面向虚实融合的碰撞检测技术研究与实现

admin · 发表于 2023-10-3 16:11:22

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随着虚拟现实技术和计算机图形学的发展，虚实融合技术逐渐成为下一代人机接口技术发展的主要方向之一。虚实融合技术通过跟踪用户在真实场景中所处的位置，将计算机生成的图形图像、声音以及触觉等信息“叠加”在用户感知的真实世界上，为人们的研究工作构造更为灵活生动的交互环境，与计算机图形学、人机交互技术、网络多媒体技术相结合，被广泛应用于医学仿真、虚拟装配、娱乐等方面。虚实融合技术对沉浸感、逼真性有着更高的要求，其中面向虚实融合的碰撞检测技术能够更好的提高用户的沉浸感，因此一直是虚实融合技术中的研究重点及热点之一。而虚实融合环境自身的计算复杂性和操作实时性又对碰撞检测提出了更高的要求。本文针对面向虚实融合的碰撞检测所涉及的几个关键题目，开展了如下研究工作：1. 针对真实物体（如用户手部）在虚实融合空间中的实时动态变化特性，提出一种利用颜色信息标记其关键区域并根据颜色概率分布信息进行色块跟踪的实时跟踪方法。通过同步采集视频流，对视频图像中的手部各关键点的运动进行以颜色直方图为目标模式的跟踪计算，得到各点图像坐标。为了提高识别正确性，提出了一种基于多色块同步识别的视频跟踪算法，由于多色块跟踪消耗了更多的计算资源，为了保证虚实融合系统的实时特性，又提出了一种基于多线程技术的多色并行跟踪方法，实现了对手部各个区域的同时跟踪，在提高了识别效率的基础上满足了系统实时性的要求。2. 人手三维信息的准确获取是虚实融合环境中虚实碰撞的关键技术，但是由于实时获取手的全部几何信息十分困难，因此我们仅针对手部关键点进行恢复，在跟踪获得关键点的图像坐标的基础上，提出了一种基于实时立体匹配策略的三维定位方法。利用双目立体视觉的方法，寻找空间中同一点在两幅图像中的像素对应关系，进而通过计算两图像像素间的视差求解三维位置。最终将求解得到的三维坐标统一到虚物的绘制坐标系下，驱动虚拟替身手进行形态变化与位置移动。3. 针对虚实融合系统碰撞检测双方有虚有实的特性，提出一种基于实手的“替身手”与虚物进行实时碰撞检测的方法。利用上阶段所得到的“替身手”在虚物绘制坐标系下与模型的相对位置关系，采用层次二叉树分割算法与包围盒算法进行模型对之间的求交计算，最终精确定位碰撞发生点，并实现了在模型移动过程中的包围盒实时更新。基于上述研究成果，本文设计并实现了一套面向虚实融合的碰撞检测系统，并且应用于面向飞机驾驶舱设计的虚实融合的协同工作环境项目中。

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