面向反馈运动控制器的多目标求解

目的 基于物理模拟的人体运动生成方法由于能够合成符合自然规律的运动片段,可实时响应环境的变化,且生成的物理运动不是机械性的重复,因此是近年来计算机动画和虚拟现实领域中最活跃的研究方向之一。然而人体物理模型具有高维、非线性及关节间强耦合性等特点,求解人体物理运动十分困难。反馈控制器常用于人体物理运动控制,求解时通常需要对多个目标函数加权求和,然而权重的设置需多次试验,烦杂耗时。针对运动控制器求解困难的问题,本文提出了一种面向反馈运动控制器的多目标求解方法。方法 首先,对运动数据进行预处理并提取关键帧求解初始控制器,并设计一种改进的反馈控制机制;在此基础上,种群父代个体变异产生子代,采用禁选区域预筛选策略去除不满足约束的个体,并通过重采样获取新解;然后,通过物理仿真获得多目标适应度值,采用区域密度多层取优选取分布均匀的优秀个体作为下一代父代,并通过基于剪枝的多阶段物理求解算法决定是否进入下一阶段优化;经过多次迭代后获得物理控制器,从而生成具有反馈的人体物理运动。结果 针对提出的方法,本文针对多个测试函数和物理运动分别进行实验：在测试函数实验中,本文分别采用经典的测试函数进行实验对比,在相同的迭代次数下,相比之前算法,本文算法中满足约束的优秀个体命中率更高,反转世距离更小,且最优解集的分布更加均匀;物理运动生成实验中,分别针对走路、跑步和翻滚等运动进行物理运动生成,与之前算法进行对比,本文算法可以更早地完成收敛,同时目标函数值更小,表明生成的运动效果更好。结论 本文提出的进化求解方法可以生成不同运动的控制器,该控制器不仅可以生成物理运动,而且还具备外力干扰下保持平衡的能力,解决了运动控制器求解中多目标权重设置困难、优化时间长的问题;除此之外,本文算法还对具有约束的多目标问题具有较好的求解效果。     

AAPS模型驱动的四足足迹约束生成方法

针对计算机动画的应用需求,引入生物学领域的先验知识,提出一种异步式的步态时序模型,并在此基础上实现一种足迹约束生成方法.首先对生物学领域内的经验知识进行建模,建立异步式的步态时序模型,以对四足动物的任意步态模式进行参数化的描述;然后通过设定速度参数,依据步态模型筛选出合适的步态模式,并在不同步态间进行过渡处理,生成四足动物完整运动序列的步态图;最后以步态图和速度为基础,面向地形、转向多种环境约束生成四足动物的足尖轨迹.实验结果证明,在生物学数据的支撑下,该方法仅需设置速度参数与环境约束便能够快速、有效地生成四足动物的足尖轨迹,将此轨迹应用于运动生成方法,可以求解出具有真实约束驱动的运动结果.     

AAPS模型驱动的四足足迹约束生成方法EI北大核心CSCD

针对计算机动画的应用需求,引入生物学领域的先验知识,提出一种异步式的步态时序模型,并在此基础上实现一种足迹约束生成方法.首先对生物学领域内的经验知识进行建模,建立异步式的步态时序模型,以对四足动物的任意步态模式进行参数化的描述;然后通过设定速度参数,依据步态模型筛选出合适的步态模式,并在不同步态间进行过渡处理,生成四足动物完整运动序列的步态图;最后以步态图和速度为基础,面向地形、转向多种环境约束生成四足动物的足尖轨迹.实验结果证明,在生物学数据的支撑下,该方法仅需设置速度参数与环境约束便能够快速、有效地生成四足动物的足尖轨迹,将此轨迹应用于运动生成方法,可以求解出具有真实约束驱动的运动结果.     

面向多骨骼及多风格的行走运动控制器

目的 基于控制器的运动生成方法存在一些局限性,对骨骼参数、运动风格变化的适应性较差。提出一种面向多骨骼及多风格的行走运动控制器及其生成方法。方法 首先使用改进的比例微分控制器作为预处理,使仿真过程适应较大的比例微分增益,然后应用特定规则调整比例微分系数并使用旋转迭代算法进行优化,最后设置各种与稳定性和风格相关的目标函数,使用协方差矩阵自适应进化策略对控制器中的目标姿态进行优化。结果 本文方法可以生成一系列对应不同骨架、不同运动风格的行走控制器,在效率、稳定性、鲁棒性和多样性方面相较其他方法有一定优势,其中稳定运行时间可提高一个数量级。结论 本文方法生成的控制器运动稳定性好,风格多样可控,不需要大量手工调整,不要求用户具有较强专业背景,增强了控制器的适应性,扩展了控制器生成运动的应用范围。     

草绘3维人体建模的模板形变方法

目的 采用草绘交互方式直接构造3维人体模型是当前人体建模研究的重要课题之一.提出一种草绘3维人体建模的模板形变方法.方法 针对输入的草图,首先,采用关节点定位方法获取草图中的人体关节点,根据人体结构学约束识别人体骨架结构,通过解析人体轮廓草图获取人体草图特征;其次,通过骨架模板和外观轮廓模板形变,将草图特征映射到3维人体模型,实现3维人体建模.结果 草图解析方法能有效提取草图特征,通过模板形变方法生成3维人体模型,并在模型上保持草图特征;能适应不同用户的绘制习惯,且生成的3维人体模型可用于人体动画设计.结论 提出一种草绘3维人体建模的模板形变方法,支持用户采用草绘方式进行3维人体模型设计,方法具有良好的用户适应性,对3维动画创作具有重要意义.     

机织物组织图的数学描述与3维几何建模

目的 织物组织结构的3维几何模型是进行机织物的3维外观模拟和性能预测的基础。提出直接由组织结构参数建立机织物3维几何模型的方法。方法 根据构成机织物组织交织规律的浮长序列、交叉数、飞数、经纬纱循环数等参数,建立单层织物的组织图矩阵生成的数学公式;结合组织图矩阵和织物中纱线的屈曲模型,采用直线和余弦曲线分段函数建立组织矩阵中组织点间纱线路径的数学公式,并基于椭圆截面模型实现机织物的3维模拟;通过对经、纬纱的X或Y坐标函数中引入修正因子,实现纱线路径的扭曲变形。结果 实现不同组织类别、不同结构参数、不同纱线截面及基于均匀分布的纱线扭曲等条件下单层机织物的3维几何结构模拟,仿真效果较好。结论 本文方法将组织图矩阵生成和织物结构3维建模两个过程结合,快速生成单层机织物的3维几何模型。通过实时更改结构参数,实现不同结构织物的模拟,而且可以模拟经、纬纱平面外扭曲现象。     

周围神经MicroCT图像中神经束轮廓获取

目的 采用不同染色方法获得的周围神经标本经过MicroCT扫描后,会获得不同效果的神经断层扫描图像。本文针对饱和氯化钙染色、无染色方法获得的两种周围神经MicroCT图像,提出一种通用的方法,实现不同染色方法获得的周围神经MicroCT图像在统一架构下的神经束轮廓获取。方法 首先设计通用方法架构,构建图像数据集,完成图像标注、分组等关键性的准备环节。然后将迁移学习算法与蒙皮区域卷积神经网络（mask R-CNN）算法结合起来,设计通用方法中的识别模型。最后设计多组实验,采用不同分组的图像数据集对通用方法进行训练、测试,以验证通用方法的效果。结果 通用方法对不同分组的图像数据集的神经束轮廓获取准确率均超过95%,交并比均在86%以上,检测时间均小于0.06 s。此外,对于神经束轮廓信息较复杂的图像数据集,迁移学习结合mask R-CNN的识别模型与纯mask R-CNN的识别模型相比较,准确率和交并比分别提高了5.5% 9.8%和2.4% 3.2%。结论 实验结果表明,针对不同染色方法获得的周围神经MicroCT图像,采用本文方法可以准确、快速、全自动获取得到神经束轮廓。此外,经过迁移后的mask R-CNN能显著提高神经束轮廓获取的准确性和鲁棒性。     

从表面重构的体数据实现3维网格剖分

目的 针对有限元分析中网格最优化问题,提出一种改进的生成四面体网格的自组织算法。方法 该算法首先应用几何方法将三角形表面模型重新构造成规定大小的分类体数据,同时由该表面模型建立平衡八叉树,计算用以控制网格尺寸的3维数组;然后将体数据转换成邻域内不同等值面的形态一致的边界指示数组;结合改进的自组织算法和相关3维数据的插值函数,达到生成四面体网格的目的。结果 实验结果对比表明,该方法能够生成更高比例的优质四面体,增强了对扁平面体的抑制能力,同时很好地保证了边界的一致。结论 在对封闭的3维表面网格进行有限元建模时,本文算法为其提供了一种有效、可靠的途径。     

面向Kinect运动数据的鲁棒足迹检测

目的 Kinect可实时获取运动数据且较传统的运动捕捉设备采集成本低廉,在运动数据捕捉方面得到了广泛应用。但Kinect获取的运动数据精度较低,现有运动数据处理算法难以适用。方法 针对运动数据处理的关键步骤足迹检测问题,提出面向Kinect运动数据的鲁棒足迹检测算法。首先使用自适应的双边滤波算法降低Kinect运动数据中的噪声;其次定义多种脚部运动特征并用于分类,优化分类效果;最后使用支持向量机(SVM)算法训练决策函数并用于足迹检测。结果 本文算法应用于多种类型运动数据后,可以有效地减少Kinect运动数据中的噪声,足迹检测的时间性能以及准确性良好,其中足迹检测的准确率比经典的基准线方法提高了10%左右,比K近邻方法提高了8%左右,检测一帧运动足迹的速度为K近邻方法的7倍左右。结论 对实验结果的分析证明算法具有良好的鲁棒性、时间性能以及准确率,可广泛应用于运动数据的处理之中。     

由航空影像自动重建大范围3维地形

目的 针对由航空影像自动生成大范围3维地形的立体模型配准问题,提出一种自动配准全部立体模型的方法,从而生成大范围3维地形。方法 首先由相邻影像构建独立的立体模型;然后根据特征匹配同名点在公共影像上的坐标对应关系,自动提取相邻模型的连接点;通过循环遍历搜索,自动配准全部立体模型,进而构建全航摄区的大范围3维地形。结果 采用两组数据进行实验,结果显示,两组数据全部3维模型的均方配准误差分别为5.20像素和2.63像素。本文方法生成的大范围地形的相对精度较高;对第2组数据的结果采用控制点进行绝对定向,并用检查点进行精度评估,结果显示全部检查点的均方平面和高程误差分别为0.326 m和0.502 m,生成的大范围地形达到了较高的绝对精度。结论 本文方法可自动化执行,仅需输入一系列有一定重叠的航空影像,即可自动生成按一定方式组织的大范围3维地形产品。该方法生成的大范围地形既可用于3维场景浏览,也可用于地形量测,但不适用于由激光扫描获取的点云数据的配准。     

层次结构导向下的动画角色模型分割与标记

对三维角色模型进行语义化检索与重组的前提是进行准确的分割和标记。本文针对游戏与影视中应用广泛的三维角色模型,提出了一种基于结构先验知识的角色部件分割和标记方法。总结了动画角色模型的一般性结构规则,并形式化为可以指导分割的层次化知识表达;采用区域生长法逐层剥离模型部件,在此规则下进行末端检测与边界判断,同时对部件进行语义标记。在两足与四足角色模型上进行测试,与其它可标记的角色模型分割方法相比,本方法具有更好的部件化结果,以及对动画角色有良好的扩展性。     

3维立体动画制作的视觉效果评价

目的 视觉效果评价是3维立体动画制作过程中不可忽略的一环。评价过程主要依靠专业人员的行业经验,受人员知识水平、测试环境等因素的影响。针对该问题,提出了一个主客观结合的评价模型。方法 首先建立了一个面向前期制作的三维动画场景数据集用以训练和测试,针对视觉效果评价的两个重要指标:立体感和视觉舒适度,进行主观实验得到相应的分数;提取全局视觉舒适度特征和感兴趣区域立体感特征,使用支持向量回归(SVR)方法,经过训练和测试得到舒适度评价模型和立体感评价模型。结果 通过将性能验证实验得到验证场景的主观分数与评价模型给出的结果进行比对,结果表明,运用评价模型得到的预测分数与观众主观分数基本一致,该模型可以对影响视觉效果的视觉舒适度和立体感予以5级量化评分。结论 本文所提出的视觉舒适度和立体感评价方法,能建立影响视觉效果的特征与主观评分间的关系,用得到的模型预测分数给制作人员一个及时直观的调节依据标准。     

Realistic modeling and animation of human body based on scanned data

In this paper we propose a novel method for building animation model of real human body from surface scanned data. The human model is represented by a triangular mesh and described as a layered geometric model. The model consists of two layers: the control skeleton generating body animation from motion capture data, and the simplified surface model providing an efficient representation of the skin surface shape. The skeleton is generated automatically from surface scanned data using the feature extraction, and then a point-to-line mapping is used to map the surface model onto the underlying skeleton. The resulting model enables real-time and smooth animation by manipulation of the skeleton while maintaining the surface detail. Compared with earlier approach, the principal advantages of our approach are the automated generation of body control skeletons from the scanned data for real-time animation, and the automatic mapping and animation of the captured human surface shape. The human model constructed in this work can be used for applications of ergonomic design,garment CAD, real-time simulating humans in virtual reality environment and so on.     

Prior notice method of robotic arm motion for suppressing a threat to a human

The ability to develop a gait with one or more legs missing is an important issue for multi-legged robots used in demining applications. Accordingly, this paper presents a three-legged gait under the assumption that one leg of a quadruped walking robot is missing. After outlining a posture classification scheme for three-legged walking, the kick-and-swing gait is proposed as a basic and reasonable gait for three-legged walking and analyzed using a simple dynamic model. Minimum energy gait planning and an active shock-absorbing method are also investigated. The validity of the proposed gait is shown based on experiments using the quadruped walking robot TITAN VIII.     

Implementation of omnidirectional crawl for a quadruped robot

As a reptile animal crawls in a cluttered environment, so a quadruped robot should be able to crawl on an irregular ground profile with its static stability by adopting the straightgoing and standstill-turning free gaits. The generalized and explicit formulations for the automatic generation of straight-going gaits and various standstill-turning gaits are presented in this paper. The maximized stride for the straight-going gait and the maximum turning angle for the turning gait of a quadruped robot named TITAN-VIII in a gait cycle are discussed by considering the robot's mechanism constraints and the irregularities of the ground profile. The control algorithm, including control of the joint positions of the robot, is described to implement the desired walking path of the quadruped robot. The effectiveness of the proposed method is demonstrated through experimental result.     

基于Kinect的人体姿态估计优化和动画生成

为了生成更准确流畅的虚拟人动画,采用Kinect设备捕获三维人体姿态数据的同时,使用单目人体三维姿态估计算法对Kinect的彩色信息进行骨骼点数据推理,从而实时优化人体姿态估计效果,并驱动虚拟人物模型生成动画。首先,提出了一种时空优化的骨骼点数据处理方法,以提高单目估计人体三维姿态的稳定性;其次,提出了一种Kinect和遮挡鲁棒姿势图（ORPM）算法融合的人体姿态估计方法来解决Kinect的遮挡问题;最后,研制了基于四元数向量插值和逆向运动学约束的虚拟人动画系统,其能够进行运动仿真和实时动画生成。与仅利用Kinect捕获人体运动来生成动画的方法相比,所提方法的人体姿态估计数据鲁棒性更强,具备一定的防遮挡能力,而与基于ORPM算法的动画生成方法相比,所提方法生成的动画在帧率上提高了两倍,效果更真实流畅。     

基于环约束的虚拟人动态LOD技术

针对虚拟人体模型及其运动序列提出一种简化方法．首先在人体骨架节点（关节）等基本模型表面附近添加环形约束，结合Qslim算法生成基本简化模型；其次利用顶点混合方法从基本简化模型生成简化序列．实验结果表明。该方法可生成逼真的简化运动序列，且在简化过程和LOD控制过程中均独立于具体运动序列，适合规模群体的实时驱动．     

Energy-optimal gait analysis of quadruped robots

It is important for walking robots such as quadruped robots to have an efficient gait. Since animals and insects are the basic models for most walking robots, their walking patterns are good examples. In this study, the walking energy consumption of a quadruped robot is analyzed and compared with natural animal gaits. Genetic algorithms have been applied to obtain the energy-optimal gait when the quadruped robot is walking with a set velocity. In this method, an individual in a population represents the walking pattern of the quadruped robot. The gait (individual) which consumes the least energy is considered to be the best gait (individual) in this study. The energy-optimal gait is analyzed at several walking velocities, since the amount of walking energy consumption changes if the walking velocity of the robot is changed. The results of this study can be used to decide what type of gait should be generated for a quadruped robot as its walking velocity changes. This work was presented, in part, at the Sixth International Symposium on Artificial Life and Robotics, Tokyo, Japan, January 15–17, 2001.