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虚拟训练仿真中人的运动控制研究 摘要 虚拟训练仿真是指基于虚拟现实技术的训练仿真，是实际训练过程在计算机上的映射。随着虚 拟现实技术的日趋成熟，将虚拟人“嵌入”虚拟训练仿真的环境中去，作为受训人员在虚拟环境中 存在的表示已经成为一个必然的趋势。这样受司队员可以与虚j 宝【环境中的虚拟人进行交互，沉浸于 其中。进行学习和训练。 本文分析和研究了人体模型的表示方法，并从中选择了综合了实体建模和曲面建模的优点的分 层虚拟人表示方法；把虚拟人看成一个多刚体系统，对其运动关节，自由度都做了不同程度的简化， 并在此基础上建立了适用于虚拟训练仿真系统的最小人体模型，该模型由1 5 个关节、3 4 个运动自 由度( 均不包括手掌部分) 所组成 研究了目前常用的虚拟人骨骼结构的表示方法，提出了一种参效关键帧和逆向运动学相结合的 实时运动控制横型：逆向运动学方法可以实时模拟四肢的准确运动，而置与参数关键帧授术相结合， 可以充分利用已有的大量动作数据资源生成逼真的动作效果。在此控制方法的基础上实现了虚拟训 练仿真系统中虚拟人的行走模型，爬梯子模型。 本文提出了虚拟训练仿真系统的最简人手控制模型( | ；l 右手为例，它由6 个关节、1 4 个运动自 由度组成) 。并对虚拟手的拇指部分和一般手指部分分别进行了逆向运动学分析。实现了虚拟训练仿 真系统中虚拟手的简单运动模型。 关键词；虚j i 训练仿真：虚拟人；多尉体系统：运动控制技术；逆向运动学 n a s t u d yo nm o t i o n c o n t r o l o fv i r t u a lh u m a ni nv i r t u a lt r a i n i n gs i m u l a t i o ns y s t e m a b s t r a e t v i r t u a lt r a i n i n gs i m u l a t i o ni s n a i n i n gs i m u l a t i o nb a s e d v i r t u a lr i i qt e c h n i q u e ，w h i c hi s t h e c o m p u t e r m a p p i n g t o t h e t a i n i n g p r o c e s s a s t h e v i r m a l t e c h n i q u eb e c a m e m o r ea n d m o r e m a t u r e a c e r t a i n 们i l dw h i c hv i r l u a lh u m a nw i l lb em b e d d e di nt h ee n v i r o n m e n to fv i r t u a lt r a i n i n gs i m u l a t i o n , a st h e e x p m s s t i n nt h e a j n e ei nt h ee n v i r o n m e n to f v i r t u a lw i n i n g x r a i n e e 啪i n t e r a c tw i t hv i r t u a lh u m a ni nt h e v i r t u a le n v i r o u m e n t , i n m l e r s i n gi ni t , s t u d y i n ga n dt r a i n i n g t h em e t h o do f e x p r e s s i n gh u m a nb o d ym o d e li sa n a l y z e da n ds t u d i e di nt h i sp a p e r ab e t t e rm e t h o do f e x p r e s s i n gs o l i dm o d e l i n ga n dm i l l t i 卅g i d - b 哪m o d e l i n gi ss e l e c t e d a n dd i f f e rd e g r e eo fj o n i m sa n d d e g r e e so ff r e e d o ma r ep r e d i g e s t e d t h el e a s th u m a nb o d ym o d e lf i t t i n gv i n l i a lm i i l l i i l gs i m u l a t i o ns y s t e m i se s t a b l i s h e db a s e do 1t h ef o l l o w i n g 。v i n u a ih u m a nb e i n g s e e na sam u l t i - r i g i d - b o d ys y s t e ma n dt h ed e g r e e o ff i c e d o mo fe a c he r t b r o s i sb e h t ga n a l y z e d t h em o d e l 培c o m p o s e do f1 5j o i n t sa n d3 4d e g r e e so f f r e e d o m ( t i n ti n c l u d i n gp a l m ) n m e t h o do f e x p r e s s i n gf r e q u e n t l y - u s o dv i r t u a lh u m a n ss k e l e g t a ns t r u c t u r ei ss t u d i e d ar e a ll i m e c o n t r o l l h l gm o d e lc o m b i n e dp a r a m e t e rk e y f r m ea n di 球，e r k i n e m a t i c sj sp r o p o s e d r e 掣黜k i n e m a t i c s m e t h o dc a ns i m u l a t et h ee x a c tm o t i o no ff o u rl i m b s a sw e l la si sc o m b i n e dw i t ht h et e c h n o l o g y - o fk e y f t r m e i nt h i sw a y , m u c he x i s t e dr e 3 0 u r c eo f 8 c i d o nd a t a c a nb em a d eu o f t op r o d o c el i f e l i k em o t i o n t h e m o d e lo fv i r t u a lh u m a n st r e a da n dc l i m b i n gt h el a d d e ri nv i r m a lt r a i n i n gs i m u l a t i o ns y s t e mi sr e a l i z e d b a s e do ns u c hc o n t r o l l i n gm e t h o d t h ee a s i e s t h a n d c o n t r o l m o d e l i n v i r t u a l l r e i n i n gs i m u l a t i o n i s p r o p o s e d ( b k i n g t h er i g h t h a n d 协甜i s c o m p 0 3 e d o f 6 j o i n t sa n d l 4d e g r e e so f f i e e d o m a ne x a m p l e ) t h e p o l l e x a n dc o m m o f l f i n g e r 呻啦a a n a l y z e d 托s p e c c i v e l y 恤- o u g hi n v e r s ek i n a m e t i c s r e a l i z et h ee a s ya c t i o nm o d e lo f v i r t u a lh a n di nv k t u a t r a i n i n gs i m u l a t i o ns y s t e m k e y w r d s ：v i r t u a ln a l n i n gs i m u l a t i o n ；v 抑：u a lh u m a n ；m u l f l - r l g i d - i m d ys y s t e m ；m o t i o nc o r m - o l t e c h n o l o g y ；i n v e r s ek i n a m e t i c s m 学位论文独仓j 性声明 本人所呈交的学位论文是我在指导教师的指导下进行的研究工作及取得本人所呈 交的学位论文是我在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果据我所知， 除文中已经注明引用的内容外本论文不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意 作者鼢蚀眦珥幽嵋 学位论文使用授权声明 本人完全了解大庆石油学院有关保留，使用学位论文的规定，学校有权保留学位论 文并向国家主管部门或其指定机构遂交论文的电子版和纸质版有权将学位论文用于非 赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅有权将学位论文的内容编入有 关数据库进行检索有权将学位论文的标题和摘要汇编出版保密的学位论文在解密后 适用本规定 学位论文作者签名： 日期：矽7 争孑曰- 1 目 辚 创新点摘要 本文主要研究的是虚拟训练仿真系统中人的运动控制，其创新点如下： 1 将虚拟人看成一个多刚体系统，提出了适用于虚拟训练仿真系统的由1 5 个关节、3 4 个 运动自由度( 均不包括手掌部分) 所组成的最小人体模型。该模犁只保留适于虚拟训练仿真系统 的运动自由度，极大程度减小了运算的复杂度。同时，提出了适用于虚拟训练仿真系统的由g 个 关节，1 4 个运动自由度( | ：i 右手为例) 所组成的最小虚拟人手模型。 2 提出一种参数关键帧和逆向运动学相结合的实时运动控制方法：将虚拟训练仿真系统中 人的彳亍走及爬梯子运动分为三个关键帧，并对于任意两个运动关键帧利用三次b e z i e r 曲线进行 插值生成过渡帧，然后利用逆向运动学求解满足约束条件的下肢关节的空闻位置。并在此基础上 实现了虚拟训练仿真系统中虚拟人的行走模型，爬梯子模型以及虚拟手的简单运动模型，验证了 本文所提出的运动控制方法的可靠性。 大庆石油学院硕士研究生学位论文 引言 随着虚拟现实技术的日趋成熟，人们已经不满足于只有景物、建筑物等地理视景信 息的虚拟环境( v m u a l e n v i r o n m e n t ) 的构建，迫切要求在虚拟环境中加入虚拟人来作为 人的化身。虚拟人( v i r t u a lh u m a n 或c o m p u t e rs y n t h e s i z e dc h a r a c t e r s ) 是人在计算机生 成空闻( 虚拟环境) 中的几何特性与行为特性的表示i l 】。目前，虚拟人技术已经目益广 泛地渗透到人们的日常生活当中。 虚拟训练仿真系统是指利用虚拟现实技术生成的一类适于进行训练仿真的虚拟环 境，它可以是某一现实世界培训基地或设施的真实再现，也可以是虚拟构想成的世界。 受训人员阻虚拟环境为依托，沉浸于其中，进行相应的学习和训练。本系统正是结合了 三维虚拟人技术，对虚拟训练仿真系统中人的几何特性及行为特性加以分析，迸而将虚 拟人作为人的化身加入到了虚拟训练的环境中去，为用户提供一个逼真的三维虚拟空 间，使得用户在计算机提供的虚拟环境中熟练掌握某一装置或某一系统的操作使用方 法。 近年来，虚拟人运动控制技术一直是计算机领域中比较活跃的研究课题，涌现出了 大量的研究成果，同时也出现了几个比较著名的研究团队。如：美国宾夕法尼亚大学人 体债真与建模中心( c e n t e rf o rh u m a nm o d d i n g a n d s i m u l a t i o n ) ，在b a d l e r 的领导下，研 究包括参数的关键帧技术在基于关节虚拟人的模型中的应用、逆向运动学的应用、人体 的平衡研究、脊骨的建模，行走模型的建立、运动捕获的研究、人体的冲突检测和纠正 以及智能运动规划问题【l j i j j 。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m 。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b o l n 】。另外，b r u d e r l i n 和c a l v e r t 致力于研究虚拟人的动态 行走模型l l q 。国内学者开展虚拟人技术的研究起步较晚，目前也取得了一定的工作成果， 北京航空航天大学的袁修干进行了人机工程仿真中人体运动的模拟【1 4 】【“。哈尔滨工业大 学的洪熔炳和天津民航学院的贺怀清进行了实时人体运动控制的研究，并将路径规划算 法用于虚拟人运动控制【1 6 - 2 e 。中国科学院的壬兆其进行了人体交互行为的研究，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的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 r m l 的虚拟人显示工具。在j o i n t m o t i o n 系统的基础上，他们开 发了中国聋人手语运动合成系统”j 。 本课题主要研究虚拟训练仿真系统中人的运动控制。从虚拟人的几何建模、运动建 模入手，分析了虚拟人的运动控制方法，并提出一种参数关键帧法与逆向运动学相结合 的运动控制方法，在此基础上实现了虚拟训练仿真系统中人的行走、爬梯子等行为模型， 并且采用了精简的虚拟人手的运动模型，实现了训练仿真中的人手简单运动。本课题具 引言 体的研究内容如下： l ，虚拟人的几何建摸 分析和研究了人体模型的表示方法：线框建模、实体建模以及曲面建模；并从中选 择了综合了实体建模和曲面建模的优点的分层虚拟人表示方法：分析了两个重要的虚拟 人表示标准；h o a n i _ m 和m p e g - 4 ，为今后进一步的研究工作打下了基础。 2 虚拟人的运动建模 研究了多刚体系统理论；在h - a n i m 人体骨骼结构模型的基础上，对各骨骼及关节 的功用及特性进行了分析，建立了适用于虚拟训练仿真系统的最小人体模型，该模型由 1 5 个关节，3 4 个运动自由度( 均不包括手掌部分) 所组成；对各关节的自由度进行丁 分析简化，给出了运动自由度的简化原则；分析了此模型的拓扑结构。 3 虚拟人的运动控制 从参数关键帧、运动学、动力学以及运动捕捉等不同角度对运动控制技术进行了深 八分析与研究；提出一种参数关键帧和逆向运动学相结合的实时运动控制方法。这种方 法可以实时模拟四肢的准确运动，而且与参数关键帧技术相结合，可以充分利用已有的 动作数据资源生成逼真的动作效果 4 虚拟人行为模型的建立 介绍了虚拟训练仿真系统的设计，并分析了该系统要实现的人的行为动作：对虚拟 人的行走运动的时间特性、特征参数以及运动阶段进行了研究与分析；详细阐述了参数 关键帧和逆向运动学相结合的实时运动控制方法：把一个周期的运动分解为3 个必须达 到的序列动作，对这三个关键帧进行了详细的设计；进一步设计了关键帧之间人体运动 组态的内插方式，以得到关键帧之问的所有帧数# 在内插过程中，我们以b e z l e i 曲线的 方式设计悬于空中的腿的运动轨迹；并给出了行走运动的内部约束和外部约束；在此基 础上实现了虚拟训练仿真系统中虚拟人的行走模型、爬梯子模型。 5 虚拟人手运动模型的建立 对虚拟人手的解剖结构及运动进行了分析：对虚拟手的运动模型进行了研究与分 析，给出了适用于虚拟训练仿真系统的6 个关节、1 4 个运动自由度的人手简化模型：给 出了虚拟手的关节运动约束；对虚拟手进行了逆向运动学分析；在此基础上实现了虚拟 训练仿真系统中虚拟手的运动模型。 2 大庆石油学院硕士研究生学位论文 第1 章虚拟人物模型的建立 本文结合了三维虚拟人技术，对虚拟训练仿真系统中人的几何特性及行为特性加以 分析，进而将虚拟人作为人的化身加入到了虚拟训练的环境中去，为用户提供一个逼真 的三维虚拟空间，使得用户在计算机提供的虚拟环境中熟练掌握某一装置或某一系统的 操作方法。这样做，改变了原有的虚拟训练仿真的训练方式，为受训人员提供一个直观、 友好的图形化培训环境，从而达到提高工作效率、降低成本、增强市场竞争力的目的。 本文主要研究虚拟训练仿真系统中人的运动控制。而一个好的人体模型将给虚拟人 的运动生成及控制带来极大的方便。本章从虚拟人的几何建模和运动建模这两个方面生 成一个适用于虚拟训练仿真系统的人体模型由于人体骨骼结构的复杂性，为了能够在 低端平台上实现实时的虚拟人运动仿真，必须要对其进行一定程度的简化。本章从运动 关节与运动自由度两个角度对其进行了简化，最终得到了一个1 5 关节、3 4 自由度的虚 拟人简化模型( 不包括手掌部分) 。 1 1 虚拟人的几何建模 虚拟人的几何建模主要研究虚拟人在计算机生成空闻中的几何表示，它必须满足虚 拟人外观与行为特性等方面逼真性的要求。由于人本身的复杂性和研究方向的不同该 领域的研究又通常分为人体的几何模型和面部的几何模型两个部分，本文仅限于讨论人 体部分的几何模型。 i 1 1 几何建模方法概述p 叼m 一，线框建模 线框建模是采用点、直线、圆弧及样条曲线等构造三维物体的图形表示技术。它是 计算机图形学c a d c a m 领域中最早用来表示形体模型的方法，并且至今仍在广泛应 用。线框建模只用点、线的信息表示一个形体，数据量少，定义过程简单。很多复杂的 形体设计往往先用样条勾画出基本轮廓，然后逐步细化。线框建模的数据存储量少，对 其编辑、修改非常快。使用线框建模的方法对人体建模时，它是将人体轮廓用线框图形 和关节表示，由于包含的信息有限，因此该建模方法在对入体建模时存在着如下严重的 缺陷： 1 有模糊性和歧义性：不能够无二义性地表达三维人体； 2 无法实现三维人体模型的自动消隐及真实感人体模型显示； 3 无法进行剖面操作。 第1 章虚报 物的模型的建立 二、实体建模 实体建模在线框建模的基础上增加了三维人体的实心部分表达，使其信息更加完 备，从而能够无二义性地描述三维人体。并且实体建模方法提供了人体几乎所有的几何 和拓扑信息，因此它可以表达人体的消隐，支持真实感图形显示。目前，实体建模系统 中对人体的表达方式主要有3 种： 1 基于体素分解的表达方法 体素分解表达方法是将复杂的人体层层分解，并将其逼近表示成为一簇基本体素的 集合，分解后的复杂人体表示成一棵八叉树。该方法简单易行，但对人体的表达只是近 似，因而很难反映出人体的宏观几何特征，并且由于体素问的集合运算涉及大量面与面 之间的运算，难免出现奇异的情况，有时计算精度有限带来的几何数据误差，还会造成 体素之间拓扑关系的紊乱，从而使运算不能进行下去。因此在实际应用中受到很大的限 制。 2 构造实体几何 构造实体几何方法是通过简单形体( 如圆柱体、椭球体、球体等) 的交、并、差集 合运算来表达复杂人体外形，该表达方法可以用一探二叉树描述。构造实体几何表达方 法的特点是能够清晰地表达复杂人体的构造过程并能直观地描述人体的宏观几何特点。 但是该表达方法存在着多种构造人体的表达方案，表示的人体模型也不够逼真，很难表 示人体的动态特性。同样，由于存在集合运算，因此其计算量大，计算稳定性差。 3 多面体建模 多砸体建模是从构造多面体开始，对多面体的任意一个面、棱边、顶点进行局部修 改，从而构造一个与实体外形相似的多面体( 即基本立体) ，然后通过类似于磨光的处 理，自动产生自由曲面的控制顶点，并拼接成所需的形状。它是一种根据设计者的构思 来进行局部处理并生成人体模型的方法。用多面体建模可以灵活地进行人体形状设计。 三、人体建模的曲面模型 曲面模型主要研究具有一定光滑程度的曲面外形的数学描述。使用曲面模型的方法 对人体建模时，曲面模型能提供三维人体的表面信息，并进行隐藏线消除和真实感三维 人体模型显示，但曲面模型方法也存在着缺陷。由于没有明确定义三维人体的实心部分， 因此曲面建模方法不能进行剖面操作。目前，曲面模型的研究主要分为两个方面：一是 曲线曲面的表示、设计及建模显示等，= 是与曲面设计方法相关的算法研究，如求交、 等距、过渡、拼接、光顺以及局部操作等。 围绕着曲面的表示方法，许多研究者做了大量的研究。1 9 7 1 年法国r e n a u l t 汽车公 司的b e z i e r 正式发表了一种由控制多边形定义曲线的方法，这种方法使设计人员只需移 动控制顶点就可以方便地修改曲线的形状，而且形状的变化完全在预料之中，因而得到 广泛的应用，最初的的三维人体模型就采用了b e z i e r 曲面模型，但是b e z i e r 方法不具有 局部特性，在设计复杂的人体曲面的过程中，存在着拼接方面的困难为解决b e z i e r 方法局部修改的问题，g o r d o n 和r i e s e n f e l d 对b e z i e r 方法进行了改进，用b 样条函数 4 大庆石油学院硕士磅究生学位论文 代替b e m s t i n 基函数，b 样条方法不但继承了b e z i e r 方法的优点，而且还具有独特的 局部特性，使得设计者能方便地对b 样条曲线曲面进行局部修改。在实际使用b 样条 曲线曲面人体建模时，主要采用以下两种具体的建模方法： 1 特征化的曲面建模 根据人体的整体结构，将人体模型划分为几个基本的结构特征。再根据不同结构特 征不同的几何特征，选择具体不同的建模方法。该方法的优点在于：它使得人体模型的 曲面建模更加灵活，可以针对人体模型不同部位的几何特征，选择最适合的曲面建模方 法，面不必拘泥于某一种曲面表达方式。此外，还可较方便地改进人体模型建模方法。 2 参数化的曲面建模 参数化建模又称为变量建模，它采用几何约束来表达人体模型的形状特征，从而获 得一簇在形状上或功能上相似的设计方案。参数化建模是基于传统的几何建模方法上的 一种更为抽象化的建模方法，它以抽象的特征参数表达复杂人体的外部几何特征，依托 于常规的几何建模方法，使设计人员能够在更高更抽象的层面进行人体设计。目前，参 数化作为一种新的几何建模发展方向，受到越来越多的重视，在许多大型通用的系统中 都体现了参数化建模的思想。 除了上述所讲的曲面设计方法外，还有扫描( s w 唧) 生成法，散乱点插值方法等，这 些方法从不同角度丰富了曲面建模技术。 建模方法本身性能和实现方法( 如计算机程序) 的质量两方面共同决定了三维人体 模型的逼真性以及实用性，为虚拟人的运动控制打下良好的基础。因此，寻求一种好的 建模方法是非常重要的。表l - l 对线框建模、实体建模、曲面建模的特性进行了比较。 表1 - 1 三种建模方法相关性能比较嗍 1 i 2 分层虚拟人表示方法 在新近的研究中，出现了一种分层虚拟人表示方法m j 。该方法综合了实体建模和曲 面建模的优点，可以满足不同层次的逼真性要求。在这样一种分层表示模型中，一个虚 拟人模型由基本骨架、肌肉层和皮肤层组成，根据需要，有时也加入一层服饰层，来表 示虚拟人的头发、衣饰等人体装饰物品。其中的基本骨架由关节确定其状态，决定了虚 拟人体的基本运动姿态，这样，就可以直接对骨架进行控制来实现对整个虚拟人体的运 动控制。肌肉层确定了人体各部位的变形，而肌肉层的变形直接带动了皮肤层的变形， 最后由皮肤层确定虚拟人显示的外观。人的生理构造在分层虚拟人表示方法中得到了充 分的体现。 第l 章虚 甄人物的模型的建立 1 1 3 本文采用的虚拟人表示方法 本文也采用了这种分层虚拟人表示方法，为了减少计算复杂度，本文不考虑人体运 动过程中的皮肤的形变，因而只对虚拟人的基本骨架层和皮肤层做出了描述如图1 1 所示。皮肤层的创建不是本文研究的重点，在此不加赘述；适用于本系统的虚拟人的骨 架模型的创建将在1 4 节详细介绍。 采用这种表示方法，虚拟人的运动控制只需对人体骨架进行，简化了运动控制算法 减低了运算复杂度。 图1 - 1 虚拟训练仿真系统中虚拟人的皮肤与骨骼模型 1 2 表述虚拟人模型的国际标准 为了能够在网络虚拟环境( n e t w o r k v i r t u a le n v i r o n m e n t ) 中有一个统一的标准来表 述虚拟人，各国研究者作出了很多努力。目前两个重要的国际标准m p e g - 4 和 v r m l 2 0 均发布了虚拟人的描述标准。m p e g - 4 的虚拟人标准脸部和肢体动画标 准( f a c ea n db o d ya n i m a t i o n ，缩写为f b a ) ，能够用很低的数据传输量来完成流畅的 虚拟人的肢体和脸部动画，如：用小于1 0 1 ( 字节，秒的传输量实现全身动画。与此同时， 人体动画工作组( h u m a n o i d a n i m a t i o n w o r k i n g g r o u p ) 试图定义一种可以在不同用户和 程序之间进行数据交换的虚拟人表述标准。 因此他们开发了一套专门描述虚拟人几何 模型和动作的标准h 蛐( 1 kh u m a n o i d a n i m a t i o ns p e c i f i c a t i o n ) ，并作为子集添加 在v r m l 9 7 标准中。由此遵循h - a n i m 标准的虚拟人模型可以在任何兼容v r m l 9 7 的浏览器中显示和操作。由于v r m i v i r t i 】a i r e a l i t y m o d e l i n g l a n g u a g e ) 被广泛地应用于 i n t e m e t 上创建虚拟的三维空问，所以h - a n i t a 标准正在成为虚拟人网上数据交换最流 行的标准l 卅。 6 大庆石油学院硕士研究生学位论文 1 2 1 肝b g 4 中虚拟人的表示 m p e g 4v e r s i o n2 中开始提供对b o d yo m e c t 的支持【4 7 j 。i s o i e c j t c l s c 2 9 w g l l n 2 8 0 2 对人体的定义是这样的：。人体模型( ab o d ym o d e l ) 是虚拟人或类似角色的表示， 可以描述人体运动，实现非语言交流，并实现一般人体行为。”m p e gb o d y 由一组节点 ( n o d e s ) 组成，其顶层节点b o d y n o d e 至少包括两个子节点：表示人体运动的参数( b o d y a n i m a t i o np a r a m e t e r s ，s a p ) 和表示人体模型定义的参数( b o d yd e f i n i t i o np a r a m e t e r s ，b d p ) 即。 人体运动参数b a p 包含2 9 6 个描述虚拟入骨架拓扑结构的参数，这些参数可以应 用于m p e g 4 兼容的虚拟人体，并生成相同的虚拟人运动。 1 2 2 虚拟人模型标准h - a n i t a h a n i m 标准是一个关于虚拟人模型的国际标准，全称是h u m a n o i da n i n 3 a t i o n s p e c i f i c a t i o n 。该标准是为在线虚拟环境中的虚拟人表示而制定的，标准兼顾了兼容性、 适应性和简洁性。目前的版本h - a n i t a 2 0 0 1 使用v r m l 9 7 进行描述1 2 ”。 h - a n i m 标准的节点类型h - a n i m 标准中利用v r m l 9 7 中的p r o t o t y p e 支持，定 义了五种自定义节点以描述虚拟人模型，分别是h u m a n o i d 、j o i n t 、s e g m e n t 、s i t e 和 d i s p l a c e r ，其中j o i n t 节点用以构成虚拟人的骨架结构，是虚拟人姿态控制直接操作的 对象。节点定义为1 4 s l ； t r a n s f o r m ( c h i l & v ni sc h i l d r e n t r a n s l a t i o ni st r 目m s l a t i o n r o t a t i o ni sr o t a t i o i l 8 0 a l ei ss c a l e s e a l e o r i e n t a f i o ni ss c a l e o r i e n t a f i o n c o m e ri sc a n l e r ) 可以看到j o i n t 节点定义中列出的第一个节点类型为t r a n s f o r m ，因而j o i n t 节点 可以在场景树中起到和t f o r m 节点相同的作用，即用来描述空间的位置变换。同时， 由于v r m l 9 7 中t r a n s f o r m 节点兼起组织场景树的作用，可以作为其他节点的根节 点，因而j 0 i n t 节点也可以带有子节点。 j o m t 节点是用来描述人体骨架的连接性结构关节，而人体的关节一般是只具 备旋转自由度而不具备平移自由度的，所以在h - a n i m 标准中要求所有的j o i n t 节点中 坐标位移( t r a n s l a t i o n ) 值始终只能为( o ，0 ，0 ) ，即没有平移变换。旋转( r o t a t i o n ) 第l 章虚拟人物的模型的建立 变换是j o i m 节点唯一合法的空间变换，用以描述关节的旋转自由度。而船的值 是关节在人体模型中应处的位置，也是关节旋转变换的中心。这样，j o 硫节点所描述 的关节，只能绕其所处位置作旋转，与人体关节的运动特性相符。 h - a n i m 标准把整个人体分成1 个人体重心、7 7 个关节和4 7 个骨骼段 ( s e g m e n t ) ，这些元素组成一个完整的虚拟人模型。虚拟人的骨髂段之间由关节相联， 人体重心、每个骨骼段以及关节的运动会影响到与它相联的其他节点的状态。例如，人 体重心的运动影响全身关节的运动，而肩关节的运动将影响整个手臂关节的运动。这种 定义符合人体运动的生理特点。事实上。h - a n i t a 将整个人体各部分之间的关系表示为 一棵树，并以人体重心为根结点，以关节为节点，以骨骼段为连线1 3 1 1 3 虚拟人韵运动建模 1 3 1 多刚体系统理论 多体系统( m u l f i b o d ys y s t e m ) 是指具有大范围相对运动的多个物体( 刚体或柔体) 通过 运动副连接构成的系统 “t z 4 1 ，如果其中每个物体都是月性的，则称该多体系统为多刚体 系统( m u f t i - r i g i d - b o d ys y s t e m ) 。多体系统是对一般机械系统的完整抽象和有效描述，是 分析和研究机械系统的最优模型形式田j 。 虚拟人可以认为是各个骨骼问通过关节相连，并存在相对运动的多体系统如果不 考虑人体关节的生理可移动范围，并假设运动过程中人体骨骼的长度和形状保持不变 那么可以将人体关节简化为刚性的机械转动铰，人体的骨骼简化为剐体，由此可以迸一 步认为虚拟人是身体各部分同只存在相对转动的多刚体系统。本文正是将虚拟人作为一 个多剐体系统来进行分析与研究的。 1 3 2 虚拟人骨骼结构的表达 从解剖学的观点来看，人体的运动系统主要是由骨骼、骨连接和骨骼肌通过运动关 节组成，在神经系统的调节和其它系统的配合下，使肢体在空问中运动并使各肢体间的 相对位置发生改变【4 研本文虚拟人的运动控制就是基于骨骼驱动的，所以，对人体的骨 骼结构的表达方式就显得尤为重要了。 人体骨骼结构所有可能形态的向量空间称为该结构的状态空间，它通常由一组独立 的位置、朝向及关节旋转参数来确定【2 j 阱j 。一般来说，状态空间的维数等于人体骨骼结 构的自由度数。因而，人体骨骼结构的运动等价于在其状态空间中定义一条高维的运动 轨迹。本质上，人体骨骼结构的表达就是选取适当的独立参数来表达其状态空间。这些 方法中最具代表性的是d h 表示法。 d h 表示法由d e n a v i t 和h a r t e n b e r y 于1 9 5 5 年提出l 州，现已在机器人领域得到了广 大庆石油学院硬i 研究生学位论文 泛应用。d h 表示法通过对每一连杆建立局部坐标系来描述连杆相对于其相邻连杆的运 动。4 个独立的参数被用来定义相邻连杆局部坐标系之间的线性变换关系，它们分别是 连杆的长度i i 、相邻连杆之间的距离d i 、扭角口，和夹角口i ，其中下标i 表示连杆的标 号。由此可以很方便地得到由第i 个坐标系到第i 1 个坐标系的齐次坐标变换矩阵t - l 为 t 噩 c o s 屈s 1 屏c o s 口i l s i n8 | c o s8 l c 0 8 口i 。 0 一s i n “, d f - l一面s i nj - l s i n 属s i n 啦一l c o s 属s i n a f _ l s - i c o s z j i 通过重复使用相邻连杆之间的坐标变换，容易得到第i 个坐标系关于基坐标系的变 换矩阵ro 丁产五。刀t 一- 2 z “ ( 1 - 2 ) 为了表示人体模型中各关节之间的相对位置和姿态，在每个关节上固定一个局部坐 标系，取关节轴线方向为x 轴方向，取上一关节和该关节的连线方向为y 轴方向，这 样就可以用齐次坐标变换矩阵来描述这些坐标系之间的相对位置和方向。对于某一任 务，运动的限定可用下述运动结构方程给出1 1 1 ： 砰露互2 碥；巧 ( 1 3 ) 其中，硭表示从关节i 的坐标系到关节i 1 的坐标系得变换矩阵，砰是世界坐标系 到基坐标系的变换矩阵，”是目标坐标系到世界坐标系的变换矩阵，故人体的运动学 设计问题可转化为求解关节模型的运动方程问题。 1 3 3 人体坐标系的设定 本文将各肢体抽象为简单的刚性几何实体，关节抽象为一个点。为了描述人体骨架 模型中各关节之间的相对位置和姿态的变化，本文定义了三类坐标系：世界坐标系、人 体基坐标系、各关节的局部坐标系。 人体坐标系的设定规则：本文定义一个标准立于地面的模型，原点( o ，0 ，0 ) 定义在地 面上的两脚之间，采用标准的世界坐标系建模，即面朝+ 乙方向，从脚到头垂直于地面 为+ y 方向，人体的左边为+ 方向( 标准姿态如图i - 2 左所示) 。 标准姿态下设各关节局部坐标系和人体基坐标系方向一致。另外，本文规定各肢体 绕每个坐标轴转动时，从该轴的正方向看，逆时针方向为正，顺时针方向为负；并且设 定人体的起始姿态为直立姿态，所有的动作角度均为相对于初始姿态的角度。 9 第1 章寝籀九杨前模型的建立 图i - 2 本文的人体坐标系 1 4 虚拟训练仿真系统中人的简化模型 人体的骨骼结构非常复杂，要在p c 平台上实现实时的三维虚拟人，必须对虚拟人 体的骨骼结构模型进行一定程度的简化。并且，可以针对研究工作的重点，对其中与研 究内容无关的骨骼及关节暂时不予考虑，这样就可以大幅度降低人体骨骼结构的复杂 性，使得研究工作得以顺利进行。 1 4 1 运动关节的简化 本文主要研究虚拟训练仿真中人的行为特性，因此，涉及到人脸部分的细节运动不 属于本文的研究范围，其相应的骨骼与关节定义在本文的研究工作中不予考虑，而只是 作为一个整体处理。另外，本文只考虑虚拟训练仿真系统中人手的简单运动，鉴于除拇 指之外的其他四指的动作大致相同，因此将这四指作为一个整体考虑。详细内容将在第 四章讨论。 人体上肢及下肢的关节在运动中的作用是非常重要的，因而我们需要保留上肢的肩 关节、肘关节、腕关节以及下肢的髋关节、膝关节与踝关节。在人体重心附近，保留控 制骨盆运动的腰关节，并将人体根关节定义在腰关节处，同时还保留了腰关节上方的胸 关节。为了保持颈部的运动，需要保留颈部脊关节。最后得到的虚拟人简化模型共包括 2 5 个关节。其中人体的躯干及四肢( 包括腕关节，不包括手指的关节) 共有1 5 个关节， 相应的关节定义及骨骼定义如表1 - 2 所示。 室! 兰垒垫塑些堡型塑苤苎墨量墅塞墨 关节定义依附骨骼 关节定义依附骨骼 大庆石油学院硕士研究生学位论文 】4 2 虚拟人的骨架模型 基于实体模型的虚拟人几何表示在研究工作中存在着诸多不便，因为该模型不能清 晰地反映出人体关节和骨骼的拓扑结构。在虚拟人技术的研究领域中，还存在另一种被 广泛采用的人体骨骼结构的表达方式，即人体骨架模型。人体骨架模型将人体关节和骨 骼抽象成点和线，人体骨骼结构表示为点、线之间的连接关系，十分直观。基于本文虚 拟人简化模型的入体督架模型如图i - 3 所示。 图l - 3 人体躯干及手掌的简化骨架模型 1 4 3 运动自由度的简化 人体运动的自由度在一定程度上决定了问题求解的复杂性，因为通常一个运动自由 度需要一个运动方程来独立表示。因此，考虑如何在不影响虚拟人逼真性的前提下最 大限度地减少人体运动的自由度，对于降低问题的复杂性将起到重要作用。 本文设定的运动自由度简化的基本原则是：不去简化运动链起始端的自由度以及虚 拟训练仿真系统中必需运动的自由度。对于前者，由于人类运动结构的递归特性，使得 运动链起始端的自由度对末端效应器的可达范围影响最大，固定任何一个自由度都会导 致不能完成一些常用的动作；对于后者，尽管人体是一个冗余系统，但根据虚拟训练仿 真系统的实时需要，如果固定某些必需运动的自由度，则会导致人体运动的不自然。根 据上述原则，本文具体简化自由度如下所示： 人体颈部关节有3 个自由度；肩关节包括3 个运动自由度，并且运动范围比较大； 肘关节包括屈肿，旋内旋外两个自由度；由于本系统需要考虑简单的训练行为，肘关 节的2 个自由度都要保留；腕关节同样需要屈，f 申、外展内收两个自由度，这2 个自由 度保留；同理，确定髋关节的自由度为3 ；膝关节自由度为1 ；踝关节自由度为2 ；胸关 节的自由度为2 ；腰关节决定人体躯干部分的运动，其自由度为3 ；手部的自由度简化 第1 章虚拟人物的模型的建立 将在第四章详细阐述。 本文的虚拟人简化模型共包含3 4 个运动自由度( 这里只对虚拟人躯干部分的自由 度进行了简化，人手部分的自由度简化将在第四章进行讨论) 。具体总结如表1 - 3 所示。 表1 3 虚拟人的运动自由度 1 4 4 层次结构 为了建立人体的运动模型，必须对人体模型中相连各肢体和这些肢体之间的运动连 带关系进行描述。本文将虚拟人模型的关节看成点，将关节之间的骨骼看成是链，这样 虚拟人的模型就可以按照运动关系将各肢体链接起来。以腰关节为根结点( r o o t ) ，对于 相邻的两个关节，设定靠近腰关节的关节为父结点( p a r e n t ) ，连接在父结点之下的关节 就设定为子结点( c h i l d ) 父结点运动时，子结点必须跟着运动。但是子结点运动时， 父结点不一定动。为了表达人体模型的层次结构，可选用树结构来进行来描述，本文采 用自顶向下完成分层结构的构造。本文基于关节的虚拟人的层次结构如图1 4 所示。 大庆石油学院顷士研究生学位论文 1 5 小结 图l - 4 本文虚拟人的层次结构 本章分析和研究了人体模型的表示方法：线框建模、实体建模以及曲面建模；并从 中选择了综合了实体建模和曲面建模的优点的分层虚拟人表示方法。本章把虚拟人看成 一个多刚体系统，建立了适用于虚拟训练仿真系统的最小人体模型，该模型由1 5 个关 节、3 4 个运动自由度( 均不包括手掌部分) 所组成，并给出了该模型的层次结构。 第2 章虚拟 物盹运动生成与控制 第2 章虚拟人物的运动生成与控制 目前，虚拟人的运动控制技术日益成熟，随之而来的运动控制方法也是不胜枚举， 这样，就使得选择一个好的、适合虚拟训练仿真系统的虚拟人运动控制方法变得尤为重 要了。本章就是通过分析已有的运动控制方法。生成一个适用于虚拟训l 练仿真系统的控 制方法。 2 1 参数关键帧方法m “ 关键帧技术是进行虚拟人运动控制的最早方法，其概念源于早期w a l td i s n e y 公司 卡通画的制作在早期的制作过程中，先由高级动面师设计关键画面，也即所谓的关键 帧，然后由助理动画师设计中间帧。在计算机技术还未进入这一领域时，大量的繁琐的 中间帧的工作是由助理动画师手工完成的。随着计算机图形学的发展，插补取代了设计 中间帧的艺术家，中间帧可以采用计算机自动生成。关键帧技术最初仅仅用来插值帧与 帧之间卡通画的形状，后来，该技术被发展成为可以用插值来影响运动的任何参数。因 此，也称其为参数关键帧。在应用参数关键帧技术产生虚拟人的运动时，应注意所插值 的参数，否则会产生不恰当的运动。由于关键帧插值不考虑人体的物理属性以及参数之 间的相互关系，因此插值得到的运动不一定是合理的，通常需要动画师对运动进行仔细 的调整。这种方法非常的直观，不需要太多的专业知识，可以控制人体动作的每个细节。 但要求使用者具有丰富的人体动画制作经验和关键帧生成技巧，能自如地控制虚拟人模 型的上百个自由度。尽管如此，由于关键帧技术的使用简便，因此仍然是最常用的动画 生成方法。参数关键帧技术由用于卡通画中插值中间画面的关键帧技术发展而来，可以 对用于影响运动的任何参数进行插值对于虚拟人的运动控制，需要预存各个关节体按 时间定义的关键姿态的参数，然后使用插补算法对每个关节体进行位置插值和朝向插 值。 插补算法在实现用关键帧技术产生最终的动画中具有很重要的地位。比较简单的插 补方