基于单目RGB数据的三维模板物体跟踪算法综述

文中介绍了三维物体跟踪技术及其最新研究进展,包括理论基础与评估指标、基于视觉特征的传统位姿求解和基于学习的位姿估计.分析了传统算法中各种特征约束、统计分割模型、能量函数以及加速策略.其中,区域及边缘约束成为跟踪的主流方向,多种特征可以融合产生更强的约束.统计分割模型由全局模型逐步发展为局部模型.非线性最小二乘形式的能量函数易于优化而被广泛采用.预计算、预渲染的加速策略使得跟踪的实时性极大提高.基于学习的算法现阶段在精度和速度上不及传统算法,但展现了更好的特征提取能力和处理更复杂场景的潜力.梳理了多种算法的跟踪精度及取得高精度的原因.总结了三维物体跟踪在复杂情境下跟踪精度下降和失败的问题,及其潜在的解决方案与发展方向.三维物体跟踪正朝向多特征融合、预计算、多任务的方向发展.     

虚拟物体间碰撞检测系统的设计

X3D是开放式的基于WEB的虚拟现实3D标准,是XML和VRML集成应用技术。首先介绍了X3D的碰撞检测的模型;其次描述了碰撞检测算法;通过X3D规范中提供的可扩展的插件机制,提出了一种用于X3D的碰撞检测系统的结构,通过测试该系统,它能够在具有大量的运动物体的环境中进行较为准确的碰撞检测,实时性和健壮性也基本上达到应用的要求。     

一种手部实时跟踪与定位的虚实碰撞检测方法

在虚实融合系统的协同工作环境中操作者需要利用手部与虚物进行交互,实时地进行虚实物体间的相交检测与碰撞响应对加强整个环境的沉浸感与真实性至关重要.文中通过多种颜色标记手部各关键点来建立映射关系,并以颜色直方图为目标检测模式对各色块进行跟踪;然后通过双目立体视觉原理计算关键点在2幅图像间的视差,进而实时恢复出三维信息,实现手部精确定位;同时,对虚物模型划分层次二叉树并逐层建立包围盒,最终通过实时判断手部与虚物的相对位置实现了精确的碰撞检测.实验结果表明,该方法所得的碰撞检测结果在摄像头光心前2m范围内较为精准,并可达到实时流畅的应用要求.     

基于Z_buffer值的碰撞检测算法研究

碰撞检测算法是增强虚拟环境的逼真感和沉浸感的一个重要手段。原有的碰撞检测算法计算复杂，在复杂大范围三维场景绘制时会占用系统大量计算资源。针对传统碰撞检测算法的缺点，提出了一种基于缓冲区Z_buffer值的快速碰撞检测算法。该算法充分利用场景绘制时的变换矩阵和深度信息，实现了用户以第一人称在虚拟场景中漫游时进行快速碰撞检测与响应。实验证明该算法计算简单、速度快且与场景复杂度无关。     

基于计算机视觉的虚实场景合成方法研究

开发了一种虚拟场景与实时视频之间的合成技术,提出了一种新的基于非定标技术的虚实配准方法,有效地解决了基于标识的三雏注册系统要求摄像机内参在系统运行过程中不能发生改变的限制.详细介绍了系统所采用的基于计算机视觉的标识识别和实时自动摄像机位置、姿态跟踪算法,并给出了系统运行结果,成功地将该技术应用于虚拟规划系统中.     

一种基于平面模板的虚实配准算法

虚实配准是增强现实的关键技术。因为有运算量小实时性强的特点，利用平面模板进行虚实配准被广泛使用。本文算法利用平面模板进行虚实配准中的单应性映射关系，建立从平面模板坐标系到摄像机坐标系3维空间坐标转换和从摄像机坐标系到投影平面的3维-2维空间坐标转换，既减小了运算量，又解决了人工定标的问题。在实现虚实配准的基础上，进一步探讨了配准的优化问题，对关键的单应性矩阵进行优化筛选，提高虚实配准的强劲性，实现部分标志点被遮挡情况下的虚实配准。实验结果证明，本文算法成功实现了虚实配准，并在抗遮挡性上有强劲的表现。     

利用深度图像的虚实物体碰撞交互研究与实现

对传统增强现实系统中虚拟物体与真实物体难以进行碰撞交互的问题,提出一种对深度图像中的场景进行分割,并基于分割结果构建代理几何体的方法来实现虚、实物体的碰撞交互。采用Kinect等深度获取设备获取当前真实场景的彩色图像信息和深度图像信息;通过深度图像的法向聚类及平面拟合技术来识别出场景中的主平面区域;对除去主平面区域的其他聚类点云区域进行融合处理,得到场景中的其他主要物体区域;为识别出的主平面构建虚拟平面作为该平面的代理几何体,为分割出的物体构建包围盒来作为其代理几何体。将这些代理几何体叠加到真实物体上,并对之赋予物理属性,即可模拟实现虚拟物体与真实物体的碰撞交互。实验结果表明,该方法可有效分割简单场景,从而实现虚实交互。     

结合二维算法的三维快速碰撞检测算法

碰撞检测是虚拟现实的重要组成部分,快速精确的碰撞检测算法直接决定三维仿真效果的好坏。提出了二维平面碰撞检测与动态八叉树相结合的新算法,使得碰撞检测效率有了很大提高。     

增强现实中的三维注册算法研究

系统地分析了三维注册的几个关键步骤，重点分析了影响摄像机标定精度的原因并提出了相应的修正方法，考虑到增强现实动态系统对实时性要求很高，文中采用了基于标识的跟踪预测方法，以做到实时无缝融合。     

基于模板跟踪的实时无标志点注册算法

为了解决不依赖于标志点的增强现实系统的环境注册问题,提出了一种基于选定模板跟踪的无标志点注册算法。该算法使用已标定的单目摄像机进行场景捕捉,通过对运动目标上的选定模板进行实时跟踪,获得每帧场景图像中的对应特征,利用透射投影变换计算运动区域的单应性约束后,再结合摄像机内参数,完成对目标的3维姿态估计,从而得到场景的3维环境注册信息。实现了一种基于该算法的无标志点的增强现实系统。介绍了系统结构和工作流程,试验结果验证了理论的正确性和系统的鲁棒性。     

一个计算凸多面体间碰撞点的快速算法

计算两个物体之间的碰撞点是碰撞响应的基础,也是一项系统开销很大的任务.因此,研究碰撞点快速求解算法对碰撞响应的实时性具有重要意义.该文提出了一个算法,当在虚拟环境中检测到碰撞时,应用此算法可以在碰撞响应之前快速计算出两个物体之间的准确碰撞时间,并能计算出此时两个物体之间的碰撞点.     

基于混合模型的碰撞检测优化算法研究

提出了碰撞中依据不同情况而选择不同包围盒的混合模型,分析了不同包围盒之间的求交算法,实现了碰撞检测层次包围盒算法的优化。     

三维服装仿真中的"服装-人体"快速冲突检测及响应算法

维胆装仿真可以为三维人体动画生成逼真的服装动态效果，但其中的冲突检测与仿真计算的时间复杂度太高，其实用性一直受到很大限制．提出了一种快速的“服装-人体”冲突检测友响应算法，在人体运动状态下，快速检测服装与人体之间的位置冲突，其时间复杂度仅为O（n）（n为服装模型上的顶点数目）．在此基础上，提出一种合理有效的冲突响应机制，并实现快速稳定的三维服装仿真，取得了真实的仿真结果．     

结合增强现实的医用加速器碰撞检测方法

针对肿瘤放射治疗中的加速器机械碰撞问题,提出一种增强现实环境下基于Unity3D的碰撞检测方法。基于三维建模软件3ds Max对医用直线加速器、治疗床等设备进行准确建模,基于病人CT由移动立方体算法得到三维可视化图像,并据此在USTC系列人体模型数据库中匹配体型符合程度最高的模型;编写脚本以对模型进行运动控制及刚体特性处理,基于Unity3D进行碰撞检测并规划设计GUI界面以进行用户操作和信息反馈;将三维模拟场景发布到Universal Windows平台并部署到增强现实设备HoloLens上。针对病床（病人）的三组空间位置进行测试,检测结果均与实际情况相符合,并得到了准确的反馈信息。测试结果表明,该碰撞检测方法检测结果准确,人机交互方便,增强现实环境下,展示效果直观,具有很好的应用前景。     

3D Collision-Free Motion Based on Collision Index

A collision-free motion planning method for mobile robots moving in 3-dimensional workspace is proposed in this article. To simplify the mathematical representation and reduce the computation complexity for collision detection, objects in the workspace are modeled as ellipsoids. By means of applying a series of coordinate and scaling transformations between the robot and the obstacles in the workspace, intersection check is reduced to test whether the point representing the robot falls outside or inside the transformed ellipsoids representing the obstacles. Therefore, the requirement of the computation time for collision detection is reduced drastically in comparison with the computational geometry method, which computes a distance function of the robot segments and the obstacles. As a measurement of the possible occurrence of collision, the collision index, which is defined by projecting conceptually an ellipsoid onto a 3-dimensional Gaussian distribution contour, plays a significant role in planning the collision-free path. The method based on reinforcement learning search using the defined collision index for collision-free motion is proposed. A simulation example is given in this article to demonstrate the efficiency of the proposed method. The result shows that the mobile robot can pass through the blocking obstacles and reach the desired final position successfully after several trials.     

Collision Detection for Deformable Objects

Interactive environments for dynamically deforming objects play an important role in surgery simulation and entertainment technology. These environments require fast deformable models and very efficient collision handling techniques. While collision detection for rigid bodies is well investigated, collision detection for deformable objects introduces additional challenging problems. This paper focuses on these aspects and summarizes recent research in the area of deformable collision detection. Various approaches based on bounding volume hierarchies, distance fields and spatial partitioning are discussed. In addition, image‐space techniques and stochastic methods are considered. Applications in cloth modeling and surgical simulation are presented.     

一种针对复杂3D物体碰撞检测的算法改进

碰撞检测是虚拟现实世界的一个关键问题。该文对常用的碰撞检测算法进行分析比较,针对普遍采用的两步算法,综合运用AABB树和规则空间划分算法,提出一种用于复杂的虚拟空间三维运动物体的碰撞检测改进算法。算法分成三步,每一步都排除不可能碰撞的元素。实验结果表明:该算法提高了碰撞检测性能,能满足复杂3D物体碰撞检测准确、快速的要求。     

虚拟现实中手与虚拟物体碰撞检测的一种算法

在虚拟现实技术中，人与虚拟空间物体的碰撞检测是非常重要的研究课题之一。由于空间物体结构的复杂性和碰撞响应的多样性，故找出一种通用检测算法是极为困难的。该文针对飞机机舱内的可操纵物体：开关，按钮，油门杆，停车杆等，实现了一种实时精确的碰撞检测算法。