（计算机软件与理论专业论文）3d游戏中人物动作技术研究与实现.pdf

哈尔滨工程人学硕十学何论文 摘要 随着计算机图形学、虚拟现实、等相关学科的发展，促进游戏产业的发展。 在游戏中用虚拟人作为参与者的表示，反映了用户在虚拟世界中的活动，提高 了用户在虚拟世界中的沉浸感。虚拟人的行走，跑步等动作和虚拟人是分不 开，这些动作更能反映出虚拟人的真实性，因此虚拟人的几何建模，动作生 成和人机交互等相关技术成为当前研究的热点。 本文提出虚拟人的动作控制技术的总体框架和设计思想，重点研究了虚 拟人的动作实现的各个关键技术。其中主要对虚拟人的建模、虚拟人的动作 生产技术、人机交互进行了深入的研究和探讨，并对虚拟人在虚拟环境中的 碰撞检测技术和路径规划算法进行了研究。本文主要工作如下： 首先，通过对人体骨骼的分析以及对虚拟人的建模方法的研究，利用面 片建模和多边形建模方法解决本系统中虚拟人的建模问题。其次，通过对人 体走路和跑步时的运动模型的分析，对虚拟人的动作生成技术的研究，在关 键帧的方法基础上提出了基于坐标值的关键帧方法。此方法有效解决了动作 不真实的问题。最后，系统的研究了虚拟人在虚拟环境中的路径规划算法和 碰撞检测算法，通过调用d i r e c t 3 d 库函数实现虚拟人在三维场景中的人机交 互控制。即可以通过键盘，鼠标，游戏柄等外部设备控制虚拟人行走和视觉 方向。 关键字：虚拟现实：游戏；建模技术；动作生成 哈尔滨t 程大学硕十学忙论文 a b s t r a c t a c c o m p a n i e dw i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rg r a p h i c s ，v i r t u a lr e a l i t ya s w e l la ss o m er e l a t e df i e l d ，t h ed e v e l o p m e n to fg a m ei n d u s t r yh a si m p r o v e d g r e a t l y av i r t u a lh u m a nw h or e f l e c t st h eu s e r sa c t i v i t yi nav i r t u a lw o r l dw o r k s a sap a r t i c i p a n ti nav h l a le n v i r o 黝t , w h i c he n h a n c e sh i sf e e h n gi ns u c h v i r t u a lw o r l d a c c o r d i n g l y ，t h et e c h n o l o g yo fg e o m e t r ym o d e l i n go fv i r t u a l h u m a n , a c t i o ng e n e r a t i o na n dm a n - m a c h i n ei n t e r a c t i o nb e c o m er e s e a r c h i n gh o t s p o t sc u r r e n t l y i nt h el i g h to ft h eg e n e r a lf r a m e w o r k o fa c t i o nc o n t r o lf o rv i r t u a lh u m a na n d d e s i g nm e t h o d ，t h i st h e s i sf o c u s e s o nt h ek e yt e c h n o l o g i e so fa c t i o nr e a l i t yo f v i r t u a lh u m a n i tm a i n l yd i s c u s s e sm o d e l i n go fv i r t u a lh u m a n ，t h et e c h n o l o g yo f a c t i o nc o n t r o lo fv i r t u a lh u m a na sw e l la sm a n - m a c h i n ei n t e r a c t i o n , a n di ta l s o r e s e a r c h e ss y s t e m a t i c a l l ys i m u l a t i o nt r a i n i n gs y s t e mf o rv i r t u a lh u m a na n dp a t h p l a n n i n ga l g o r i t h mf o rv i r t u a lh u m a ni nav i r t u a la t m o s p h e r e s o ，t h i st h e s i sh a s t h ef o l l o w i n gw o r k s t os t a r t 、析t 1 1 a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i so fh u m a ns k e l e t o na n dt h es t u d yo f m o d e l i n gm e t h o df o rv i r t u a lh u m a n ，w eu s ep a t c hs c h e m e st os o l v et h em o d e l i n g p r o b l e mo fv i r t u a lh u m a n s e c o n d l y f r o mt h ea n a l y s i so fm o t i o nm o d e lw h e n p e o p l er u n n i n ga n dw a l k i n g ，a n df r o mt h es t u d yo fa c t i o ng e n e r a t i o ns y s t e mo f v i r t u a lh u m a n ，w ep r o p o s ek e ym e t h o db a s e do nc o o r d i n a t ev a l u e t h i sm e t h o d e f f e c t i v e l ys o l v e st h ep r o b l e mo fu n r e a la c t i o n f i n a l l y ，w es y s t e m a t i c a l l ys t u d y s i m u l a t i o nt r a i n i n gs y s t e ma n dp a t hp l a n n i n ga l g o r i t h mf o rv i r t u a lh u m a ni ni t s v i r t u a le n v i r o n m e n t w er e a l i z et h em a n m a c h i n ec o n t r o lo fv i r t u a lh u m a ni n t h r e e - d i m e n s i o n a ls c e n ef r o ma d j u s t i n gd i r e c t3 df u n c t i o n t h a tm e a n sw eh a v e t h ec a p a b i l i t yo fu s i n gk e yb o a r d ，m o u s e ，p sg a m ep o r ta n do t h e rp e r i p h e r a l d e v i c e st oc o n t r o lv i r t u a lh u m a n sw a l k i n gd i r e c t i o na n ds i g h t i n gd i r e c t i o n k e y w o r d s ：v i r t u a lr e a l i t y ；g a m e ；m o d e l i n gm e t h o d ；a c t i o ng e n e r a t i o n 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( - 签- 7 ) ：1 五侈 日期：刎年弓月f ；日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 口在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：可名侈 i t l 期：谚凹年3 月j 弓目 导师( 签字) ：名0 等 嘲年；月j ；e t 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 1 1 选题意义与背景 第1 章绪论 虚拟现实技术是- n 直接来自于应用、涉及众多学科的实用技术，它汇 集了计算机图形学、多媒体技术、人工智能、人机交互技术、传感器技术、 高度并行的实时计算技术等多项关键技术，并随着这些技术的突破而迅速发 展起来。自2 0 世纪8 0 年代初期出现以来，一直为科学界和工程界所关注。 随着虚拟现实技术的日趋成熟，人们已经不再满足于构建只有景色、建 筑物等一般视景信息的虚拟环境，迫切需要在虚拟环境中加入有生命的对象。 所以，人在虚拟环境中的建模与动作的研究己经越来越受到人们的重视，逐 渐成为新的研究热点。虚拟人是完全由计算机生成的图形实体，用来模拟现 实世界中真人的行为和动作，是人在计算机生成空间中几何特性与行为特性 的逼真表示。虚拟人作为虚拟环境中的主体，其逼真性直接决定了用户在虚 拟世界的沉浸感。从虚拟人的概念中我们可以看出，虚拟人不仅具有几何特 性，而且具有行为特性。那么对虚拟人进行建模，不仅要建立几何模型，而 且要建立运动模型。 虚拟人物也是游戏的核心。在游戏中可以按照人的意愿来控制虚拟人的 动作，到现在游戏正处于高速的变革期。3 d 动画大量取代2 d 动画成为现代 的主流。动画控制方面也有明显的改变，个体的智能需要结合对环境的认知， 在此基础上还需要通过行为规划、路径规划以及个体运动模型和物理模型， 才能控制角色产生反应动作行为。基于目前简单的关键帧控制或者动作捕捉 数据播放，很难实现复杂行为控制。现在的3 d 游戏中越来越多地加强人工智 能来提高游戏的可玩性。 在3 d 计算机游戏中，把虚拟人作为其中的角色一直是研究者感兴趣的目 标。三维虚拟人物作为一门新兴学科，涉及到计算机动画制作、计算机图形 学、生理学、心理学、生物力学、机械学、机器人学和人工智能等多个研究 领域，虚拟人物的研究是一个具有理论意义及实用价值的基础课题。虚拟人 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 物在虚拟环境中的真实体现不仅增强了人与虚拟环境交互的自然性，而且提 高了虚拟环境的逼真性和沉浸感。 另外，虚拟人技术可以将人们从某些传统领域复杂繁琐的工作方式中解 脱出来。例如，在计算机动画领域，现代的动画师不在像传统的动画那样花 费大量的时间和技巧来建立、调整人物的动作、形态甚至情感表现。减少了 工作量。 1 2 研究现状 随着模拟人体模型应用程序的开发，虚拟人建模与动画技术逐渐成为一 个独立的研究领域，专门研究从更广泛的角度建模逼真的人体外形；研究人 体、人手、人脸和衣物等方面的逼真建模以及逼真动画技术。采用物理、机 械学、机器人等方面的知识模拟的虚拟人模型能够实现各种人体运动，例如 步行、摔倒和抓取物体等动作【1 8 】。逼真虚拟人在商业或娱乐业得到了很大的 发展，例如广告、计算机游戏和电影。一些虚拟形象凭借它们逼真的外形和 运动时的真实感而非常著名。 1 2 i 国外研究现状 近年来，虚拟人技术一直是计算机领域中比较活跃的研究课题，在国外 研究虚拟人运动控制的众多团体中，由蒙特利尔大学m a g n e n a - t a l m a n n 和 t h a l m a n 所带领的研究团队是其中比较著名的一支。这支团队于1 9 8 8 年被分 成了两个分支，一支是由m a g n e n a - t a l m a n n 带领的在日内瓦的m i r a l a b ，另 外一支是由t h a l m a n 带领的在洛桑的l i g 实验室【9 】。m i r a l a b 主要是以研究入 脸的表情动画，手部的变形，以及虚拟人的附属物例如服装、头发等为主。 l i g 实验室则从事人体建模，及变形的研究，人的行走、抓取等动作的研究， 以及运动控制系统，如：运动捕获、人体动画工具的开发、人体平衡控制的 研究、碰撞检测技术和基于网络的虚拟人的研究等。 美国宾夕法尼亚大学人体仿真与建模中心，在b a d l e r 的领导下，在进行 了多种运动生成技术研究的基础上，为n a s a 开发了用于人机工程测试的j a c k 系统，提供了多种运动交互控制手段，如：人体平衡、运动约束、碰撞检测 2 哈尔滨t 稃大学硕士学何论文 以及路径规划和任务级规划i l 引。近期他们提出了用自然语言控制虚拟人运动 的方法一动作参数化表示法。由蒙特利尔大学的t h a l m a n n 夫妇领导的m i r a l a b 和虚拟现实实验室也是从事虚拟人技术研究较早的团队，m a g n e n a t - t h a l m a n n 领导的m i r a l a b 主要研究手部变形、人体附属物和脸部表情动画【1 7 】【1 9 1 。d a n i e l 领导的虚拟现实实验室主要从事各种运动控制方法的研究和动画工具的开 发。麻省理工学院的媒体实验室主要进行交流行为建模的研究，在他们开发 的b o d y c h a t 系统，用户只需输入文字就可以控制自己的化身( a v a t a r ) 生成 各种交流行为和丰富的表情。近期提出了一种为动画角色添加学习能力的途 径。 斯坦福大学的虚拟人交互实验室主要利用经验和行为科学方法研究人与 虚拟环境的交互，包括虚拟人新动作跟踪系统、三维造型技术和人体行为算 法，侧重于研究虚拟交互系统对社会产生的影响及如何更好地应用虚拟交互 系统改善人们的日常生活。 加利福尼亚大学的虚拟环境和行为研究中心主要研究基于图像的三维人 体建模，及虚拟人与社会心理学、空间感知、教育等领域之间的交叉问题。 智能虚拟人的研究集中在原子动作的自动产生，这项技术极大地减轻了 动画设计者的工作量。近几年，f a l o u t s o s 等人提出了通过指定能够完成自 身任务的专家控制器方法，将专家控制器组合成为基于物理的动画虚拟人物 的一般目的的运动系统 4 6 1 。考察这些研究会发现，这些运动学习方法关注于 如何以最小化的开销( 如所消耗的能量等) 来学习运动。在动画人物行为控制 方面也有大量的研究在进行。这些技术取得了很好的效果，但是仍然仅限于 两个方面：其一，这些虚拟人没有学习能力，只能执行预定的显式指定的行 为；其二，他们只能进行行为控制( 反应性的决策制定) 而没有考虑认知控制 ( 推理和完成长期任务的规划) 。 1 2 2 国内研究现状 国内在虚拟人建模与运动控制方面，中科院计算所、哈尔滨工业大学、 浙江大学、北京航空航天大学和西安电子科技大学也都做了大量的理论研究 与实践工作，也取得了较好的研究成果【2 9 】1 1 3 1 。其中，北京航空航天大学的袁 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 修干等研究人机工程仿真中的人体运动的模拟，并提出舒适度优化的虚拟人 体运动控制算法。 在人体建模方面，中国科学院计算机技术研究所c a d 开放实验室的詹永 照等人，给出了以多面体组合建立粗略的人体，用多面体细分割来逼近真实 人体曲面的方法，并在建模中考虑了人体的动态特性，为建立人体动画模型 创造了条件。 哈尔滨工业大学的洪炳熔和贺怀清基于i r i s p e r f o r m e r 编程工具，运用 多重运动控制技术实现了虚拟人的走步和跑步运动，并通过调整虚拟人的运 动特征参量，实现了虚拟人动作的个性化和多样化，在研究实时人体运动控 制，采用关键帧、逆向运动学和动力学等多种技术，并将路径规划算法用于 虚拟人运动控制。 中科院计算所的王兆其等人主要从事虚拟人合成与虚拟人交互方面的研 究，包括三维虚拟人建模技术、人体运动的获取与理解技术以及虚拟人运动 生成与控制技术，并研究这些技术在针对体育训练的数字化人体运动模拟仿 真、自然灾害现象模拟与仿真、多种数字媒体融合、人群运动战术演练与分 析、虚拟环境中智能人体表示与生存、智能人机交互、游戏娱乐等领域中的 应用，并成立了虚拟人合成课题纠1 7 】。同时，他所在的中国科学院计算技术 研究所数字化技术研究室开发了j o i n t m o t i o n 系统，使用一个传感器与一只 数据手套，来确定一只手的肩关节、肘关节、腕关节以及各手指的状态，同 时提供了一个基于v l 孙l l 的虚拟人显示工具【l6 1 。在j o i n t m o t i o n 的基础上， 他们开发了中国聋人授予运动合成系统。 浙江大学的潘志庚教授研究虚拟人行为控制技术，分别对自主行为和群 体行为进行了模拟，基于不同技术开发了包括人工鱼、团体操表演等多个行 为控制系统，并且在此基础上结合a g e n t ( 智能体) 概念提出了行为系统模型； 另外潘志庚教授还提出了在行为模型加入情绪参数，依据心理学理论给出了 虚拟人情绪的一种形式化方法【1 9 】【4 4 1 。浙江大学现代工业造型研究所的孙守迁 教授在对人体模型构造方法和虚拟人运动动作编排研究的基础上开发了“数 字编钟乐舞 ，其中涉及到对编钟音乐的情感识别。庄越挺等提出了一种基 于紧身衣和照相机定标的运动捕捉方法和运动重定向算法。 在人机交互方面，华中科技大学陈立平等人在基于人机功效学的人体建 4 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 模和运动仿真方面进行了研究 1 3 存在问题 纵观国内外的相关研究不难发现，目前在人物动作的研究领域已经取得 了一些很好的研究成果，但仍然存在很多问题。 国外重视硬件开发，模型面数很多，虽然其逼真性很好，但这些效果要 通过大量的数据处理才能获得，导致对硬件的要求有所提高，例如：动作捕 捉技术的应用。除此之外，资金方面消耗也很大，使得其产品价格昂贵。国 内3 d 游戏技术起步较晚，虚拟人动作相关技术也不是很成熟，要开发出价格 便宜、效果真实和实时性好系统就更不容易了。 课题以d i r e c t x 为基础，通过对虚拟人的建模、动作以及碰撞检测等相 关技术的研究，目的在于掌握3 d 游戏中人物制作过程、动作生成技术及其相 关技术。为国内的游戏事业的发展尽自己的一点微薄之力。 目前已研究的方法主要存在如下几个问题： 1 建模和渲染的优化不够，致使模型复杂，渲染的工作量大。 2 传统的方法生产的动作不够真实；动作捕捉技术又不能大众化。 3 对硬件的要求较高，一般是高档的硬件配置和专门的软件平台。 4 模型的数据库结构不够合理，占空间较大。 1 4 本文的研究内容和所做的工作 本文主要是通过研究虚拟人物的建模的方法，动作的生成和控制方法的 研究，本论文的研究内容是依附红楼梦为背景设计主要人物模型，将建立好 的人物模型和动作通过d i r e c t x a p i 形成一个具有人机交互的游戏展示平台。 使所有游戏人物更加真实，生动。 本论文主要做了以下几个方面的工作： 1 阐述了3 d 游戏角色模型设计技术和动作生成技术的背景和意义以及 国内外研究动态和发展前景。 2 详细设计游戏中虚拟人物，通过研究主要建模方法综合运用了两种建 模方法完成虚拟人模型。同时，对材质贴图技术也有一定的研究。 哈尔滨丁稃大学硕十学位论文 3 通过对人体运动模型的分析，系统的研究了人物动作生成技术，在此 基础上，提出了基于坐标值的关键帧方法。并进行对比分析。 4 研究d i r e c t x 中动作数据的加载方法，进一步研究了d i r e c t x 中实现 人机交互的相关技术和碰撞检测算法。对跟随摄像机进行了改进，使 虚拟人的活动更加真实。 1 5 论文的结构安排 本论文主要研究了游戏中人物动作的研究与实现，按如下方式进行组织： 第1 章阐述了本课题的研究背景、目的和意义、提出论文主要工作内容 和组织结构。 第2 章根据本系统的特点，具体的设计思想和设计原则。提出了系统实 现的总体框架。 第3 章系统研究了人体骨架和各个关节的特点，并对虚拟人的建模方法 进行对比分析，在此基础上结合两种传统建模方法来完成虚拟人 的建模工作。 第4 章通过对人体的运动结构分析，并对各种典型的动作生成技术进行 分析，在关键帧方法基础上提出了基于坐标值的关键帧方法动作 生成技术。 第5 章根据系统设计原则，充分研究了d 3 d 中人物动作的加载过程；并 系统的研究了碰撞检测和路径规划技术，使系统更加真实；对摄 像机也做了改进，使之更加灵活。 结论部分对论文工作进行了系统的总结和概括，并对进一步的研究提出 了合理建议。 6 哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 第2 章虚拟人动作系统结构设计 虚拟人物是一个游戏的灵魂，虚拟人物的各种动作和虚拟人是分不开 的。本章提出在三维游戏中人物动作系统的总体框架和系统的设计思想，并 以此为基础，并对整个系统各个功能模块的功能进行了详细的研究。进一步 明确了系统所采用的技术路线以及系统实现的硬件平台与软件要求。 2 1 引言 善攻者，动于九天之上；善守者，藏与九地之下。无数人向往着这种传 奇般的人生境界，人们通过玩游戏来充当或者欣赏着各种角色传奇般的人生 经历。游戏角色( 虚拟人物) 的制作算是游戏中最重要的也是最有难度的部 分，一个成功的游戏角色将是整个游戏的灵魂。随着技术的发展，虚拟人的 动作生成技术也从传统的方法转向动作捕捉方法，但是，这种方法所需的硬 件设备非常昂贵。本文通过对传统的方法进行深入的研究的基础上，最终提 出了更加适用的动作生成技术。 2 2 系统设计思想和设计原则 1 设计思想 系统的实现主要分为三大部分：虚拟人的建模部分；虚拟人的动作生成 部分；系统的实现部分。 虚拟人的建模就是利用三维建模软件模拟出人的模型。在建模之前要充 分研究人体的骨架模拟，因为人体的运动是在神经系统的支配下，由骨骼运 动从而带动肌肉和皮肤的运动完成的。虚拟人的建模就是模拟人体的肌肉和 皮肤。建模方法很多。各种方法都有其优点和缺点。在根据本系统的特点。 大胆的利用两种传统的建模方法来完成虚拟人的建模部分。 虚拟人的动作是设计的关键部分，只有给虚拟人赋予了动作，才算给虚 拟人增加了灵魂。没有动作虚拟人和其他的模型没什么区别。虚拟人的动作 7 哈尔滨t 稃大学硕十学位论文 i t m 昌宣青昌皇声i i 皇；i i i 盲置宣宣宣宣i 昌暑宣暑暑置暑；暑暑i i 暑；i 暑i 置皇昌眚；宣宣；i i 薯 生成方法也很多，随着技术的发展，运动捕捉技术也流行起来。运动捕捉能 把人的动作通过设备传给虚拟人，增加了动作的真实性。但是，动作捕捉对 硬件和费用要求很高。传统方法所生成的动作又对技术人员的要求很高。本 文提出了一个介于两者间的动作生成方法。 在系统实现部分利用基于d i r e c t x 3 d 的3 d 引擎v i r t o o l s 完成的。通过 在v c 6 0 中调用d i r e c t x 3 d 的库函数完成虚拟人的动作的加载，动作的交互 控制，即通过键盘控制虚拟人的在三维场景中的运动。同时，又增加了碰撞 检测技术和路劲规划技术，使虚拟人的运动更加逼真。 2 设计原则 系统要能表现的人物活灵活现，人物的建模，动作更加逼真。这样才能 使参与者更加有沉浸感，为了达到这一要求，在总体设计时必须遵守以下原 则： 1 沉寂感原则：指用户在虚拟环境中的感官刺激程度，用户在虚拟环境 中的感觉就像在真实世界中一样，用户可以成为虚拟环境中一部分。 2 交互性原则：指参与者通过使用专用的设备，以人类自然技能方式 对虚拟环境中的对象进行操作，并从虚拟环境中得到反馈。 3 想像性原n - 指用户可以充分发挥人的创造力和想像力，创造世界上 不存在的事物，从而在虚拟环境中得到知识。 4 高效性原则：在充分考虑上面的三个原则的基础上，对图像显示的速 度是可能的优化。 5 可扩展性原n - 系统的硬件，软件方案上都充分考虑了将来需要的发 展，场景采用开放性结构设计，输入输出都预留接口。 6 输入输出的多样化的原则：在系统设计阶段，要充分考虑操作人的员 的要求，设计的系统具有键盘，鼠标，游戏操纵杆，游戏方向盘等输 入接口，方便用户操作。 2 3 系统设计的总体框架 完成虚拟人物动作是一个复杂过程，首先，要对整体进行模块划分，把 一个整体分成若干个子模块，生成框架图；然后，对每个子模块进行详细研 8 哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 皇暑暑暑宣暑暑暑宣宣；i i 昌；宣宣i 置薯誓宣置宣i i i i i 宣i 暑葺暑昌暑暑暑葺葺i i t 宣暑i 宣宣暑；若 究，最终完成整个系统。图2 1 是人物动作系统实现的总统框架： 图2 1 虚拟人动作系统的总体框架 2 3 1 人物模型的设计 虚拟人几何建模方法主要研究人在计算机生成空间中的几何表示，其目 的是在三维虚拟环境中创建虚拟人的计算机模型，表示虚拟人在虚拟环境中 所占据的几何空间及各个部分的位置坐标。虚拟人的几何表示必须满足三维 虚拟人在外观和行为特性等方面的逼真性要求。 虚拟人体模型是运动控制技术的基础。常用的建模方法有：棒状建模方 法；表面建模方法；实体建模方法和多层次建模方法等。通过对人体常用几 何建模方法进行比较。在本系统中采用两种传统建模方法相结合来完成寻人 的建模工作。并和其他方法相比较。 2 3 2 人物动作的生成技术 运动的生成技术是人们研究的难点。运动的生成技术是游戏制作过程中 9 哈尔滨t 程大学硕士学何论文 最基础的，最重要的部分，也是人机交互的前提条件，因为没有运动的生成 就不能完成人机交互。 虚拟人的运动控制可分为底层运动控制和高层运动控制。其中底层运动 控制技术包括基于关键帧的运动控制、正向和逆向运动学方法、动力学方法 等运动控制方法。高层运动控制技术包括路径规划技术和运动规划等技术。 本文中详细的研究了虚拟人的底层控制的各种方法。在关键帧的方法基 础上提出了一种更适合研究的动作生成技术。整个过程分为：图像采集；目 标检测和坐标值提取。 图像采集模块是坐标提取的最前端的单元，为整个系统提供输入数据。 它的基本原理是用c c d 摄像机和图像采集卡采集检测人体动作图像，并负责将 采集到的图像实时精确地传送到图像处理单元中进行处理，同时也可将图像 数据存入附带的外存设备中，便于后期观察和分析。 运动目标检测就是在图像序列中将运动的目标从背景中提取出来。该阶 段处理结果的质量直接影响以后的处理效果，所以运动目标检测与分割模块 在整个系统中的作用非常关键。其处理流程如图2 2 所示。 图2 2 运动目标检测与分割处理流程图 通过上面方法，利用鼠标在背景图片上提取各个关节的坐标值。在三维 软件中完成动作。 2 3 3 碰撞检测技术 在本系统的碰撞检测模块中，主要进行了两种方式的碰撞检测：一是粒 1 0 哈尔滨工程大学硕十学位论文 子系统的碰撞检测；二是物体与物体之i 、日j 的碰撞检测。系统中使用0 b b 包围 盒作为碰撞检测的对象。 在进行物体与物体之间的碰撞检测时，系统将存在着的实物模型的碰撞 检测主要分为两类：一是运动物体与静止的物体之间的碰撞检测；二是运动 物体与运动物体之间的碰撞检测。对于运动物体与静止物体的碰撞检测是非 常简单的，只要计算出两物体所处的位置以及它们之间的距离即可，两物体 的距离小于它们之间的半径和，则两物体发生碰撞。而对于运动物体与运动 物体之间的碰撞检测，由于运动物体是在做不停的运动变化的，在很短的时 间帧内，物体可能己经移动很大距离，为了避免运动物体发生穿透现象，在 系统中先对物体进行建树然后遍历检测。当物体的位置发生变化的时候，可 以对树重新构建，而是在原来的基础上进行调整，使树达到平衡。 虚拟人的路径规划，需要在虚拟环境中寻找出一条从初始位置到目标位 置的符合一定性能要求的最优或次优路径，当虚拟人沿此路径运动时不会与 虚拟环境中的其他物体或虚拟人发生碰撞。即使发生碰撞也要通过智能行为 绕过碰撞物体。虚拟人的路径规划算法是现在人们研究的重点。人工智能应 用于游戏中，使得虚拟人和人类的行为越来越接近，提高游戏的可玩性。 2 4 硬件和软件支持 1 硬件支持 在本系统中，由于存在实时渲染的要求。对显卡的要求较高。由于场景 比较大，模型和贴图面数多，因此至少要1 2 8 的图形加速卡和1 g 的内存，主 频2 o g 以上，对于这样的配置，目前的普通的计算机都能到达到或超过。 2 软件支持 本系统以在v c + + 6 0 中的w i n 3 2 为开发环境的基础上通过调用d i r e c t x a p i 函数来实现人机交互的三维古代游戏，而模型的建立则是通过3 d sm a x 软件来实现的。 3 ds t u d i om a x 是当今运行在p c 机上最畅销的三维动画和建模软件， 为影视和广告制作动画制作人员提供了强有力的工具：极为精彩的图形输出 质量和快速的运算速度，任意的动画和广泛的特殊效果，还包括丰富的友善 哈尔滨工程大学硕十学位论文 的开发环境，具备独特直观的建模和动画功能以及高速的图像生成能力。 3 ds t u d i om a x 可使用户极为轻松地将任何对象形成动画。实时的可视 反馈使使用者有最大限度的直觉感受，编辑堆栈方便自由地返回创作的任何 一步，并随时修改。通过它，使用者可以预视所做的所有工作，按动动画按 钮，对象便可以随着时间的改变而形成动画。建立影视和三维效果的融合， 应用创造的摄像机和真实的场景相匹配，并可修改场景中的任意组件。由于 3 ds t u d i om a x 运行于开放的平台上，很容易地集成近千种第三方开发的工 具，丰富了创作手段。 2 5 本章小结 本章对系统的设计原则和设计思想进行了详细的研究，并提出了系统实 现的总体框架，为系统实现奠定了基础。在下面的三章对各个模块进行了更 加详细的的研究。同时，对系统的硬件平台与软件支持也进行了详细的说明。 1 2 譬玺鎏三耄銮：墨：鲨兰吝 第3 章虚拟人建模技术 整个游戏人物的建模部分是基础的部分，也是最重要的部分。常用虚拟 人几何建模方法有棒状模型、表面模型、实体模型和多层次模型。在分析以 上建模方法的基础上，综合运甩两种传统的建模方法完成虚拟人的建模任务。 3 1 人体骨架模型 人体具有2 0 0 个以上的自由度和非常复杂的运动，如何模拟这种运动一 直是虚拟人研究中需要解决的重要课题之一。需要提供所有的关节数据。这 是制作虚拟人物模型的基础，只有充分研究了人体骨架模型才能建立更加真 实的虚拟人物模型。 3 1 1 人体的树状结构 人体可以从3 个层次上进行构造；骨架、肌肉和皮肤。由于运动控制和 骨架模型紧密相连，人体骨架模型主要由关节和骨骼构成。有些关节结构比 较复杂，比如肩关节；有些关节并不存在，只是从结构上给它一个名字，比 如肩胸关节唧闭。对于骨骼也作了简化，比如前臂本来是由尺骨和挠骨组成， 这里把尺骨和挠骨合并为一个骨骼。把骨骼看作不可形变的刚体。这样，整 个人体骨架可以看作是多刚体系统。如图3 1 所示： 图3 1 人体骨架模型 哈尔滨工稃大学硕十学位论文 人体模型中各肢体之l 日j 存在一定的运动连带关系，将关节看成点，将关 节之间的骨骼看成是链，就可以按照运动关系将各肢体链接起来。人体结构 其实就是树形结构。每个节点只有一个父亲，根节点无父亲。每块骨骼可能 有多个子关节，比如臀骨骼就有左股关节、右股关节和腰关节【2 2 1 。总共定义 了1 8 个关节1 8 块骨骼，根骨骼是臀部，是树的总根。通过两个指针链就可 以把组成全身的骨骼全部联系起来。这种表示方法是采用数据结构的兄弟孩 子表示方法i 列【2 j 。如图3 2 所示： 图3 2 人体树形结构图 1 4 哈尔滨t 程人学硕十学位论文 3 1 2 关节旋转模型 整个人体的运动可以看成是由平移和旋转组成。各个关节点的位置可以 根据骨架长度和旋转向量求出。 1 关节旋转 把关节旋转分为自转和摆动。我们把自转定义为绕z 轴的转动，即z 轴 是自转轴，如图3 3 所示： 图3 3 自传坐标轴 关节的摆动是关节由向量v 。转到向量v ：，其转动可分解为向量绕z 轴转 动口度，再绕x 轴转动度。如图3 4 所示： 图3 4 关节的摆动 2 关节的旋转 关节是连结人体各个骨骼的重要纽带，它可以传递力和力矩，使人体能 够正常运动的重要器官。也是人体运动的枢纽，它结构复杂。人体关节通常 被模拟为球铰，但是人体关节实际活动范围不大，因为它受到人体运动生理 上的限制，所以必须明确人体各关节运动的约束条件。根据受约束条件限制 可以分为以下三个方向的旋转： 一个方向的旋转。比如手指，脚趾的每个关节，只能上下曲伸，没有自 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 转。如图3 5 所示人的手指的活动方式： 图3 5 手指旋转模型 两个方向的旋转，比如肘关节的两个旋转自由度中一个是自转，另一个 是绕x 轴的摆动自由度。例如手腕，肘关节有两个旋转自由度。如图3 6 所 示肘关节的活动方式： 图3 6 肘关节的旋转模型 三个方向的关节，比如肩关节、颈关节等。三个方向旋转的关节可以用 铰链来模拟，例如腰部关节。但是转动具有一定的约束。 3 2 人物的几何建模技术 3 2 1 棒状建模方法 棒状模型是最早出现的虚拟人几何模型，对于真实的人体骨架可以达到 具有超过2 0 0 个的自由度。它将人体轮廓表示为棒图形和关节组成的简单连 接体，其复杂度依赖于关节数或骨骼段数。每个关节拥有最多3 个自由度( 人 体根关节除外) 。通过对每个关节变换矩阵的设定，可以构造出不同的人体姿 势。棒状模型的数据存储量少，对其编辑、修改非常快。但是，棒状体模 型只能模拟人体的大致动作，有些运动，如扭曲就无法表示，人体皮肤的变 形也无法表示，因此不足以模拟人体完整的形象与运动。此外，也无法表示 1 6 哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 扭曲和接触等运动 3 2 2 表面建模方法 表面模型概念相对简单，由平面或曲面片组成的表面模拟皮肤，环绕在 骨架周围。表面模型是将人体分成数个节段，每个节段采用n u r b s 曲面片表 示，相邻节段用过渡面光滑地连接起来【i l 】。模型可以分为两个层次：第一层 是关节体结构或称为骨架，这种结构按人体各肢体的层次关系排列，形成虚 拟人动画系统的基础；第二层是外部的几何表面或称为皮肤，由于表面模型 只包括骨架和皮肤两层，绘制与动画的速度都相对较快，所以适合实时虚拟 环境下的人体建模，在人体动画领域应用极为普遍。其缺点是不考虑人体解 剖结构，所以取得非常逼真的模拟效果比较困难。 1 多边形建模( p o l y g o n ) 多边形建模是比较古老的建模体系。几乎任何事物都可以使用多边形建 模，通过足够的细节可以创建任何表面。它的思想很简单，就是用小平面来 模拟曲面，从而制作出各种形状的三维物体，小平面可以是三角形、矩形或 其他多边形但实际中多是三角形或矩形。编辑多边形是一种可编辑对象，他 包含下面5 个子对象层级：顶点、边、边界、多边形和元素【4 2 1 。多边形建模 的主要优点是简单、方便和快速但它难于生成光滑的曲面，故而多边形建模 技术适合于构造具有规则形状的物体，如大部分的人造物体，同时可根据虚 拟现实系统的要求，仅仅通过调整所建立模型的参数就可以获得不同分辨率 的模型，它还有各种控件，可以在不同的子对象层级将对象作为多边形网格 进行操纵，它的面是包含任意数目顶点的多边形。 2 面片建模( p a t c h ) 面片建模是一种表面建模技术，就像是糊纸灯笼一般。它解决了多边形 表面不易进行弹性编辑的难题。一个面片模型实际上是由一些较小的面片组 成的。但它并不是通过面构造定义，而是利用边界进行定义。这意味着边界 的位置及他们的方向决定着面片的内部形式。它的内部由b e z i e r 技术控制， 可以用类似于编辑b e z i e r 曲线的方法来编辑曲面【删。面片的内部构造是使 用b e z i e r 手柄进行调节的，这样可使面片内部区域变的更加平滑。在3 d sm a x 1 7 哈尔滨丁稃人学硕十学位论文 中面片被定义为具有四条侧边的表面，每条侧边被称为一条边。面片的各个 角称为结点。我们对面片的编辑一般都是通过对点和边的编辑来达到的。 面片建模的优点是编辑的顶点少，三角形和四边形的面片都可以自由拼 接。它适合于生物模型，容易制作出光滑的表面，还可生成表皮的褶皱，产 生各种变形体。面片建模的缺点，相对于多边形建模来说它更加复杂。在制 作物体表面过程中有时需要多次细分面片，这样就容易造成被细分的区域与 其他区域的裂痕现象，需要重新将他们连接 3 n u b r s 曲线建模 n u r b s 是n o n u n i f o r mr a t i o n a lb s p l i n e s ( 非均匀有理b 样条曲线) 的缩写，纯粹是计算机图形学的一个数学概念，它是目前最流行的建模方法， n u b r s 的建模方式与样条建模比较类似，常规方法是：首先创建n u b r s 曲线， 然后利用各种曲面生成工具，根据曲线形状和空间位置生成曲面【35 。n u b r s 曲线有“点曲线”和“c v 曲线两种类型，点曲线由约束在曲线上的控制点 来决定曲线的形状和曲率，而c v 曲线是由曲线外部的控制点组成的控制晶格 来控制曲线的形状和曲率，相比之下点曲线更容易控制，而c v 曲线的速度更 快，在模型比较的复杂的场景中使用c v 曲线和c v 曲面可以获得更快的显示 速度。“非均匀 表示控制顶点的范围可以改变，“有理数 表示曲线或曲面 的方程式是用两个多项式的比值来表示的，而“b 样条线”是在一种在三个 或更多点之间进行插补的构建曲线方法。特别适合于创建光滑的、复杂的模 型，而且在应用的广泛性和模型的细节逼真性方面具有其他技术无可比拟的 优势。 n u r b s 曲面片的基本结构是网格状的，若模型比较复杂，会导致控制点急 剧增加而难于控制；构造复杂模型时经常需要裁剪曲面，但大量裁剪容易导致 计算错误；n u r b s 技术很难构造“带有分枝的”物体。 3 2 3 实体建模方法 实体模型使用简单的实体集合模拟身体的结构与形状，例如圆柱体、椭 球体、或球体等。使用多个圆柱体或椭圆体可以获得许多身体部分的表面和 纵向轴特性。实体建模方法增加了三维人体的实心部分表达，使三维人体得 1 8 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 到无二义性描述，并且可以支持对表达人体的消隐、真实感图形显示。大量 基本几何体元构造而成的实体模型采用隐表面的显示方法。隐表面( 也称为 等参表面) 由隐函数定义，通过指定函数的标量值获取空间中三维点的坐标 位置作为隐表面的表面顶点，即使用光线投射法确定身体表面皮肤，计算量 很大。实体模型建模过程非常复杂，需要根据人体解剖结构依次指定各个几 何体元的位置与大小。因此并没有得到广泛的应用，就逐渐过渡到多层次模 型了。实体模型的一个优点是处理碰撞检测比较方便。 3 3 蒙皮骨骼的实现 对于三维人物动画而言，首先是使用建模工具创建模型，然后创建人物 模型的骨骼，接下来便是将模型与骨骼绑定在一起，绑定的过程称为“蒙 皮 。骨骼被蒙皮后，可以使人物的模型随骨骼一起运动，并在骨骼运动时 产生相应的变形。 骨骼在蒙皮过程中，所处的姿势称为b i n dp o s e 。蒙皮后，骨骼的运动 会引起皮肤的变形。但是，有时会出现不恰当的变形，这就需要对骨骼或皮 肤做相应的修改( 即权重的调整) ，此时可以运用相关命令使骨骼恢复绑定 姿势，然后断开骨骼与皮肤之间的关联。 虚拟人的骨骼和模型只有通过蒙皮处理才能使得人物模型随着骨骼的运 动而运动。蒙皮方法s k i n 方法和p h y s i q u e 方法。在实验中采用第二种方法 来实现，具体过程如下： 1 先把人物模型和骨骼进行对位，各个位置都要对上( 其中包括每个手 指的对位) 如果对的不准，则影响动作。在对位之前先把人物模型进 行冻结，通过调整骨骼进行对位。 2 在完成对位之后，就是人物模型和骨骼的蒙皮，利用p h y s i q u e 模块 进行蒙皮。此时将在虚拟人上产生一条黄线，如图3 7 所示： 1 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 墅 “w 图3 7 骨骼蒙皮图3 8 权重调整 3 蒙皮之后，就是对每块骨骼进行权重测试，根据常识来调整权重( 即 每块骨骼对模型的影响程度调整) 防止加上动作后影响模型的相应的 运动。如图3 8 调整大腿的权重。 4 以上的工作完成以后，就可以把事先动作文件在付到人物骨骼上，这 样就完成了人物的蒙皮处理。此时，人物模型和人物骨骼可以一起运 动起来。 3 4 对建模方法的改进 3 4 1 基本思想 通过对各种3 d 建模软件的分析，本实验中采用3 d 蛐t x 作为建模软件，通 过对以上的建模方法的分析，采用面片建模和多边形建模方法相结合的方法 来完成游戏中虚拟人物的建模工作即克服了面片建模难以取得逼真的横拟、 产生裂缝的缺陷又填补了多边形建模难以生成光滑曲面的缺陷。其基本思想 是： 1 从p o s e r 中导出个标准的人物模型。然后在3 1 埘l x 中把人物导入其 中作为人物的标本。在修改面板上把此模型冻结，以