虚拟人在队列训练模拟器中的应用

随着仿真和虚拟现实技术的发展,虚拟人技术由理论研究逐渐走向实际应用,在医学、军事、航天、体育、艺术等领域发挥越来越重要的作用.然而,由于人体外形和运动的复杂性,对人类自身完美地模拟还十分困难.以队列训练模拟器为背景,重点研究了系统中虚拟人的几何和运动控制建模.根据军事队列训练的目标和要求,采用分层虚拟人表示方法,建立了具有树形结构的人体几何模型;应用基于视频的运动捕捉技术和运动学方法,控制虚拟人的行为动作;以齐步走为例,给出了仿真结果.仿真和实验结果表明,所建立的人体几何模型逼真可信,基于视频的运动捕捉和运动学结合的运动控制方法有效、逼真地对虚拟人进行了控制.     

一种基于国标人体测量学数据的虚拟人建模方法

针对目前利用国标人体测量学数据构建的虚拟人模型,只有单一的骨骼层或皮肤层,不便于同时对虚拟人进行实时运动控制和皮肤动态变形研究的问题,提出一种利用GB 10000-88的19个人体测量学特征数据、用3ds max构造出虚拟人的皮肤网格、层级建模方法构建出虚拟人的骨骼关节运动模型与四元数球面混合插值技术相结合的虚拟人建模方法。实验结果表明,该方法构建的虚拟人双层模型有利于对准确的国标人体测量学数据的虚拟人角色进行建模、皮肤逼真变形、实时运动仿真和人机工效学分析。     

虚拟人步行和跑步运动方式的实现

描述了虚拟人步行和跑步两种基本运动方式的实现方法。为确保虚拟人的行为符合真实环境中人体的运动规律和运动特征,根据对人体行走和跑步模型的分析,提出用关键帧,正向、逆向运动学和简单动力学适当结合的多重控制技术对人体的关节进行控制,实现了周期的步行、跑步等移动动作,接着通过引入运动特征参量,对已生成的移动动作加以修正,对不同人的个性化行为进行模拟,生成了不同速度、频率、步辐特征的走步和跑步动作。最后,利用动态仿真,能够交互地调整虚拟人运动的方向和速度,并使他在原地踏步、走步、跑步和转身这几种运动模式间进行转换。     

虚拟人合成研究进展

虚拟人是人在计算机生成空间(虚拟环境)中的几何特性与行为特性的表示.虚拟人合成研究的内容主要包括逼真人体模型与逼真人体运动行为.文中介绍了人体建模方法、人体运动行为生成方法的发展过程,给出了基于实例的人体建模与人体运动行为建模的研究进展,以及这些研究成果的应用例子,最后列举了几个前沿研究问题.     

基于骨骼蒙皮动画的虚拟人手势合成技术的研究

虚拟人手势合成技术在聋哑人的很多领域都有广泛应用。本文研究了虚拟人运动控制的方法以及骨骼蒙皮动画的原理。利用3dsmax、poser等建模软件对虚拟人模型进行创建,在XNA游戏引擎中,实现了对虚拟人手势等的控制。该种运动控制方式不受动作片段的影响,可以广泛应用于虚拟人运动控制中。     

虚拟人行走运动的研究与实现

该文对虚拟人行走的运动控制方法进行了研究,对人体行走过程进行了详细的分析。根据Bruderlin对行走过程的分析,该文对其进行了简化,把行走过程的支撑期和摆动期各分成两个阶段,即Heel_Strike阶段和Toe_Down阶段构成支撑期,Toe_Above_Toe阶段和Knee_Straighten阶段构成摆动期。然后,用关键帧、逆运动学和简单动力学相结合的运动控制方法,实现了逼真的虚拟人行走运动。     

一种基于传感器的人体上肢运动实时跟踪方法

实时跟踪人体运动是人机交互的重要研究课题,可以广泛应用于虚拟现实、虚拟人运动合成、聋人手语自动生成、计算机3D动画、机器人运动控制、远程人机交互等领域。文中介绍了一种基于传感器的人体上肢运动实时跟踪方法,给出了该方法的虚拟人模型、计算原理与校正方法,最后介绍了整个方法的实现以及在中国聋人手语自动合成中的应用。该方法具有使用传感器少,运动跟踪精度高、计算过程简单而且速度快等特点。     

面向艺术与设计虚拟人技术比较研究

在面向艺术与设计虚拟人技术领域,建模、皮肤变形、运动控制是其基本问题。首先介绍了基于经验知识、人体解剖学以及基于物理模拟的虚拟人研究方法,然后介绍了基于样本插值的虚拟人研究方法。最后对两种方法进行了比较研究,并展望了未来的发展方向。     

虚拟人行为控制技术在分布式虚拟环境中的实现

在分布式虚拟环境中加入虚拟人的运动时，一方面要考虑行为建模与姿势控制技术的实现，以生成理想的行为动画，另一方面关节，体模型的复杂性导致运动参数在网络上传输的负载增大。如果采用不同层次的参数来描述虚拟人姿势，则可以实现一些高层的行为控制方式，并将参数关键帧技术和逆向运动学技术等各种动画技术有机结合，同时给网络传输参数的选择提供不同的解决方案，文章对采用不同方案带来的网络负载和计算负载进行了定性比较和分析。     

面向艺术与设计的虚拟人技术研究

虚拟人(Virtual Human)是人类各种特性(几何、行为、感知、情感、生理、心理、社会性等)在虚拟空间中的数字化表示，是高度真实的人类特性的数字化再现．文中首先介绍面向艺术与设计的虚拟人技术的应用领域和研究维度，然后详细介绍其中的主要研究内容，包括：虚拟人体建模、运动控制技术、虚拟人群仿真、虚拟感知与情感计算，最后指出，在面向艺术与设计的虚拟人技术研究中，艺术与设计领域专家和计算机专家的协作关系．     

人体运动建模的实时逆运动学算法

人体运动的虚拟仿真及建模是当今计算机图形学研究的一个热点,而逆向运动学方法则是求解人体运动的一项关键技术.为了实现人体运动建模,提出一种新颖的基于人体关节约束的实时逆向运动学算法.首先基于骨骼长度改进了传统的循环坐标下降(CCD)算法,使其生成的运动效果更加流畅自然;然后引入生物分子运动模拟中的SHAKE算法,使短距离运动建模效果更加高效、鲁棒.在此基础上,提出了模拟多个节点同时运动的解析算法,以获得在多个关节点共同作用下的人体运动仿真效果.同运动捕捉的实测数据相比,采用文中算法所得的结果与在视觉效果上非常接近,并通过实验证实了其应用价值.     

基于两段式IK与关键帧的虚拟人运动控制

为提高网络虚拟环境中虚拟人运动控制的效率与显示效果,提出逆运动学和关键帧法相结合的虚拟人运动控制方法.在逆运动学中设计改进的CCD算法实现分阶段IK计算,因回溯路径的缩短,减少了计算量;在关键帧中插入由四元数插值法生成的中间帧,提高虚拟人运动的真实感;通过IK求解的关节旋转角不仅实现对姿态的逼近,还使关节更具有弹性;引入运动特征参量,可增强虚拟人动作模式的多样性.     

State of the Art in Example-Based Motion Synthesis for Virtual Characters in Interactive Applications

Animated virtual human characters are a common feature in interactive graphical applications, such as computer and video games, online virtual worlds and simulations. Due to dynamic nature of such applications, character animation must be responsive and controllable in addition to looking as realistic and natural as possible. Though procedural and physics-based animation provide a great amount of control over motion, they still look too unnatural to be of use in all but a few specific scenarios, which is why interactive applications nowadays still rely mainly on recorded and hand-crafted motion clips. The challenge faced by animation system designers is to dynamically synthesize new, controllable motion by concatenating short motion segments into sequences of different actions or by parametrically blending clips that correspond to different variants of the same logical action. In this article, we provide an overview of research in the field of example-based motion synthesis for interactive applications. We present methods for automated creation of supporting data structures for motion synthesis and describe how they can be employed at run-time to generate motion that accurately accomplishes tasks specified by the AI or human user.     

三维虚拟世界中虚拟人物的构建方法研究

虚拟人物是三维虚拟世界的重要组成部分,在军事仿真、计算机辅助教育和训练、3D网络游戏等领域都有着广泛的应用。如何增强三维虚拟世界中虚拟人物的真实感,已成为目前研究的热点问题。从人体建模、动作设计、人工智能、情感实现四方面探讨了虚拟人物的构建方法,并对这些方法进行了分析和总结。最后,对虚拟人物的进一步研究方向提出了展望。     

飞机复杂机构虚拟培训场景运动建模方法

针对含有飞机复杂机构的虚拟培训场景建模过程复杂、生成的场景帧率低、交互性差等问题,提出一种虚拟场景建模方法。首先,对原动件在其运动范围内进行运动状态采样;然后利用机构仿真平台进行运动学建模与解算,获取所有零件的运动状态作为机构的运动状态库,并对运动状态库进行压缩;最后,在虚拟现实引擎中将库文件与经过材质编辑的网格模型融合,采用索引、插值替代实时解算,以获取零件的位置姿态数据,生成虚拟场景。使用起落架收放机构与后缘襟翼收放机构进行实验,结果表明,该方法可以实现真实感强、交互性好的飞机复杂机构虚拟培训场景运动建模。     

断路器柔性装配车间数字孪生系统设计

为优化断路器装配车间的产线结构和作业方法,结合数字孪生技术,提出一种基于多机器人运动控制的断路器柔性自动化车间装配方案。面向自动化装配单元,结合工业机器人的柔性装配工艺及方法,对实体装配车间进行全物理属性的数字化建模,同时建立多机器人的运动学控制模型,将机器人的三维运动模型应用于虚拟孪生场景。通过数据的交互传递,实现物理单元与虚拟单元的实时链接,将车间机器人的运动轨迹、装配状态、作业运送流程等数据信息进行实时显示,从而实现断路器柔性装配数字孪生系统的搭建与同步映射。实验结果证明,所提方案对实现断路器柔性装配有显著效果。     

虚拟人运动建模中的逆向运动学方法研究

针对当前虚拟人运动建模中缺少环境约束这一问题,文中提出了一种基于环境约束的逆向运动学求解方法。主要研究了在环境约束下,如何运用逆向运动学方法使人体的步行运动更加真实直观。首先提出了人体的层次结构模型和关节模型,其次对CCD算法的实现方法进行分析,最后结合CCD算法提出一种在环境约束下调整人体步行运动的方法。解决了运动捕捉方法中动作单一的问题,使虚拟人能够根据环境信息调整现有的动作,最终能够使虚拟人在平坦地面的运动和上下台阶运动都更加灵活真实。     

基于惯性动作捕捉的人体运动姿态模拟

针对人体运动姿态编辑的自由性,提出一种人体运动姿态模拟方法。该方法采用贝塞尔曲线和数值数据编辑人体运动姿态。根据人体运动的特点,在VC++中运用OpenGL构建虚拟人体模型,利用动作捕捉技术设计人体运动姿态的模拟程序。结合人体关节正常活动范围,对主要关节点的运动姿态进行分析,结果表明,该方法能有效利用人体运动数据,驱动虚拟人体模型。