插值作了改进,以增加形状控制的灵活性;简化了弧长参数化方法,以减少运动控制的计算量;在SGI/Indigo2上实现了一个简单的仿真模拟系统,成功地模拟了飞机起飞、降落的过程,沿指定轨迹线匀速或匀加速地飞行,实时地交互控制飞机飞行,以及导弹反导弹发射和拦截过程,取得了良好的效果。

一般6R机器人逆运动学算法的改进

机器人几何结构不满足Pieper准则时,无法求得封闭形式的运动学逆解,这样的机器人也被称为一般机器人,其逆运动学通常采用数值解法。针对一般6自由度关节型机器人逆运动学求解,在求解过程中延用迭代思想,将第n次求解结果作为第n+1次迭代初值,满足了牛顿迭代法对迭代初值充分接近精确解的高要求。在迭代过程中使用雅克比矩阵的伪逆矩阵代替其逆矩阵,避免了机器人在奇异位形处无法求解的现象。在轨迹规划算法中,采用四元数球面线性插值的方法对起始点和终止点进行姿态插值,解决了欧拉角姿态插值法中存在的奇异性以及姿态过渡不平稳的问题。最后在MATLAB环境下进行仿真实验,结果验证了改进后的牛顿迭代法的可行性与实时性。

基于GNSS/INS与激光雷达的缓存池建图

为了解决智能车、无人机、自主机器人对外界环境感知的先验信息不足的问题。本文提出了一种使用惯性导航(INS)与卫星导航(GNSS)辅助多线激光雷达传感器对环境进行自主三维重建的算法。该算法首先采用一种基于GNSS\\INS的线性差值法与四元数插值法并行算法将激光雷达点云转换到唯一坐标系下,纠正点云随时间的漂移;通过基于缓存池的建图方法对周围环境进行点云分割与拼接,对得到的子地图进行体素滤波,最终得到丰富环境信息的三维重建地图。通过机器人操作系统(ROS)在移动平台上进行验证,实验结果表明:该方法成功的对外界环境进行自主三维建图,适用于智能化载体对未知环境下的感知。

ISAF重构算法密度函数快速计算模型

球坐标系下的ISAF算法是一种新的20面体分子三维重构方法,该方法精度优于传统柱坐标系下的Fourier-Beseel算法,但其执行速度远低于Fourier-Bessel算法,严重制约了ISAF算法的实际应用.分析发现,在ISAF算法中密度函数计算是影响重构速度的主要瓶颈之一.针对上述问题,文中提出一种密度函数快速计算模型,该模型包括三个组成部分:球坐标系网格点密度函数快速计算方法、"球坐标系—直角坐标系"网格点密度函数转换方法、基于两阶段映射法的快速对称映射方法.该模型可以将密度函数计算阶段的时间复杂度由O[(LM)8]降低到O[(LM)7].采用Psv-F病毒数据进行实验,结果表明,在保证精度的前提下,该模型可以将密度函数的计算速度提高2个数量级,将三维重构整体速度提高30倍左右,并且随着数据规模的增大、重构精度的提高,该模型带来的加速比将进一步增大.