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现了训练仿真中的人手抓握运动.本课题具体的研究内容如下:1.虚拟人的几何建模
分析和研究了人体模型的表示方法:线框建模,实体建模,曲面建模以及基于物理的建模技术,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-Anim和MPEG-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,并在此基础上对人体骨骼的结构进行了分析对人体运动的生理特性进行了一定程度的研究,在H-Anim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15个关节,34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了分析,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
研究了目前常用的虚拟人骨骼结构的表示方法,从关键帧,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入分析与研究,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模型,并建立统一的动作数据表述形式,实现了动作的并行播放,为行为模型提供有一定柔性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,而且与关键帧技术相结合,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.
4.虚拟人行走模型的建立
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,并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,以得到关键帧之间的所有帧数.在内插过程中,我们以Bezier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生理极限约束和简单动力学约束,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.
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,14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.
第一章虚拟人物的模型的建立
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.本文正是从虚拟人的几何建模和运动建模这两个方面生成这样一个人体模型.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.本文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15关节,34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
虚拟人的几何表达主要研究虚拟人在计算机生成空间中的几何表示,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造型和面部的几何造型两个部分.本文仅限于讨论人体部分的几何造型.
1.1.1几何建模方法概述[64]
一、线框建模
线框建模是采用点,直线,圆弧,样条曲线等构造二维物体的图形表示技术.它是计算机图形学CAD/CAM领域中最早用来表示形体的模型,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,符合人们打样的习惯.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人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.
二、实体建模
实体建模的概念尽管一早在20世纪60年代就已提出,但到20世纪70年代才出现简单且有一定实用意义的实体建模系统.到20世纪70年代后期,实体建模技术在理论,算法和应用方面才比较成熟.使用实体建模的方法对人体建模时,由于它增加了三维人体的实心部分表达,使其信息更加完备,从而使得三维人体得到无二义性描述.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,因此它可以支持对表达人体的消隐,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:
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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,并且由于体素间的集合运算涉及大量面与面之间的交贯运算,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棵二叉树描述.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
多面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
曲面模型是CAD和计算机图形学最活跃,最关键的学科分支之一.它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,建模显示等,二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.1971年法国Renault汽车公司的Bezier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Bezier曲面模型,但是Bezier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Bezier方法局部修改的问题,Gordon和Riesenfeld对Bezier方法进行了改进,用B样条函数代替Bernstein基函数,B样条方法不但继承了Bezier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,
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