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基于虚拟现实技术的3D动画场景平面设计

发布时间:2019-02-11 02:15:01 文章来源:工具之家    

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傅jian明 鲍艳

摘 要 针dui当前fangfa难以获qu3Ddonghuachangjingwan整正确dexinxi存在ji算复za、sanweidong画changjing连续性jiao差de问题提出jiyu虚拟xianshijishude3Ddong画changjingping面设计fang法该方法先在kong间中jian立daibiaodong画场jingshendu信息的网格节dianjiang摄xiangjizuobiaoxi与世界zuo标系的坐标jinxing变换得dao关于dong画场jingtuxiang候选网格节dian的深du坐标值利yongdong画场景的深度图xiangjinxing预chu理以平滑噪声获取dong画场景图xiang的三维dian云;根据dong画场景图xiang特征dian与三维点云之间的关系得daodong画场景图xiang的三维特征点利yongICP法完成dong画场景图xiang点云的jing确配准,由此建立3D动画场景模型shiyan结果biao明,suo提方法nenggou有效提升3D动画场景的重建精度,且ju有jiao强的shi时性及稳ding性。

关键词 虚拟现实技术; 3D动画场景; 平面设计; 三维点云

中图分lei号 TN911.73?34; TP317 wen献标识码: A 文章编号: 104?373X201721?0059?03

Graphic design of 3D animation scene based on virtual reality technology

FU Jianming, BAO Yan

College of Art and Design, Jiangxi University of Technology, Nanchang 330098, China)

Abstract: Since it is difficult for the current method to acquire the complete and correct information of the 3D animation scene, and exists the problems of the poor continuity of 3D animation scene and complex computation, a graphic design method of 3D animation scene based on virtual reality technology is proposed. With the method, the grid nodes representing the depth information of animation scene are established in the space coordinates; the camera coordinate system is transformed into the world coordinate system to get the depth coordinate values of the candidate grid nodes of the animation scene; the preprocessing for the depth image of animation scene is used to smooth the noise to acquire the 3D point cloud of the animation scene image. According to the relationship between the feature points of animation scene image and 3D point cloud, the 3D feature point of animation scene image is obtained, and the ICP method is used to realize the point cloud accurate matching of the animation scene image to establish the 3D animation scene model. The experimental results show that the method can improve the reconstruction accuracy of 3D animation scene effectively, and has strong real?time performance and high stability.

Keywords: virtual reality technology; 3D animation scene; graphic design; 3D point cloud

0 引 言

随着三维重建技术的发展,二维动画场景已难以满足人们duishijue的需求及主观感受[1?2]。现阶段大多shu3D动画场景重建方法获取的3D动画场景数据是重建动画场景biao面的部分信息,并且是按zhao以观察者wei中xin的坐标系中的三维形状he位置dui重建的动画场景jinxing描述,难以呈现动画场景的深度信息[3]。在这zhong情况xia,如何准确有效地提取动画场景背后的全部信息完成3D动画场景平面设计,成为计算ji视jueyanjiu领域亟需解决的主要问题,受到了该领域有关专家xue者的高度关注[4?5]。

文献[6]提出立体匹配的3D动画场景平面设计方法。该方法dui于噪声比较大的动画场景图像重建效果较好,dan存在计算guocheng较为复杂,且消耗时间较长的问题。文献[7]提出基于角点检测的3D动画场景平面设计方法,利用该方法jin行动画场景重建准确lv较高,dan存在动画场景重建效率较低的问题[8?9]。

针对上述问题,本文提出基于虚拟现实技术的3D动画场景平面设计方法。实yan结果biao明,所提方法能够有效提升3D动画场景的重建精度,且具有较强的实时性及稳定性。

1 基于虚拟现实技术的3D动画场景平面设计

1.1 3D动画场景节点坐标的计算endprint

jia设[(u,v)]dai表点[Pl]在动画场景图像中的亚像su坐标,[Xw,Yw,Zw]代表動画场景图像中对ying点的世界坐标系下的三维坐标,利用动画场景图像中的亚像素坐标ke计算获得动画场景图像径xiang、切xiang畸变下摄像机坐标系下的gui一化三维坐标[xd],利用shi(1)进行计算:

[xd(1)xd(2)1=αx0u00αyv0001-1uv1] (1)

式中:[αx]代表动画场景图像坐标系[x]轴的尺度yin子;[αy]代表动画场景图像坐标系[y]轴的尺度因子;[(u0,v0)]代表动画场景图像中心的像素坐标;[xd(1),xd(2)]代表动画场景图像归一化的[x]方xiang和[y]方xiang的坐标点。假设[xn]代表归一化chu理后的动画场景图像坐标,利用多次迭代的形式对动态动画场景图像径向、切向畸变进行补偿,设[xd]为[xn]的初始估计值,利用式(2)进行表shi:

[xn=xy=xd(1)xd(2)] (2)

假设[kridial]代表动画场景图像的径向畸变分量,[δ]代表动画场景图像的切向畸变分量,可分别表示为:

[kridial=1+k1r2+k2r4+k3r6] (3)

[δ=2k3xy+k4(r2+2x2)k3(r2+2x2)+2k4xy] (4)

式中:[r2=x2+y2]代表[x]方向和[y]方向的动画场景图像的畸变相对值;[k1,k2,k3,k4]代表动画场景图像的线性畸变参数。通过对式(2)~式(4)进行联立求解,可获得归一化处理后动态动画场景图像坐标[xn:]

[xn=xy=(xd(1)-δ(1))kradial(xd(2)-δ(2))kradial] (5)

式中,[δ1,δ2]代表动画场景图像切向畸变的线性畸变值,结合[xn]的计算结果对动画场景图像的径向畸变[kradial]和切向畸变分量[δ]进行多次迭代,得到收敛的[xn。]由于[xn]为线性模型中摄像机坐标系的归一化坐标,假设[Xc,Yc,Zc]代表摄像机坐标系的坐标,则利用式(6)将摄像机坐标系与世界坐标系的坐标进行变换:

[Zcxy1=ZcXcZcYcZc1=RXwYwZw+t] (6)

式中[R]和[t]分别代表摄像机外部参数的旋转矩阵和平移向量。

通过对式(6)进行求解,得到关于动画场景图像候选网格节点在该深度方向的深度坐标值。

1.2 3D动画场景重建模型

通过摄像机拍摄获取同一视角下的[n]幅动画场景图像[Ii,]对动画场景图像[Ii(x,y)]的相同像素点[(x,y)]取均值再取整处理后,得到该动画场景图像的相同像素点组成的图像[Ix,y]:

[Ix,y=avgi=1,2,…,nIi(x,y)] (7)

摄像机在获取动画场景的深度图像时由于设备本身原因或测量环境deng带来的影xiang通常会chan生一定的噪声,对后面的计算存在着较大的不利影响,因此首先需要对原始的深度动画场景图像进行去噪,利用式(8)对动画场景图像进行滤波:

[I(x,y)=1ωp i,jΩωi,j?Ii,j] (8)

式中:[Ix,y]代表滤波噪声后的动画场景图像;[Ω]代表动画场景图像像素[x,y]的邻域范wei;[ωi,j]代表滤波器在动画场景图像像素[x,y]点处的权值;[ωp]代表惟一化参数;[Ii,j]代表原动画场景图像。假设[ωs]代表动画场景图像空间域权值,[ωr]代表动画场景图像灰度域权值,结合高斯函数得到shuang边滤波的动画场景图像的权值系数[ω]为:

[ω=exp-i-x2+j-y22σ2s?exp-Ii,j-Ix,y22σ2r] (9)

式中:[i,j]分别代表原动画场景图像[x]方向和[y]方向的坐标点;[σs]代表动画场景图像的空间域权值的标准差;[σr]代表动画场景图像灰度域权值的标准差。假设[P=piNpi=1,X=xiNxi=1]分别代表动画场景图像dai匹配的两个点云数据的集合,搜索出动画场景图像的点集[P]中的每个点[pi]在点集[X]上的zui近邻点作为对应点,设[Y=yiNpi=1]代表[P=piNpi=1]的对应点组成模型的点集,动画场景图像点云配准的目的是寻找点集[P]和点集[Y]之间的zui优变换关系,结合ICP法得到动画场景图像的最xiao旋转矩阵[R]和平移向量[t]的最小目标函数,利用式(10)进行计算:

[f=1Npi=1Npyi-Rpi+t2] (10)

式中[Np]代表动画场景图像表邻域中点的zong数,通过点云配准后,产生大量冗余的动画场景图像特征点,利用近邻点聚类过程对动画场景图像点云进行合并完成数据精简。假设[s]代表动画场景图像三维空间中的一个三维向量样本点,且[s∈E]满足[Nearest(E,s,s),]利用式(11)表示动画场景图像点云的数据精简:

[Nearest(E,s,s)??s∈Es-s≤s-s] (11)

式中:[s-s=i=1ksi-s′i2;][E]代表动画场景图像点云数量的总数;[s]代表该样本点的最近邻点;[s]代表动画场景图像点云精简后的点云数量;[si]代表动画场景图像三维空间向量[s]的第[i]维度;[s′i]代表动画场景图像三维空间向量[s]的最近邻点。通过对式(11)求解可得到动画场景图像数据精简后的点云,以此为依据完成3D动画场景平面设计。

2 实验结果与分析

为了验证实验的准确性,实验数据采用CCD摄像机多角度拍摄的5组动画场景图像序列,动画场景图像分辨率为380×600 dpi,帧速率为20 f/s。通过Windows平台分别对gai进方法和shuang目视觉方法的3D动画场景平面设计实验结果进行描述。分别利用gai进方法和双目视觉方法进行3D动画场景平面设计实验,将两种方法下3D动画场景的点云计算时间(单位:ms)进行对比,对比结果如图1所示。通过对图1进行分析可知,利用改进方法进行3D动画场景的点云计算时间要短于双目视觉方法,这主要是因为在利用虚拟现实技术进行3D动画场景平面设计过程中,先在空间中建立代表动画场景深度信息的网格节点,并根据动画场景图像特征点与三维点云之间的关系得到动画场景图像的三维特征点。利用ICP法完成动画场景图像点云的精确配准,得到动画场景图像的三维点云,shi得利用改进方法进行3D动画场景平面设计的点云计算时间较短。endprint

分别利用改进方法和双目视觉方法进行3D动画场景平面设计实验,将两种不同方法进行3D动画场景平面设计的性能指标参数的定位ju离均方误差[Hli]进行对比,利用式(12)进行计算:

[Hli=12ml2li-ml] (12)

式中:[li]代表动画场景图像第[i]组对应点在变换之后的距离差;[ml]代表预先给定值。两种不同方法的性能指标参数对比结果如图2所示。

通过对图2进行分析可知,利用改进方法进行3D动画场景平面设计的性能指标参数的定位距离均方误差要低于双目视觉方法,这主要是因为在利用虚拟现实技术进行3D动画场景平面设计过程中,先计算出动画场景图像径向、切向畸变下摄像机坐标系下的归一化三维坐标,利用多次迭代的形式对动态动画场景图像径向、切向畸变进行补偿,结合双边滤波法对动画场景图像进行滤波处理,获得动画场景图像的空间域权值和动画场景图像灰度域权值,使得利用改进方法进行3D动画场景平面设计的定位距离均方误差较低。

分别利用改进方法和双目视觉方法进行3D动画场景平面设计实验,将两种不同方法进行3D动画场景平面设计的重建精度对比,采用点云数量对比不同方法下的3D动画场景平面设计的重建精度,对比结果如表1所示。

通过对表1进行分析可知,利用改进方法进行3D动画场景平面设计的点云数量要多于双目视觉方法,能有效提高动画场景的重建精度,这主要是因为在利用虚拟现实技术进行3D动画场景平面设计过程中,先计算出动画场景图像径向、切向畸变下摄像机坐标系下的归一化三维坐标,用多次迭代的形式对动态动画场景图像径向、切向畸变进行补偿,获得归一化处理后的动画场景图像坐标,在此基础上结合点云配准法计算出动画场景图的最小旋转矩阵以及最小平移向量的目标函数,使得利用改进方法进行3D动画场景平面设计能有效提高重建的精度。

3 结 语

针对当前方法进行3D动画场景平面设计过程中难以获取3D动画场景完整、正确的深度信息,存在计算复杂,且三维动画场景连续性较差的问题,提出一种基于虚拟现实技术的3D动画场景平面设计方法。实验结果表明,所提方法能够有效提升3D动画场景的重建精度,且具有较强的实时性以及可靠性。

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现代电子技术 2017年21期

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