（计算机应用技术专业论文）面向服装展示的虚拟人步态模型研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t av i r t u a lh u m a ni sad i g i t a lr e p r e s e n t a t i o no fv a r i o u sc h a r a c t e r i s t i c s ( i n c l u d i n g ： g e o m e t r y ，b e h a v i o r ，p e r c e p t i o n ，e m o t i o n ，p s y c h o l o g y a n de t c ) o ft h er e a lh u m a n b e i n g si nt h ev i r t u a lw o r l d i tp r e s e n t st h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h er e a lh u m a ni n t od i g i t a l r e a p p e a r a n c ei nah i g h l yp r e c i s em a n n e r t h em o s t l yt r i v i a lb e h a v i o ro fh u m a nb e i n g i sw a i k i n g ，s or e s e a r c ho nu n i v e r s a ig a i tm o t i o nm o d e li so r d e r e ds h a r p l y ，e s p e c i a l l y i nt h ef o r e l a n dr e s e a r c hf i e l do fv i r t u a lc u s t o m sd e s i g na n de x h i b i t i o n s p e c i f i c a l l y ，w em a k e u s eo f i n v e s t i g a t i o n so nb o t hf i e l d so f b i o m e c h a n i c sa n d r o b o t i c st or e s e a r c ho n g a i tm o d e l o fv i r t u a lh u m a nf o rc o s t u m ee x h i b i t i o n i na l l ，w e m a k et h ef o l l o w i n gc o n t r i b u t i o n s ： 1 t oe s t a b l i s hm o t i o nr e p r e s e n t a t i o nm e t h o db a s e do ns a g i t t a le l e v a t i o na n g l e ， 2 7 f om a ps a g i u a le l e v a t i o na n g l et oj o i n ta n g l e ； 3t o p a r a m e t e r i z e t h e g a i t ，a n d a s s o c i a t et h e h i g h - l e v e l c o n t r o l l e ra n d l o w - l e v e lg e n e r a t o r o u rs y s t e mm a k e sg r e a t e f f o r t st o a c c o m p l i s h t h e s e g o a l sb yi n t e g r a t i n g p r o c e d u r a l a n i m a t i o nm e t h o dw i t hd a t a d r i v e nm e t h o d b yc o n t r o l l i n gs o m eg a i t p a r a m e t e r so o rs y s t e m w i l la c h i e v e sg a i tm o t i o n sw i t hd i s p a r a t es t y l e a f t e ri n t r o d u c i n gs o m eb a c k g r o u n d sa n dt h es t a t e o fa r to fg a i tm o t i o n ，w e i n t r o d u c em o t i o nr e p r e s e n t a t i o nm e t h o do fg a i tb a s e do ns a g i t t a le l e v a t i o na n g l ei n c h a p t e r2 t h ec h a r a c t e r i s t i c so fb i o m e c h a n i c s i nt h ec y c l o g r a mi n d i c a t et h a tt h i s s a g i t t a l e l e v a t i o na n g l em a t c h e st h er e q u i r e m e n to fg a i tm o t i o nm o d e lo fv i r t u a l h u m a n c h a p t e r3i n t r o d u c e st h em e t h o d t oa c h i e v et h eg a i td a t a s e t ，a n dm a ps a g i t t a l e l e v a t i o na n g l et oj o i n ta n g l ec h a p t e r4c l a s s i f i e st h eg a i tp a r a m e t e r si n t oh i g hl e v e l c o n t r o u i n gp a r a m e t e r a n dl o wl e v e l g e n e r a t i n gp a r a m e t e r , a n d e l a b o r a t e st h e m c h a p t e r5s h o w s o l l re f f o r ta b o u tv i r t u a lc o s t u m ee x h i b i t i o na tn e a r l yt w oy e a r sa n d d u tac o n s t r u c tf o r w a r da sk e ym o d u l e i nn e x tv e r s i o n f i n a l l y ，w ec o n c l u d et h i st h e s i s a n dd i s c u s ss o m ed i r e c t i o n sf o rf u t u r ew o r k k e y w o r d s ：g a i tm o t i o n ，s a g i t t a le l e v a t i o na n g l e ，j o i n ta n g l e ，g a i t p a r a m e t e r , g a i t c y c l o g r a m ，i n v e r s em o t i o n i n t e r p o l a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得堑、江盘堂或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 象；状 签字目期：3 口口歹年与月”目 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝江盘堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授丰义盘至三盘生可以将学位论文的全部或部分内容编入有天数据库 迸行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 1 ，) 0 学位论文作者签名：象；武 导师签名：妫慰 、。 签字日期：如p 年；月f 口曰签字日期：w 阵月 。1 9 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址：n j 。五与观娃洲t 撮吨碲朗 电话：【 7 1 i - 1 邮编：孑目 坚查兰堡主兰垡堡苎 第一章绪论 1 1 引言 艺术与设计的本质是对人类自身特性的反思和再创作 1 2 。随着人类需求 的提高和细化，艺术与设计的研究内容与服务对象正在发生深刻变化，其内涵与 外延也不断得到扩充和发展，但在艺术与设计中，人永远居于主导的地位，是其 中的核一t l , 要素：同时，随着以数字科技为代表的信息技术与服务平台的发展，“数 字化艺术与设计”开始成为一门新兴的边缘与交叉学科，引起了国内外专家学者 的关注 a 。跟艺术与设计的本质相适应，数字化艺术与设计也要求在虚拟环境 中对人类特性进行仿真。闻此，在艺术、设计和计算机科学的交叉领域迅速产生 出虚拟人技术的研究新热点，并成为数字化艺术与设计新学科的重要支撑方向之 在虚拟空川中，对人类特性的仿真可以是多视点的。对人类几何( 解剖) 、 物理、生理等特性的关注，构成了医学及其相关领域数字人( d i g it a l h u m a n ) 学科的研究重点。数字人研究的目标是实现人体从分子到细胞、组织、器官系统 和整体的精确模拟。其研究成果可以为艺术与设计领域的虚拟人研究提供准确的 体数据信息、运动信息和生物生理信息 4 。 同样着眼于人类特性的数字化再现，面向艺术与设计的虚拟人技术研究的侧 重点在于人类的几何、行为、感知、情感和社会特性。需要满足以下要求 5 8 ： 1 按照人的骨架系统建模，并且可以结合具体应用进行自由度的增删； 2 具有合理可信的人体尺、r 和外观： 3 具有台理可信的姿态、动作和行为特性； 4 可以感知并影响其他虚拟人以及虚拟环境，其感知可通过听觉、触觉、 视觉等多种方式实现； 5 可以实时的按照人的行为特性与其他虚拟人或者三维虚拟环境发生交 互，交互的媒介可以是肢体动作、文本或者自然语言。 在艺术与设计的宏观范畴中，服装设计与展示是一个主要的利用领域 3 。 同时，运动和行为是人类的基本特性，而步行则是一种最基本的运动。本论文的 坚查兰堡主兰垡堡苎 第一章绪论 1 1 引言 艺术与设计的本质是对人类自身特性的反思和再创作 1 2 。随着人类需求 的提高和细化，艺术与设计的研究内容与服务对象正在发生深刻变化，其内涵与 外延也不断得到扩充和发展，但在艺术与设计中，人永远居于主导的地位，是其 中的核一t l , 要素：同时，随着以数字科技为代表的信息技术与服务平台的发展，“数 字化艺术与设计”开始成为一门新兴的边缘与交叉学科，引起了国内外专家学者 的关注 a 。跟艺术与设计的本质相适应，数字化艺术与设计也要求在虚拟环境 中对人类特性进行仿真。闻此，在艺术、设计和计算机科学的交叉领域迅速产生 出虚拟人技术的研究新热点，并成为数字化艺术与设计新学科的重要支撑方向之 在虚拟空川中，对人类特性的仿真可以是多视点的。对人类几何( 解剖) 、 物理、生理等特性的关注，构成了医学及其相关领域数字人( d i g it a l h u m a n ) 学科的研究重点。数字人研究的目标是实现人体从分子到细胞、组织、器官系统 和整体的精确模拟。其研究成果可以为艺术与设计领域的虚拟人研究提供准确的 体数据信息、运动信息和生物生理信息 4 。 同样着眼于人类特性的数字化再现，面向艺术与设计的虚拟人技术研究的侧 重点在于人类的几何、行为、感知、情感和社会特性。需要满足以下要求 5 8 ： 1 按照人的骨架系统建模，并且可以结合具体应用进行自由度的增删； 2 具有合理可信的人体尺、r 和外观： 3 具有台理可信的姿态、动作和行为特性； 4 可以感知并影响其他虚拟人以及虚拟环境，其感知可通过听觉、触觉、 视觉等多种方式实现； 5 可以实时的按照人的行为特性与其他虚拟人或者三维虚拟环境发生交 互，交互的媒介可以是肢体动作、文本或者自然语言。 在艺术与设计的宏观范畴中，服装设计与展示是一个主要的利用领域 3 。 同时，运动和行为是人类的基本特性，而步行则是一种最基本的运动。本论文的 一塑堡盔兰堡主兰垡丝塞 研究面向服装展示领域，尝试建立服务于大众的个性化虚拟人的步态模型，综合 过程动画和数据驱动方法两种方法的优点，通过步态参数控制生成不同风格的步 态。 1 2 虚拟服装展示 日前，国外的虚拟服装展示和销售网站已开始涌现，一方面利用网络进行在 线设计，顾客与设计师共同设计，利用人体三维服装模型进行二维服装片的设计， 并把服装衣片缝合后穿戴在三维人体模型上 9 1 0 。通过观察三维服装的运动 模拟和仿真效果，设计师便可以直观地考察其服装设计和布料、图案选择的整体 效果。同时顾客看到虚拟模特穿着效果以及行走时候的动态仿真结果，能实时和 直观地评价服装的设计和艺术效果，在设计师和顾客双方协作设计满意后立即展 开销售。另一方面，消费者只要通过网站上传自己身材的必要数据，如身高，胸 围，腰围，臀围，年龄，所选服装的类型等等信息输入网站，网站根据人体体型 分类方法进行计算，计算出顾客的形体特征后对其所选款式进行虚拟试穿，顾客 就能在自己的终端看到服装穿着动态效果，于是可以任意选择最适合，最满意的 服装。 在服装表演中，模特的体型一般都是生活中有代表性的漂亮的人体体型，身 体修长、四肢和形体匀称、三围比例协调、体形曲线优美，比生活中的一般人更 加符合美学的视觉标准。但是，顾客在购买服装舶时候考虑的肯定是本人的体形 特征与服装的匹配关系，服装表演中的模特步态是不能应用于顾客定制的服装销 售情形的。 目前，三维服装试衣系统 9 ( 3 da p p a r e f jt t i n gs y s t e m ) 随着计算机技 术的发展和网络技术的应用普及，开始得到迅速发展。不仅应用于零售店服装的 推销，而且应用于网络上的“电脑试衣”服务项目，通过数字化技术实现崭新的 营销策略。但是，计算机模拟的服装试衣过程距离真人试衣有很大差距。主要有 两方面的原有：第一，三维服装柔性实体的模拟仍然是一大技术难题；第二，虚 拟人的个性化步态展示研究尚有欠缺。在学术届，虚拟服装展示技术的研究已经 成为一大热点，其技术核心思想就是应用计算机技术对服装和人体运动进行仿 真，动态的模拟着装效果。这是服装设计师及计算机技术和动画技术最理想的结 一塑堡盔兰堡主兰垡丝塞 研究面向服装展示领域，尝试建立服务于大众的个性化虚拟人的步态模型，综合 过程动画和数据驱动方法两种方法的优点，通过步态参数控制生成不同风格的步 态。 1 2 虚拟服装展示 日前，国外的虚拟服装展示和销售网站已开始涌现，一方面利用网络进行在 线设计，顾客与设计师共同设计，利用人体三维服装模型进行二维服装片的设计， 并把服装衣片缝合后穿戴在三维人体模型上 9 1 0 。通过观察三维服装的运动 模拟和仿真效果，设计师便可以直观地考察其服装设计和布料、图案选择的整体 效果。同时顾客看到虚拟模特穿着效果以及行走时候的动态仿真结果，能实时和 直观地评价服装的设计和艺术效果，在设计师和顾客双方协作设计满意后立即展 开销售。另一方面，消费者只要通过网站上传自己身材的必要数据，如身高，胸 围，腰围，臀围，年龄，所选服装的类型等等信息输入网站，网站根据人体体型 分类方法进行计算，计算出顾客的形体特征后对其所选款式进行虚拟试穿，顾客 就能在自己的终端看到服装穿着动态效果，于是可以任意选择最适合，最满意的 服装。 在服装表演中，模特的体型一般都是生活中有代表性的漂亮的人体体型，身 体修长、四肢和形体匀称、三围比例协调、体形曲线优美，比生活中的一般人更 加符合美学的视觉标准。但是，顾客在购买服装舶时候考虑的肯定是本人的体形 特征与服装的匹配关系，服装表演中的模特步态是不能应用于顾客定制的服装销 售情形的。 目前，三维服装试衣系统 9 ( 3 da p p a r e f jt t i n gs y s t e m ) 随着计算机技 术的发展和网络技术的应用普及，开始得到迅速发展。不仅应用于零售店服装的 推销，而且应用于网络上的“电脑试衣”服务项目，通过数字化技术实现崭新的 营销策略。但是，计算机模拟的服装试衣过程距离真人试衣有很大差距。主要有 两方面的原有：第一，三维服装柔性实体的模拟仍然是一大技术难题；第二，虚 拟人的个性化步态展示研究尚有欠缺。在学术届，虚拟服装展示技术的研究已经 成为一大热点，其技术核心思想就是应用计算机技术对服装和人体运动进行仿 真，动态的模拟着装效果。这是服装设计师及计算机技术和动画技术最理想的结 塑笙奎堂堡主兰堡堡兰 合，虚拟服装设计广泛应用于立体时装设计及服装工业，三维电影电视制作，计 算机广告特级制作等领域。 比较典型的系统有：德国o d e r m a r k 男装出口公司利用t e c h m a t h 公司的三维 人体测量系统v i t u s 已开展了全球“量身定制”服务，使全球的消费者均能穿着 适体、个性的c o r p u sl i t i e 品牌男装；美国l e r i 公司、m a d i s o na r e n u e 公司也 分别采用了t c 2 及v i t u s 三维人体测量系统开展了“量身定制”服务。美国m y v i r t u a lm o d e l 公司开发了一种“m yv i r t u a lm o d e l ”。用户只要输入身高、体 重、肤色以及头发的颜色等数据，按用户的体态特征自动生成的虚拟模特就会出 现在屏幕上，“试穿”用户相中的衣物。这个虚拟模特不但可以3 6 0 度旋转，在 细致度上，也非常贴近使用者的身材。但系统中的服装展示是静态的。 日本东洋纺推出的d r e s s i n gs i m 系统，可以建立虚拟模特，进行三维虚拟 模特着装表演，并在三维服装和二维衣片之间实现点点对应的转换。s h o u t 公司 为m a c y sa n de x c i t ew e bp o r t a l 网站制作了栩栩如生如生的3 d 虚拟时装模特 展示，观看者用菜单可以选择：展示的服装，模特的肤色，发型，步型，甚至于 灯光都可以用菜单即刻更换。观看者可以用鼠标变换视角，远近，从各个角度观 看动态展示。而所有的展示文件只有l m 一2m ，不需f 载插件。图像的质量较好， 人物动画的动作流畅自然。这些都是服装设计网络化、虚拟化、服装网上定制服 务的良好开端。但是该系统采用的仍然是数据驱动的方法，针对模特的步行运动， 需要借助运动捕获设备采集数据。而这种基本固化下来的步态不能反应出大众的 个性化来，比如不能反应“老态龙钟”的老年人步态和“夕l - ) k 字”的卓别林式步 态。 通过以上分析，可以发现虚拟模特的三维步态研究是虚拟服装展示的一个前 沿研究领域，需要建立起适应性很强的步态模型以实现针对不同人群的步态。在 国外，瑞士日内瓦大学的m i r a 实验室是最早进行相关研究的科研团体。他们开 发的仿真系统一一v l n e t ，是一个世界领先水平的网络型虚拟服装设计系统。 v l n e t 系统在计算机中建立了一个以视觉为主导并结合听觉与触觉等令人们具 有真实生活体验的、非常可信的虚拟现实，这个虚拟现实可以抓住设计师的投入、 交互、构想的思维而进入实时的、创造性的思维设计，并通过虚拟人体运动展示 服装着装后的动态效果。 浙江大学硕士学位论文 1 3 虚拟人运动控制技术研究 行走是一种特殊的运动，探讨虚拟人的运动控制技术对虚拟人步态模型的研 究有直接的指导意义。虚拟人需要有逼真的运动和行为特性，虚拟人的运动控制 技术则是关于这两种人类特性的数字化荐现的研究。其目的是实现逼真的虚拟人 运动或人体动画。人体运动可以从多角度来解释，因此运动控制的研究手段琏l 町 以多样化：运动是一种信息载体，可以 用有信号处理的方法 1 1 ；运动是物理 的，可以有基于物理的方法，如 z p o p o v i c 和a w i t k i n 的研究 1 2 ；运 动是曲线，可以有计算机图形学的解决 方案，如文献 1 3 1 4 ；运动也是一种 模式，可以有模式识别的方法，如文献 1 5 。但从运动控制的复杂程度看，其 研究内容可以从三个层次展开，如图 1 1 3 ，6 3 所示。 底层方法( 1 0 wl e v e l ) 在控制虚拟 人运动时，直接指定虚拟人运动参数， 如关节角度值或每个关节的位置。常用 方法有 1 6 ：( 1 ) 关键帧方法 ( k e y f r a m e ) 。这是由过去的关键帧动画 技术演化而来的。给定人体运动过程中 逗动路fe 运动fi 运动ff 行为 径编辑il 情感ll 风格il 竺兰 高层运动控制方法 刁e 单个运动： 运动偏穆映射咎个莲动：f 运动重定向运动插值i 运动变形运动连接1 运动f 滑运动灌台f 运动编辑与台成技术 堆 逆j 于 过运动 键物 程动捕 帧坪 方学获 的 法方方 法b 沾法 法 底层运动控制疗法 图1 1 运动控制技术的研究层次 的一些关键姿态( 关键帧) 后，该方法通过插补算法得到若干中间姿态( 中间帧) ， 从而生成人体运动。这种方法简单直观，得到动画师的广泛应用，但人体有近百 个自由度，手工给出每个关键姿态下的每个自由度是非常困难的，且其物理逼真 性也难以验证。( 2 ) 基于物理的方法( p h y s i c a l y b a s e d ) 。基于物理的方法 1 2 利用动力学、生物力学等物理定律产生运动。根据人体各关节所受的力与力矩， 计算出人体各关节的加速度、速度，最后确定人体运动过程中各姿态，因此所生 成的运动符合物理规律，具有物理逼真性。但该方法要求运动控制人员确定人体 各关节所受的力与力矩，通常比较困难。( 3 ) 逆运动学方法( i n v e r s e k i n e m a t i c ) 。该方法 1 7 源于机器人学中关于链杆运动的处理，它在给定链杆 术端的位置与方向时，计算出关节链结构的状态矢量，进而得到各关节的空阳j 位 置。这种方法的计算量比较大，而且，所生成运动的逼真性仍然依赖于人的手工 操作，难以验证。( 4 ) 过程方法( p r o c e d u r a l ) 。对于一些周期性的人体标准运 动，如行走、跑步，可以根据实验数据，建立相应的经验公式，以此生成虚拟人 体运动 1 8 j 。这种方法具有很好的逼真性，而且易于交互控制，解决一些特殊类 型的运动是十分有效的。但是角色动画运动缺乏表情或个性，其适用范围有限。 ( 5 ) 运动捕获方法( m o t i o nc a p t u r e ) 1 9 。通过专门的传感器( 电磁、光学、 机械) 记录真实的人体运动数据，并将其映射到虚拟人体上。这是目前商业产品 中常用的运动生成技术，可以很容易的获得人体的运动数据。这罩的最后两种方 法是本文将要借鉴的方法。 应用底层方法，可以生成大量逼真的运动片段( c l i p s 或者s e g m e n t s ) ，但 人体运动相当复杂，运动的方式也干变万化。为了在已有运动的基础上，生成更 为复杂逼真的虚拟人运动，常常需要对已有的运动进行运动编辑和合成 2 0 ，根 据所涉及的运动的数目不同可将运动编辑与合成技术分成两大类：( 1 ) 单个运动 内的编辑操作。运动偏移映射( d i s p l a c e m e n tm a p p i n g ) 在保留原始运动的细节 以及整个运动的连续性前提下，调整某些帧的人体姿态以生成新的运动：运动重 定向( r e t a r g e t i n g ) 将一个角色的运动定向到另一个有着不同的层次结构和几 何尺寸的角色上；运动变形( w a r p i n g ) 改造已有的运动数据，使运动满足一系 列约束；运动平滑( s m o o t h i n g ) 使二维或者三维的运动数据变得更真实流畅； 运动的循环操作( c i r c u l a t i n g ) 将已有的运动规范化，生成可以循环变化的新 运动，如行走，跑步等；运动的再参数化( r e p a r a m e t r i z i n g ) 在时间和空间上 对运动参数进行调整以产生新的运动；运动修剪( c l i p p i n g ) 从一段已有的运动 中提取某一段运动从而生成一个新的运动片段；运动选择( s e l e c t i n g ) 将一个 已有运动的某些关节运动关闭，保留另外一些关节的变化；运动镜像( m i r r o r i n g ) 变换一个已有运动的左右方向等。( 2 ) 多个运动之间的编辑操作：运动插值 ( i n t e r p 0 1 a t i n g ) 将两段运动中整个身体的运动根据不同的加权系数通过插值 形成新的运动。比如有一段“行走”运动和一段“跑步”运动，选用不同的加权 系数进行运动插值可形成诸如“快走”，“慢跑”等新运动；运动连接( t r a n s i t i n g ) 浙江大学硕士学位论文 将两段运动连接起来，如果参加连接的两段运动相同，那么连接操作就变成了运 动的循环操作。运动连接所要解决的个核心问题是运动之间的平滑过渡，做到 无缝连接：运动混合( b l e n d i n g ) 将身体某部分的运动替换成另一段运动中的对 应部分。 高层方法( h i g hl e v e l ) 则是立足于艺术与设计领域的具体应用，在底层方 法和运动编辑与合成技术的基础上，生成更为复杂的虚拟人运动，可以有以下控 制技术：( 1 ) 运动路径编辑规划。对给定运动的路径进行编辑，而运动特性( 动 作序列、速度等) 保持基本不变，或者任意给定虚拟人行走的速度和方向。( 2 ) 运动风格的改变。比如，可以将普通人的行走步态修改为模特几的行走步态。( 3 ) 运动情感的赋予。例如，m l i n u m a 等人 2 1 通过对运动数据进行f o u r i e r 级数 展开和抽取性情参数，提出了用情绪控制运动角色的方法。k a m a y a 2 2 利用信 号处理的方法，基于已知运动实例建立“情感转移式”，进而应用于其他运动中， 产生带有情感的运动。( 4 ) 行为规划。虚拟人可以根据环境的变化而对自己的运 动作适当的智能处理，比如可以从众多运动片断中自动提取出有效运动，然后白 动合成新的运动。 1 4 虚拟人步态研究 1 4 1 步态研究的概念和难点 根据生物力学的定义，步态是指在步行运动过程中，步行体的身体各部位在 时序和空间上的种协调关系，是一个人行走的方式和风格 2 3 2 9 。一个人的 步态是自身结构与功能、运动调节系统、个人行为及心理活动在行走时的外在表 现。虚拟人的步态模型研究中，包含有步态的数据表示方法、步态动画的生成技 术和步态参数控制技术等内容。 人体动画是一个复杂而有趣的技术，无论是在虚拟现实或军队训练以及娱乐 等领域，它都是很有价值。近年来，随着虚拟现实技术的发展，对虚拟人运动姿 态的研究已成为该领域的一个热点，而目前的研究主要集中在对步行运动的研究 上，主要原因如下：步行运动是人类最基础的运动之一，也是虚拟现实环境中 虚拟人最重要的行为之一。人体步行运动相对其 g l g 动较为简单，但它反映了人 浙江大学硕士学位论文 将两段运动连接起来，如果参加连接的两段运动相同，那么连接操作就变成了运 动的循环操作。运动连接所要解决的个核心问题是运动之间的平滑过渡，做到 无缝连接：运动混合( b l e n d i n g ) 将身体某部分的运动替换成另一段运动中的对 应部分。 高层方法( h i g hl e v e l ) 则是立足于艺术与设计领域的具体应用，在底层方 法和运动编辑与合成技术的基础上，生成更为复杂的虚拟人运动，可以有以下控 制技术：( 1 ) 运动路径编辑规划。对给定运动的路径进行编辑，而运动特性( 动 作序列、速度等) 保持基本不变，或者任意给定虚拟人行走的速度和方向。( 2 ) 运动风格的改变。比如，可以将普通人的行走步态修改为模特几的行走步态。( 3 ) 运动情感的赋予。例如，m l i n u m a 等人 2 1 通过对运动数据进行f o u r i e r 级数 展开和抽取性情参数，提出了用情绪控制运动角色的方法。k a m a y a 2 2 利用信 号处理的方法，基于已知运动实例建立“情感转移式”，进而应用于其他运动中， 产生带有情感的运动。( 4 ) 行为规划。虚拟人可以根据环境的变化而对自己的运 动作适当的智能处理，比如可以从众多运动片断中自动提取出有效运动，然后白 动合成新的运动。 1 4 虚拟人步态研究 1 4 1 步态研究的概念和难点 根据生物力学的定义，步态是指在步行运动过程中，步行体的身体各部位在 时序和空间上的种协调关系，是一个人行走的方式和风格 2 3 2 9 。一个人的 步态是自身结构与功能、运动调节系统、个人行为及心理活动在行走时的外在表 现。虚拟人的步态模型研究中，包含有步态的数据表示方法、步态动画的生成技 术和步态参数控制技术等内容。 人体动画是一个复杂而有趣的技术，无论是在虚拟现实或军队训练以及娱乐 等领域，它都是很有价值。近年来，随着虚拟现实技术的发展，对虚拟人运动姿 态的研究已成为该领域的一个热点，而目前的研究主要集中在对步行运动的研究 上，主要原因如下：步行运动是人类最基础的运动之一，也是虚拟现实环境中 虚拟人最重要的行为之一。人体步行运动相对其 g l g 动较为简单，但它反映了人 浙江大学硕士学位论文 将两段运动连接起来，如果参加连接的两段运动相同，那么连接操作就变成了运 动的循环操作。运动连接所要解决的个核心问题是运动之间的平滑过渡，做到 无缝连接：运动混合( b l e n d i n g ) 将身体某部分的运动替换成另一段运动中的对 应部分。 高层方法( h i g hl e v e l ) 则是立足于艺术与设计领域的具体应用，在底层方 法和运动编辑与合成技术的基础上，生成更为复杂的虚拟人运动，可以有以下控 制技术：( 1 ) 运动路径编辑规划。对给定运动的路径进行编辑，而运动特性( 动 作序列、速度等) 保持基本不变，或者任意给定虚拟人行走的速度和方向。( 2 ) 运动风格的改变。比如，可以将普通人的行走步态修改为模特几的行走步态。( 3 ) 运动情感的赋予。例如，m l i n u m a 等人 2 1 通过对运动数据进行f o u r i e r 级数 展开和抽取性情参数，提出了用情绪控制运动角色的方法。k a m a y a 2 2 利用信 号处理的方法，基于已知运动实例建立“情感转移式”，进而应用于其他运动中， 产生带有情感的运动。( 4 ) 行为规划。虚拟人可以根据环境的变化而对自己的运 动作适当的智能处理，比如可以从众多运动片断中自动提取出有效运动，然后白 动合成新的运动。 1 4 虚拟人步态研究 1 4 1 步态研究的概念和难点 根据生物力学的定义，步态是指在步行运动过程中，步行体的身体各部位在 时序和空间上的种协调关系，是一个人行走的方式和风格 2 3 2 9 。一个人的 步态是自身结构与功能、运动调节系统、个人行为及心理活动在行走时的外在表 现。虚拟人的步态模型研究中，包含有步态的数据表示方法、步态动画的生成技 术和步态参数控制技术等内容。 人体动画是一个复杂而有趣的技术，无论是在虚拟现实或军队训练以及娱乐 等领域，它都是很有价值。近年来，随着虚拟现实技术的发展，对虚拟人运动姿 态的研究已成为该领域的一个热点，而目前的研究主要集中在对步行运动的研究 上，主要原因如下：步行运动是人类最基础的运动之一，也是虚拟现实环境中 虚拟人最重要的行为之一。人体步行运动相对其 g l g 动较为简单，但它反映了人 塑至查兰堡主兰垡堡塞 体运动的一般性规律与特征；步行运动包含着丰富的信息。步行运动看似简单， 实质却相当复杂，其中蕴涵着不同的年龄、不同的性别、不同的人种、不同的文 化背景、不同的性格甚至不同的情绪和不同的风格等。人走路的姿态可反映出人 的个性，由此可根据观察到的步行姿态来识别熟人，尽管此时未必能看清对方的 面孔：生物运动学和机器人学己对步行运动做了大量研究，并有相当丰富的实 验资料可供参考。虚拟人步态研究的主要方法也可应用于对其它较复杂人体运动 的研究，但其它运动形式目前还缺乏实验资料，致使这类研究工作开展起来非常 困难 2 9 。 步态动画是人体动画的一个子集，一般而言，有效的步态动画系统必须满足 以下需求 2 6 ： l _ 能够实现任意路径的行走运动，其中包括直线路径和曲线蹄径： 2 能够在任意虚拟环境实现行走运动，其中包括平坦的地面和凹凸不平的 地面： 3 能够针对不同体型的人体，产生不同风格的步行运动。这其中的风格问 题包括情感、人群和种族等特征。 虚拟人步态研究的表现成果就是得到这么一个人体步行动画系统，而一个成 功的人体步行动画系统应该能够实现在不同地形上的直线、曲线行走，还应该能 够在生成的行走运动中体现出各类人物，如男性、女性、成年人或老年人的个性 等 2 6 。很显然，满足上述要求的步态生成和参数控制技术的研究却足一个非常 复杂的问题。关键帧动画是目前在影视和娱乐业中生成运动最普遍的一种方法， 而如果一个动画师针对某一个角色创建了一个行走周期的动画，那么这个行走动 画应用到另一具有不同骨架结构和骨架尺寸的人体上就成为一个很大的问题。如 果不加处理，这样可能会产生脚穿过地面或脚步在地面上滑动的效果甚至别的一 些视觉上不真实的情形。 产生人体行走动画是一个非常复杂的课题。首先，人体一共有2 6 7 个自由度 3 1 ，一个自由度表示人体某一部分的物理状态，比如位移或旋转。其二，运动 的每个瞬间各个自由度都与其它自由度相关联，比如要改变脚的位置就同时要求 改变小腿的位置。其三，人的运动具有多样化，同样是行走，有人跛行也有人是 大摇大摆的走，这些多样化反应了人们在生理、心理、个性及文化等特性a 其四， 塑坚查兰堡兰兰堡垒苎 人体动画的很小偏差都容易在视觉上表现出来。 国内外学者己经研究出了多种生成人体步行运动的动画系统，但其中大部分 实现的步行运动还不能反映人物的个性。这是因为人体步行运动涉及到大量的自 由度，对运动的确定比较复杂，因此如何从运动中提取反映人物个性的参数( 即 步行姿态特征参数) 是首先需要解决的重要问题。 1 4 2 步态研究的技术现状 关。r 步态研究有许多相关工作要做，对于这些工作的合理评价可以参考 3 2 。目前，号注于虚拟人步态研究的成果较少，通常有两种方法：基于生理 物理学的方法或运动学方法。 利用基于生理学的方法米模拟步行以及其他形式的运动具有个显而易见 的优点，那就是任何生成步行方案都是现实的，重力、肌肉力矩以及各种表面反 作用力都麓考虑到 3 2 。然而，通过进一步观察可见，这种方法并不完美。由于 涉及到过多的控制变量以及非线性寻优过程，这种解决方案是相当花费计算并且 对于实时动画来说目前还是不可行的。同时，心理因素、文化背景也能影响到人 的行走，这在基于生理物理学的方法中是无法解决的。 运动学的方法不能保证人体运动在物理上的真实性，但是它得到了非常成功 的应用。这很大程度上要归功于动画制作者的天赋以及越来越成熟的技术，h 前 捕获运动数据和利用这些数据驱动动画已经越来越容易。利用运动学原理来产生 步行运动 2 4 ，3 3 3 5 这一问题归结于如何从运动学数据中归纳出不同的状态和 不同的环境：行走的风格，路径和地形。如果能够计算出人体行走时每一时刻骨 盆及两脚的空间方位，那么使用逆向运动学技术就可生成虚拟入的步态动画。 z e l t e r 3 6 、g i r a r d 和m a c i e j e w s k i 3 7 相继推出了基于逆向运动学方法的 有足动物行走模型。这些模型的突出优点是，动画设计者无需给出各关节的运动 细节，而代之阱运动方向和行走速度等简单的运动参数。b r u d e r l i n 和 c a l v e r t 3 8 根据逆向运动学通过一个能计算普通行走方式的动态模型来实现摆 动的踝关节沿着某个固定的轨道移动。他们的系统同时允许用户与高层的参数交 互。但是他们的模型对于一些普遍的问题不适用，如凹凸地形上的曲线运动。k o 和b a d l e r 3 9 ，4 0 通过一种解析的方法来归纳步态数据，通过不同的步长以及 塑坚查兰堡兰兰堡垒苎 人体动画的很小偏差都容易在视觉上表现出来。 国内外学者己经研究出了多种生成人体步行运动的动画系统，但其中大部分 实现的步行运动还不能反映人物的个性。这是因为人体步行运动涉及到大量的自 由度，对运动的确定比较复杂，因此如何从运动中提取反映人物个性的参数( 即 步行姿态特征参数) 是首先需要解决的重要问题。 1 4 2 步态研究的技术现状 关。r 步态研究有许多相关工作要做，对于这些工作的合理评价可以参考 3 2 。目前，号注于虚拟人步态研究的成果较少，通常有两种方法：基于生理 物理学的方法或运动学方法。 利用基于生理学的方法米模拟步行以及其他形式的运动具有个显而易见 的优点，那就是任何生成步行方案都是现实的，重力、肌肉力矩以及各种表面反 作用力都麓考虑到 3 2 。然而，通过进一步观察可见，这种方法并不完美。由于 涉及到过多的控制变量以及非线性寻优过程，这种解决方案是相当花费计算并且 对于实时动画来说目前还是不可行的。同时，心理因素、文化背景也能影响到人 的行走，这在基于生理物理学的方法中是无法解决的。 运动学的方法不能保证人体运动在物理上的真实性，但是它得到了非常成功 的应用。这很大程度上要归功于动画制作者的天赋以及越来越成熟的技术，h 前 捕获运动数据和利用这些数据驱动动画已经越来越容易。利用运动学原理来产生 步行运动 2 4 ，3 3 3 5 这一问题归结于如何从运动学数据中归纳出不同的状态和 不同的环境：行走的风格，路径和地形。如果能够计算出人体行走时每一时刻骨 盆及两脚的空间方位，那么使用逆向运动学技术就可生成虚拟入的步态动画。 z e l t e r 3 6 、g i r a r d 和m a c i e j e w s k i 3 7 相继推出了基于逆向运动学方法的 有足动物行走模型。这些模型的突出优点是，动画设计者无需给出各关节的运动 细节，而代之阱运动方向和行走速度等简单的运动参数。b r u d e r l i n 和 c a l v e r t 3 8 根据逆向运动学通过一个能计算普通行走方式的动态模型来实现摆 动的踝关节沿着某个固定的轨道移动。他们的系统同时允许用户与高层的参数交 互。但是他们的模型对于一些普遍的问题不适用，如凹凸地形上的曲线运动。k o 和b a d l e r 3 9 ，4 0 通过一种解析的方法来归纳步态数据，通过不同的步长以及 浙江大学硕士学位论文 逆运动学后处理过程来证明该运动是可行的。他们的系统允许曲线运动但不支持 在凹凸地形上的运动。 这些系统大都利用生物力学知识来产生步态运动，例如在每个行走周期那足 部和骨盆的运动。也有人提出利用更多的步念数据来弥补生物力学知识的不足。 w i l e y 和i t a h n 4 1 通过对一个单一的参数坡度进行线性插值来生成在一个 斜坡表面的行走。这项工作解决了反向插值的问题，但是在插值参数和斜坡参数 之间假设了一个线性关系。考虑到虚拟人的步态研究是虚拟人运动控制研究的 个子集，如表1 1 ，文献 3 2 对几种常用的步态生成方法做了一个比较： 表1 1 儿种常用步态生成方法的比较 黾遨优点缺点应用领域 过程动画计算复杂度较低欠缺物理真实，没有动力学约束虚拟现实( 无碰撞) 、 游戏、行为动画 运动学方法能产生几何和视欠缺物理真实，没有动力学约束虚拟现实、艺术、游 觉e 真实的运动戏、行为动画 动力学方法能产生物理上真难以建立标准化的模型，模拟过虚拟现实、艺术 实的运动程难以控制需要动力学知识背景 时空约束方能产生物理上真计算复杂而且模拟过程难以控制行为动画 法实的运动 基r 捕获数计算代价小，几何数据集过r 庞人，需要大量的人 虚拟现实、艺术、游 i 据的方法和视觉上真实 机交互戏、行为动画 1 5 论文主要内容和组织框架 综上所述，虚拟人步态研究在虚拟人运动控制的研究中具有基础的地位，同 时也是虚拟服装动态展示技术研究中的重点内容。本文借鉴生物力学的研究成 果，尝试利用矢状面仰角的概念来建立虚拟人的步态模型。本论文首先对虚拟人 步态研究中涉及到的一些概念加以阐述，并分析其运动表示方法，为后继工作的 开展打下基础；接着基于运动数据集建立起矢状面仰角和关节角的映射机制；然 后讨论了步态参数的特性以及控制方法；最后介绍了本文作者在两年来关于服装 展示所作的努力。 后续各个章节的具体安排如下： 第二章步念的运动表示。基于生物力学的研究成果，建立起基于矢状面仰 浙江大学硕士学位论文 逆运动学后处理过程来证明该运动是可行的。他们的系统允许曲线运动但不支持 在凹凸地形上的运动。 这些系统大都利用生物力学知识来产生步态运动，例如在每个行走周期那足 部和骨盆的运动。也有人提出利用更多的步念数据来弥补生物力学知识的不足。 w i l e y 和i t a h n 4 1 通过对一个单一的参数坡度进行线性插值来生成在一个 斜坡表面的行走。这项工作解决了反向插值的问题，但是在插值参数和斜坡参数 之间假设了一个