CN108536298A

CN108536298A - 一种人体映射姿体与虚拟旋转体的捆绑交互约束方法

Info

Publication number: CN108536298A
Application number: CN201810310741.8A
Authority: CN
Inventors: 何汉武; 杨贤; 张硕; 吴悦明
Original assignee: Guangdong University of Technology
Current assignee: Guangdong University of Technology
Priority date: 2018-03-30
Filing date: 2018-03-30
Publication date: 2018-09-14

Abstract

本发明公开了一种人体映射姿体与虚拟旋转体的捆绑交互约束方法，包括以下步骤：S1：构建以四元数结构为四维空间的虚拟现实世界；S2：构建真实人体在虚拟环境中的人体映射姿体；S3：以一个三维向量表示虚拟旋转体的旋转轴，以一个角度分量表示虚拟旋转体的旋转角度；S4：设定旋转轴为A点，手部为B点，设定虚拟旋转体保持在从A到B的直线上；S5：判断手部是否保持握住虚拟旋转体的状态，若是，虚拟旋转体始终在AB直线方向上运动，形成捆绑交互约束；因此，该捆绑交互约束方法易实现，在虚拟场景中交互精度较高，稳定性好，体验感更高，更加符合虚拟环境沉浸性的特点，解决了虚拟现实场景中人体映射姿体与虚拟旋转体的捆绑交互约束问题。

Description

一种人体映射姿体与虚拟旋转体的捆绑交互约束方法

技术领域

本发明涉及虚拟现实技术领域，尤其涉及一种人体映射姿体与虚拟旋转体的捆绑交互约束方法。

背景技术

VR(Virtual Reality，虚拟现实)是一种能够创建与体验虚拟世界的计算机系统，通过听觉、视觉、触觉、嗅觉等多通道交互方式给用户提供一种身临其境的体验，VR发展至今已有30多年，由于VR系统往往需要借助价值不菲的设备支撑，使得VR的发展步伐一直偏慢，随着2014年Facebook收购Oculus，2016年Oculus、HTC Vive等消费级VR设备投入市场，VR市场开始爆发，2016年也成为了虚拟现实元年。但是，这些消费级VR产品仅仅局限在单人使用的头盔式虚拟现实系统，其交互方式基本上借助手柄等非自然交互设备，在VR的3个典型特征：沉浸性、想象性与交互性中，作为虚拟现实其中一个很重要的特征“交互性”一直是困扰着虚拟现实发展的重要原因。目前为止，VR交互的标准尚未形成，各种交互设备大多存在问题，VR技术及其储备仍然是VR发展的重点，而解决用户与虚拟空间之间的更加自然更多维度的人机交互技术是关键。

HCI(Human-Computer Interaction，人机交互)是指人与计算机之间使用某种对话语言，以一定的交互方式，为完成确定任务的人与计算机之间的信息交换过程，是一门集计算机科学、心理学、社会学、图形设计、工业设计等交叉新学科。人机交互是当前信息产业发展的焦点，很多国家都把人机交互技术作为重点研究的关键技术。美国总统信息技术顾问委员会在“21世纪信息技术报告”中就将“人机交互和信息管理”列为新世纪4项重点发展的信息技术(还包括软件、可伸缩信息基础设施、高端计算)之一，其目标是研制“能听、能说、能理解人类的计算机”。我国国家自然科学基金会、国家重点基础研究发展计划(973)、国家高技术研究发展计划(863)等项目指南中，均将先进的人机交互列为予以特别关注的资助项目。目前人机交互经历了从早期的二进制机器代码阶段到现在主流的GUI(Graphical User Interface，图形用户界面)以及处在高速发展的NUI(Natural UserInterface，自然用户界面)。2008年，比尔盖茨提出“自然用户界面”的概念，并预言人机交互在未来几年内会有很大的改观，键盘和鼠标将会逐步被更为自然的触摸式、视觉型以及语音控制界面所代替。而微软亚洲研究院从成立一开始，就将新一代人机交互技术作为其主要研究方向，微软旗下产品Kinect人机交互系统更是第一个市场消费级别的自然手势交互系统。这些自然的交互展示了如何让机器的智能与协作力发挥出来，营造真正的“机器+人”的共生共融系统，也就是最佳的人机交互。

目前为止，虚拟现实环境下自然交互技术还不完善，相比传统的人机交互的交互技术，VR的交互难题还在于需要实现从界面到虚拟空间的飞跃，实现物理世界与虚拟世界的自然交汇，无缝融合。在现实世界中，尽管所有的东西看起来似乎简单和自然，但要在虚拟世界中模拟现实世界却非常复杂，比如本发明所构建的虚拟家居环境中，如果不做特殊处理，虚拟物体没有预先定义好就不能进行交互，旋转体不能像现实世界一样进行有限角度的自由旋转，这属于虚拟世界中的交互约束问题。

现有技术中，在2005年出版的《计算机工程与应用》的第41卷第30期第108页至第111页中，其作者王征等人发表了文章“虚拟家居设计系统中基于约束的三维布局”，文中基于虚拟家居提出局约束算法，其整个约束求解过程可描述如下：Step1：拾取当前模型，得到模型的主贴面约束类型。Step2：移动模型，拾取约束面。Step3：将约束面和被约束面对比，看是否匹配。Step4：根据算法得到更新的变换矩阵。Step5：搜索场景中除当前模型和约束面模型外其它模型，若存在模型和当前模型类型相同返回Step8。Step6：对比搜索的模型和当前模型的辅助约束特征，若存在第二贴面约束则更新变换矩阵。Step7：若约束不满足返回Step8。Step8：更新当前模型的位置。但是，此方案较为复杂不易实现，而且实际交互过程中精度不高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种人体映射姿体与虚拟旋转体的捆绑交互约束方法，该方法易实现，在虚拟场景中交互精度较高，稳定性好，体验感更高，更加符合虚拟环境沉浸性的特点，解决了虚拟现实场景中人体映射姿体与虚拟旋转体的捆绑交互约束问题。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种人体映射姿体与虚拟旋转体的捆绑交互约束方法，用于虚拟现实场景中，包括以下步骤：

S1：构建以四元数结构为四维空间的虚拟现实世界；

S2：构建真实人体在虚拟环境中的人体映射姿体；

S3：以一个三维向量表示虚拟旋转体的旋转轴，以一个角度分量表示虚拟旋转体的旋转角度；

S4：设定旋转轴为A点，手部为B点，设定虚拟旋转体保持在从A到B的直线上；

S5：判断手部是否保持握住虚拟旋转体的状态，若是，执行步骤S6，否则执行步骤S7；

S6：虚拟旋转体始终在AB直线方向上运动，形成捆绑交互约束；

S7：解除捆绑交互约束。

可选的，所述步骤S1中，虚拟世界的空间坐标为(x，y，z)，所述四维空间的坐标表示为a+bx+cy+dz，其中a、b、c和d均为实数，x、y和z均为虚数。

可选的，所述步骤S3中，虚拟旋转体的坐标表示为(i，j，k，w)，w＝cos(θ/2)，i＝ax*sin(θ/2)，j＝ay*sin(θ/2)，k＝az*sin(θ/2)，其中θ为极坐标角度。

本发明实施例具有以下有益效果：

本发明实施例中，相比现有技术而言，四元数只要存储4个浮点数，因此，该捆绑交互约束方法易实现，在虚拟场景中交互精度较高，稳定性好，体验感更高，更加符合虚拟环境沉浸性的特点，解决了虚拟现实场景中人体映射姿体与虚拟旋转体的捆绑交互约束问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例提供的一种人体映射姿体与虚拟旋转体的捆绑交互约束方法的流程图。

图2为本发明实施例提供的手部与虚拟旋转体的交互示意图。

具体实施方式

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

请参阅图1和图2所示，本实施例提供了一种人体映射姿体与虚拟旋转体的捆绑交互约束方法，用于虚拟现实场景中，包括以下步骤：

步骤S1：构建以四元数结构为四维空间的虚拟现实世界。

具体的，构建一个VR世界，虚拟旋转体属于VR世界中的一个具有某种物理属性的对象，表现为轴固定，其它部分绕着轴旋转一定角度的对象，比较典型的实例就是门。门通常会有一个把手，在现实世界中，人的手部与把手是抓握的捆绑关系，门把会随着手部的运动而运动。但是在VR世界中，手部并没有握住虚拟旋转体，而是通过人体映射姿体的手部抓住虚拟旋转体，从而没有现实世界中那种抓握的捆绑约束关系。

步骤S2：构建真实人体在虚拟环境中的人体映射姿体。

具体的，由于真实的人与VR世界中的交互需要一个视觉反馈，需要实时了解人处于VR世界中的哪个位置，所以，在虚拟现实的人机交互中，往往需要构建一个人体映射姿体，这个姿体是真实人类映射到VR世界的映射体。真实人类与VR世界的交互则表现为人体映射姿体与VR世界的交互。

步骤S3：以一个三维向量表示虚拟旋转体的旋转轴，以一个角度分量表示虚拟旋转体的旋转角度。

具体的，步骤S3是基于四元数算法设定VR世界的运动规则。

步骤S4：设定旋转轴为A点，手部为B点，设定虚拟旋转体保持在从A到B的直线上。

具体的，本发明的关键点在于，在四元数运算的基础上，设定握持部、虚拟旋转体、手部的三个点始终在一条线上。这主要是为了避免当手部运动较快时，手部与握持部容易由于缺乏像真实世界的抓握约束关系而导致手部与握持部脱离的情况发生，这种方法有效的解决了人体映射姿体与虚拟旋转体的捆绑交互的约束关系。

步骤S5：判断手部是否保持握住虚拟旋转体的状态，若是，执行步骤S6，否则执行步骤S7。

具体的，步骤S3是捆绑交互的终止命令的判断，判断手部与握持部是否处于捆绑交互还是捆绑终结。若还处于捆绑交互，则虚拟旋转体始终在AB直线方向上运动，形成捆绑交互约束；若处于捆绑终结，则解除捆绑交互约束。

步骤S6：虚拟旋转体始终在AB直线方向上运动，形成捆绑交互约束。

步骤S7：解除捆绑交互约束。

进一步的，该捆绑交互约束方法的实现原理为：

在虚拟世界的空间(x，y，z)中，以手部握住虚拟旋转体的握持部进行旋转分析。考虑到这里的旋转交互是针对世界坐标系的，即第1次的旋转并不会影响第2和第3次的转轴，如果采用欧拉角会导致不容易在任意方向的旋转轴插值、旋转次序无法确定、万向节死锁等问题。本发明根据四元数算法的结构设计成一个四维空间，四元数是由实数加上3个虚数单位x、y、z一起组成的，每个四元数都是1、x、y和z的线性组合，其中，x²＝y²＝z²＝-1，因此该四维空间表示为a+bx+cy+dz，其中a、b、c和d均为实数。

然后以一个三维向量(i，j，k)表示虚拟旋转体的旋转轴，以一个角度分量w表示绕着旋转轴的旋转角度，因此，虚拟旋转体可表示为(i，j，k，w)。其中：w＝cos(θ/2)，i＝ax*sin(θ/2)，j＝ay*sin(θ/2)，k＝az*sin(θ/2)，θ是极坐标角度。这种情况下，虚拟旋转体只具备沿着欧拉坐标中Y轴向的旋转能力，X轴和Z轴被限制。设定虚拟旋转体的旋转轴为A点，手部的位置为B点，从A点到B点画一条直线，无论手部在空间中的任何位置，虚拟旋转体也始终在这条直线上。

本发明中，四元数中的数都是经过“处理”的轴和角，轴角描述的“四元组”并非一个空间下的。首先，(ax，ay，az)是三维坐标中的矢量，，如果简单组合一起的话，难以确保它们插值结果的稳定性，因为无法归一化，因此无法确保最终插值后所得到的矢量长度相等，该矢量长度指的是经过旋转变换之后A点和B点之间的距离。但是这里的四元数是在统一四维空间中的，非常方便归一化然后插值，可以方便得到轴和角的这些用于3D图像的数据。与现有技术相比，四元数只要存储4个浮点数，因此，该捆绑交互约束方法易实现，在虚拟现实场景中交互精度较高，稳定性好，体验感更高，更加符合虚拟环境沉浸性的特点，具有简单高效的优势，解决了虚拟现实场景中人体映射姿体与虚拟旋转体的捆绑交互约束问题。

以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种人体映射姿体与虚拟旋转体的捆绑交互约束方法，用于虚拟现实场景中，其特征在于，包括以下步骤：

S1：构建以四元数结构为四维空间的虚拟现实世界；

S2：构建真实人体在虚拟环境中的人体映射姿体；

S7：解除捆绑交互约束。

2.根据权利要求1所述的捆绑交互约束方法，其特征在于，所述步骤S1中，虚拟世界的空间坐标为(x，y，z)，所述四维空间的坐标表示为a+bx+cy+dz，其中a、b、c和d均为实数，x、y和z均为虚数。

3.根据权利要求2所述的捆绑交互约束方法，其特征在于，所述步骤S3中，虚拟旋转体的坐标表示为(i，j，k，w)，其中，w＝cos(θ/2)，i＝ax*sin(θ/2)，j＝ay*sin(θ/2)，k＝az*sin(θ/2)，θ为极坐标角度。