虚拟人是人在计算机上生成空间中几何特性与行为特性的逼真表示。在虚拟环境中, 我们利用虚拟人来模仿真人的各种行为, 尤其是人类最普遍的正常行走运动, 而且能模拟军事的运用训练和医学的仿真实验中, 还能设计产品增加产品的真实性。
虚拟人是由计算机合成的真实的人人体是个复杂的机构, 如果要建模生成一个三维立体的人体模型就要对真人身体的头、四肢、躯干、皮肤肌肉等部位进行严格的分析, 还包括人体上百个关节和细密器官的分析, 建立一个运动模型, 人体中肢体与肢体之间是相关联系的, 可以将人体的关节看成几个点, 各个骨骼之间形成一条一条的链条, 根据关节之间不同的旋转和身体部位安置的角度让身体的各个部分相互融洽连接。
人体行走的过程看似简单但是相对与虚拟过程就比较复杂, 人在行走时每条腿会经历承受期和摆动期, 腿的承受期主要分为脚后跟着地到脚尖接触到地面, 行走周期是相对循环的, 很多步子聚集到一起构成人体进行路线行走的平移, 还要对支撑脚与地面之间进行准确的碰撞测试, 由于两条腿的来回摆动, 以两步为周期平移一步, 以此循环也就形成了两条腿的摆动过程, 进一步地实现了在水平地面上的连续行走。
关键帧技术来源与动画片的制作方法, 最初关键帧技术只是通过编入帧与帧之间的卡通的形状, 在动画片中, 所有的影像画面都通过设计关键帧中位置角度的一些参数问题来设计, 关键帧技术根据人体的运动和活动状态将人体的动作分解成一系列的动作, 每个动作对应相应的帧, 但是电脑技术有时不会考虑人体的物理等一些特殊特性, 所以会存在不恰当的插入导致虚拟人的不合理的动作, 所以通常采用双值插入的方法来有效解决关键帧出现运动轨迹错误的现象, 通过设定动作和运动速度的插值参数, 让速度来控制动作形成流畅的轨迹。
随着技术的进一步成熟, 运动捕捉技术有着非常广泛的应用领域。运动捕捉方法是指通过记录三维空间中的人体运动轨迹, 并将运动轨迹转化为运动数据, 对这些数据合成编辑以此合成虚拟人运动的过程。用于动画设计的运动捕捉技术通过一种光学设置将演员的表演姿势头部运动以及表情投射在计算机上, 通过调整数据再加入真实的情感来完成制作。运动捕捉技术最大的优点在于能有效的捕捉真人的运动数据, 数据传输能将运动数据从捕捉设备准确迅速地传送到主机系统再生成很多高难度的动作, 因而虚拟人的运动能和真人运动十分相似, 模仿度逼真度超高。但运动捕捉技术同样存在设备昂贵虚拟人本身的条件制约等一些缺陷, 动力学控制虚拟人的运动体现了人体运动的真实性, 但运动性太强。还可能因为冗杂的或者错误的数据和设备本身的干扰造成虚拟人身上跟踪器的移位反而导致画面运动的失真。但是运动捕捉技术仍然因能自动捕捉到人体运动的各个细节广泛运用在各领域。
物理的仿真技术利用生物学动力学等物理定律完成运动, 从而弥补了关键帧技术的不足之处, 一般有半物理仿真技术和全物理仿真技术, 半物理仿真技术的逼真度较高, 主要重视人机之间的关系, 全物理仿真采用物理模型的仿真, 主要通过对实物的模拟完成仿真。我们通常应用人体关节的基本动力学和动力学模型, 通过分析物理规律计算运动的过程, 来完成动态的仿真, 使得创作出的虚拟人的运动更加逼真。物理的仿真技术的优点主要是能结合动力学相关物理定律实现关键帧技术无法实现的理想运动控制。优越于其它运动控制技术的优点主要表现在:首先, 利用基于物理的仿真技术可以生成用关键帧技术无法实现的完全符合物理特性的理想的运动, 人机之间的更多的交流使得捕捉到的技术更加精确。
近几年, 国内外研究虚拟人运动控制的团体日渐壮大, 国外相关团队对虚拟人的运动行走运动控制技术和捕捉进行了透彻研究, 还有团队研究虚拟人面部的表情头发衣服进行了动画研究, 实现了运动的仿真。国内的研究机构致力研究虚拟人运动的实时控制, 通过对虚拟人身体部位的相关约束实现了虚拟人步行跑步等运动方式的拓展。
虚拟人广泛应用在国防航天和医学等人类活动领域, 应用虚拟人可以制作出符合中国人航天服的数据, 在汽车防撞的实验中也可以运用虚拟人检测防撞强度质量, 在医学领域, 虚拟人可以有效的帮助医生观察人体组织, 提高医学效率。例如美国公司开发了Jack的虚拟人行走, 能实现人体模型的建立和行走的仿真控制, 通过关键帧动画方法, 用户可以自己实现虚拟人姿态的调节, 拓展了虚拟人行走的仿真功能。Jack虚拟人除了能直立行走还能跑跳弯腰低头行走, 还能进行攀登跳跃等高难度的动作。本文对目前虚拟人几何模型建市的几种常用方法进行了阐述, 并对它们的优缺点进行了对比分析, 同时对走步、跑步等几种典型的运动的控制方法进行了概述和对比研究。总而言之, 随着科学技术的发展, 虚拟人运动控制技术逐渐成为虚拟现实技术的关键, 已经日益广泛的渗透到人们的日常生活中, 因而受到人们的关注和重视。我们应当继续对虚拟人行走建模进行深究, 通过多种技术的相融合解决运动控制的各方面问题满足虚拟技术的需要和快速发展。
通过对虚拟人行走建模及运动控制的研究, 我们建立了自主虚拟人智能行为的通用框架, 包括两个模块, 模块一主要解决虚拟人骨架建模方法, 虚拟人运动建模方法, 骨骼蒙皮方法, 模块二重点解决了虚拟人运动控制问题, 包括参数化关键帧方法, 逆向动力学ik求解, 基于运动融合技术的运动切换。该框架实现了一种生成真实感智能行为反应动画的方法, 具有较好的真实感。在实时虚拟环境中进行的仿真实验结果表明作者提出的通用框架可有效进行自主虚拟人建模, 为实时交互虚拟环境创建具有高度自主性、环境感知能力智能行为决策与运动控制能力的真实感虚拟人。
摘要：随着计算机硬件的快速发展和信息技术的不断提高, 计算机研究动画三维的技术越来越先进, 虚拟人行走和运动控制技术也在不断的发展, 由于虚拟人技术的日益成熟, 虚拟人建模技术已经在游戏训练等领域广泛应用, 本文首先对虚拟人行走建模做了介绍和过程分析, 然后介绍了虚拟人运动控制的主要方法, 最后根据虚拟人行建模的现状分析了虚拟人行走建模与运动控制的发展趋势。
关键词：虚拟人,行走模型,运动控制
[1] 卢晓军, 李焱, 贺汉根.维修仿真中虚拟人动作数据库的研究与实现[J].计算机仿真, 2006 (1) .
[2] 张金钊, 张金锐.虚拟人行走运动算法分析与实现[A].第二届立体图象技术及其应用 (国际) 研讨会论文集[C].2007, 350～352.
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