虛擬人技術(shù)及應(yīng)用

前言

隨著計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)的蓬勃發(fā)展，人們越來越關(guān)注如何將人體結(jié)構(gòu)數(shù)字化，并在虛擬環(huán)境中對人類特性進(jìn)行仿真。為了研究人機(jī)工程學(xué)的問題，飛機(jī)和汽車制造商們于20世紀(jì)70年代創(chuàng)建了第一個計算機(jī)化的人體模型。該模型是非常簡單的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，由最基本的平面、柱面、橢圓面和球面表示，這是設(shè)計領(lǐng)域數(shù)字人研究的起點(diǎn)。藝術(shù)領(lǐng)域數(shù)字人研究的第一個成果是1982年前信息國際公司公布的數(shù)字人——Juggler，他的外形是完全數(shù)字化的，但是沒有面部動畫，他的身體運(yùn)動通過旋轉(zhuǎn)觀察（rotoscopy）來記錄。同時，1991年啟動的美國可視入計劃也掀起醫(yī)學(xué)及其相關(guān)領(lǐng)域?qū)θ祟愄匦詳?shù)字化表示的高潮。隨著虛擬人技術(shù)的目益成熟，虛擬人已被廣泛應(yīng)用于工程、虛擬會議、交互、監(jiān)控、虛擬環(huán)境、游戲、訓(xùn)練、教育、產(chǎn)品設(shè)計與維護(hù)等領(lǐng)域。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的快速發(fā)展，在虛擬環(huán)境中建立理想、綜合的虛擬人，已經(jīng)逐漸成為人體動畫研究中的一個新方向。在與環(huán)境和諧相處的過程中，人們越來越重視人類自身的生命安全與資源的節(jié)約。在解決許多重大實(shí)際問題時，有許多內(nèi)容都涉及人類自身的應(yīng)用研究。使用傳統(tǒng)方法解決這些問題，不僅要花費(fèi)巨額資金，而且可能會出現(xiàn)人員傷亡。隨著計算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，使得人與計算機(jī)的深層次交互成為可能。隨著計算機(jī)圖形圖像技術(shù)的不斷成熟，具有浸入性、交互性和多感知性的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在設(shè)計領(lǐng)域的應(yīng)用極為廣泛，而在三維環(huán)境下創(chuàng)作的虛擬人作為虛擬環(huán)境中的表演主體，能夠感知和操作虛擬世界中的各種對象，它可以彌補(bǔ)設(shè)計領(lǐng)域在實(shí)體表達(dá)、場景布置與動作模擬等方面的不足，避免真實(shí)實(shí)驗(yàn)或操作演練帶來的各種危險，打破時間和空間的限制，用虛擬人體真實(shí)且藝術(shù)的形象，人們可以更恰當(dāng)?shù)貙⑻摂M現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于環(huán)境設(shè)計、建筑設(shè)計、航天航空模型設(shè)計、娛樂游戲設(shè)計、體育仿真器材設(shè)計、軍事訓(xùn)練等諸多領(lǐng)域，同時還可以廣泛應(yīng)用于人機(jī)交互、運(yùn)動表示、入機(jī)工程、數(shù)字圖書館等領(lǐng)域。總之，隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與計算機(jī)圖形圖像技術(shù)的不斷發(fā)展，虛擬人的深入研究為解決這些問題提供了新方法、新途徑。本書是一本論述虛擬人技術(shù)理論及應(yīng)用的專著，是作者多年來從事虛擬人技術(shù)及應(yīng)用教學(xué)和研究成果的結(jié)晶。本書既是對作者多年研究工作的總結(jié)，也希望為后續(xù)相關(guān)研究起到拋磚引玉的作用。本書對虛擬人相關(guān)技術(shù)及相關(guān)應(yīng)用做了全面的闡述，章節(jié)內(nèi)容如下：1.概述：對虛擬人概念，應(yīng)用領(lǐng)域及分類方法，以及各個層次的虛擬人技術(shù)進(jìn)行簡單梳理。2.參數(shù)化虛擬人體建模技術(shù)：闡述了參數(shù)化虛擬人體建模的基本原理、方法，并介紹了作者以此工作為基礎(chǔ)創(chuàng)建的服裝仿真系統(tǒng)。3.基于骨架驅(qū)動的虛擬人皮膚網(wǎng)格變形動畫技術(shù)：對角色皮膚變形動畫技術(shù)進(jìn)行了討論，著重介紹了骨骼混合算法，通過對骨骼混合進(jìn)行改進(jìn)，有效提高了角色骨架關(guān)節(jié)部位的皮膚網(wǎng)格變形質(zhì)量。4.虛擬人運(yùn)動建模技術(shù)：圍繞人體運(yùn)動建模技術(shù)展開論述，探討了關(guān)節(jié)運(yùn)動約束機(jī)制及基于逆向運(yùn)動學(xué)的動作操縱技術(shù)，在人機(jī)動畫生成方面，探討了關(guān)鍵幀下運(yùn)動捕獲數(shù)據(jù)在不同骨骼結(jié)構(gòu)之間的運(yùn)動重定向問題。

內(nèi)容概要

本書論述了虛擬人技術(shù)的理論及應(yīng)用，是作者多年來從事虛擬人技術(shù)理論及應(yīng)用教學(xué)和研究成果的結(jié)晶。全書共分8章，第1章系統(tǒng)介紹了虛擬人相關(guān)技術(shù)及應(yīng)用領(lǐng)域，第2—8章分別介紹了參數(shù)化虛擬人體建模、角色皮膚變形動畫技術(shù)、虛擬人運(yùn)動建模技術(shù)、虛擬人體運(yùn)動合成技術(shù)、虛擬人步態(tài)模型研究、面向人機(jī)工程的虛擬人生物力學(xué)模型以及基于智能個體的群體文化活動復(fù)原等內(nèi)容。    本書適用于計算機(jī)動畫、新媒體藝術(shù)、游戲與娛樂、產(chǎn)品設(shè)計、人機(jī)工程學(xué)、非物質(zhì)文化遺產(chǎn)保護(hù)以及體育仿真等應(yīng)用領(lǐng)域的從業(yè)人員，包括研究人員、教師、研究生以及高年級本科生等。

作者簡介

孫守遷，教授、博士生導(dǎo)師，浙江大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院院長助理、浙江大學(xué)現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計研究所所長，荷蘭DELFT uniVersity of TechnoIogy高級訪問學(xué)者，入選浙江省新世紀(jì)1 51人才工程。研究方向?yàn)橛嬎銠C(jī)輔助工業(yè)設(shè)計與概念設(shè)計、虛擬人技術(shù)及應(yīng)用、應(yīng)用人機(jī)工程與設(shè)計等。承擔(dān)國家自然科學(xué)基金、國家863計劃、國家計委高科技產(chǎn)業(yè)計劃子課題等項(xiàng)目10余項(xiàng)，獲省部級、國家科技進(jìn)步獎、中國設(shè)計貢獻(xiàn)獎等多項(xiàng)獎勵。吳群，助理研究員，浙江大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院博士后，研究方向?yàn)樘摂M人技術(shù)及應(yīng)用.人機(jī)工程等。承擔(dān)或參與國家自然科學(xué)基金、國家支撐計劃子課題、浙江省科技廳優(yōu)先主題重點(diǎn)工業(yè)項(xiàng)目等多項(xiàng)課題。吳劍鋒，浙江大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院博士后，研究方向?yàn)樘摂M人技術(shù)及應(yīng)用、人機(jī)工程等。承擔(dān)或參與國家973計劃子課題、國家支撐計劃子課題、浙江省重大科技項(xiàng)目等多項(xiàng)課題。

書籍目錄

第1章  概述  1.1  引言  1.2  應(yīng)用領(lǐng)域與分類  1.3  研究內(nèi)容    1.3.1  虛擬人體建模    1.3.2  虛擬人運(yùn)動控制技術(shù)    1.3.3  虛擬人群仿真    1.3.4  虛擬感知與情感計算  1.4  小結(jié)  參考文獻(xiàn)第2章  參數(shù)化虛擬人體建模技術(shù)  2.1  空間幾何變形技術(shù)  2.2  人體測量與特征參數(shù)    2.2.1  人體形態(tài)測量    2.2.2  建模特征參數(shù)選擇  2.3  模板的選取與參數(shù)化    2.3.1  測量平面的定義    2.3.2  長度信息的提取    2.3.3  圍度信息的提取  2.4  基本變形建?？刂品椒?   2.4.1  軸變形原理    2.4.2  增加徑向控制的擴(kuò)展軸變形  2.5  控制體的構(gòu)造與變形建模    2.5.1  長度變形控制    2.5.2  圍度變形控制    2.5.3  變形建模  2.6  變形網(wǎng)格自適應(yīng)細(xì)分  2.7  實(shí)驗(yàn)結(jié)果  參考文獻(xiàn)第3章  基于骨架驅(qū)動的虛擬人皮膚網(wǎng)格變形動畫技術(shù)  3.1  相關(guān)工作    3.1.1  頂點(diǎn)動畫    3.1.2  骨架子空間變形技術(shù)    3.1.3  結(jié)合姿態(tài)空間的變形優(yōu)化    3.1.4  嵌入輔助關(guān)節(jié)的骨架子空間變形    3.1.5  引入FFD中間體的變形方法    3.1.6  變換矩陣混合技術(shù)    3.1.7  骨骼混合算法  3.2  改進(jìn)的骨骼混合算法    3.2.1  四元數(shù)與單位四元數(shù)插值    3.2.2  角色骨架結(jié)構(gòu)與運(yùn)動表示    3.2.3  基于旋轉(zhuǎn)四元數(shù)球面線性插值的骨骼混合算法    3.2.4  運(yùn)行時皮膚網(wǎng)格頂點(diǎn)的軸心校正  3.3  插值預(yù)計算性能優(yōu)化    3.3.1  單位四元數(shù)量化索引表的生成    3.3.2  構(gòu)造單位四元數(shù)插值表    3.3.3  單位球剖分與算法驗(yàn)證    3.3.4  數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)運(yùn)算的進(jìn)一步優(yōu)化  3.4  皮膚網(wǎng)格頂點(diǎn)法向量的動態(tài)更新  3.5  實(shí)驗(yàn)結(jié)果  參考文獻(xiàn)第4章  虛擬人運(yùn)動建模技術(shù)  4.1  基于運(yùn)動學(xué)的建模技術(shù)  4.2  基于動力學(xué)的建模技術(shù)  4.3  基于物理的建模技術(shù)  4.4  面向人機(jī)工程仿真的人體運(yùn)動建模    4.4.1  基于逆向運(yùn)動學(xué)的人體運(yùn)動控制    4.4.2  基于運(yùn)動捕獲數(shù)據(jù)的運(yùn)動重定向  附錄A  MATCHINFO文件說明  附錄B  HTR文件說明  參考文獻(xiàn)第5章  基于運(yùn)動編輯的虛擬人體運(yùn)動合成  5.1  運(yùn)動編輯    5.1.1  運(yùn)動編輯的概念、必要性與難點(diǎn)    5.1.2  運(yùn)動編輯技術(shù)的研究現(xiàn)狀  5.2  運(yùn)動編輯的基本操作    5.2.1  人體運(yùn)動的表示    5.2.2  運(yùn)動連接    5.2.3  運(yùn)動混合    5.2.4  運(yùn)動位移映射    5.2.5  運(yùn)動信號處理    5.2.6  運(yùn)動重定向  5.3  運(yùn)動路徑編輯    5.3.1  運(yùn)動路徑抽象    5.3.2  利用多層次B樣條提取原始運(yùn)動路徑    5.3.3  運(yùn)動路徑編輯  5.4  從運(yùn)動捕捉數(shù)據(jù)中提取關(guān)鍵幀    5.4.1  四元數(shù)之間的距離    5.4.2  從運(yùn)動捕捉數(shù)據(jù)中提取關(guān)鍵幀    5.4.3  重建動畫    5.4.4  實(shí)驗(yàn)結(jié)果  5.5  運(yùn)動編輯系統(tǒng)Eidolon的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)    5.5.1  Eidolon的體系結(jié)構(gòu)    5.5.2  類層次與主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)    5.5.3  運(yùn)動數(shù)據(jù)文件解析    5.5.4  界面設(shè)計  附錄A  四元數(shù)及其運(yùn)算  附錄B  Ca13D  參考文獻(xiàn)第6章  虛擬人步態(tài)模型研究  6.1  概述    6.1.1  步態(tài)研究的概念和難點(diǎn)    6.1.2  步態(tài)研究的技術(shù)現(xiàn)狀  6.2  步態(tài)的運(yùn)動表示    6.2.1  步態(tài)運(yùn)動學(xué)分析    6.2.2  運(yùn)動數(shù)據(jù)表示方法    6.2.3  基于矢狀面仰角的步態(tài)數(shù)據(jù)表示    6.2.4  基于矢狀面仰角的步態(tài)周期圖譜    6.2.5  步態(tài)模型的基本思想  6.3  步態(tài)的運(yùn)動生成    6.3.1  運(yùn)動學(xué)模型    6.3.2  步態(tài)數(shù)據(jù)集    6.3.3  矢狀面仰角約束    6.3.4  矢狀面仰角到關(guān)節(jié)角的映射機(jī)制  6.4  步態(tài)參數(shù)控制    6.4.1  步態(tài)參數(shù)分類    6.4.2  高層參數(shù)與底層參數(shù)    6.4.3  高層控制參數(shù)    6.4.4  底層驅(qū)動參數(shù)  6.5  面向服裝展示的虛擬人步態(tài)模型研究    6.5.1  虛擬人的步態(tài)模型驗(yàn)證模塊    6.5.2  系統(tǒng)構(gòu)建  參考文獻(xiàn)第7章  面向人機(jī)工程的虛擬人生物力學(xué)模型  7.1  面向人機(jī)工程仿真分析的人體生物力學(xué)模型    7.1.1  面向人體測量學(xué)應(yīng)用的模型    7.1.2  用于碰撞實(shí)驗(yàn)的模型    7.1.3  面向人機(jī)工程分析評價的人體生物力學(xué)模型  7.2  基于生物力學(xué)的人體幾何建模    7.2.1  人體骨骼模型的層次結(jié)構(gòu)及幾何表示    7.2.2  肌肉幾何建模    7.2.3  模型應(yīng)用  7.3  基于生物力學(xué)的虛擬人體外力模型    7.3.1  建立外力模型的先決條件    7.3.2  外力模型求解方法    7.3.3  結(jié)果分析  7.4  基于生物力學(xué)的虛擬人體肌肉力預(yù)測模型    7.4.1  基于Hm的肌肉三元素模型    7.4.2  靜性收縮狀態(tài)下的肌肉力預(yù)測模型    7.4.3  動性收縮狀態(tài)下的肌肉力預(yù)測模型    7.4.4  實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證  7.5  模型驗(yàn)證    7.5.1  原型系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)    7.5.2  實(shí)例分析  附錄A  人體主要骨骼肌拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)  附錄B  質(zhì)量、質(zhì)心、轉(zhuǎn)動慣量對體重、身高的二元回歸方程系數(shù)表  附錄C  人體主要骨骼的力學(xué)特性  附錄D  肌肉生理橫截面面積(PCSA)  附錄E  上肢及肩部肌肉力預(yù)測模型組成  參考文獻(xiàn)第8章  基于智能個體的群體文化活動復(fù)原  8.1  概述  8.2  智能個體    8.2.1  智能行為決策    8.2.2  感知建模    8.2.3  行為規(guī)劃與實(shí)現(xiàn)    8.2.4  隨機(jī)行為  8.3  基于自主交互的群體文化活動重建實(shí)例  參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：②運(yùn)動風(fēng)格改變。比如，可以將普通人的行走步態(tài)更改為模特兒的行走步態(tài)。③運(yùn)動情感賦予。例如，M.unuma等人通過對運(yùn)動數(shù)據(jù)進(jìn)行FOUl·ier級數(shù)展開和抽取性情參數(shù)，提出了用情緒控制運(yùn)動角色的方法。K.A：maya利用信號處理的方法，基于已知運(yùn)動實(shí)例建立“情感轉(zhuǎn)移式”，進(jìn)而應(yīng)用于其他運(yùn)動中，產(chǎn)生帶有情感的運(yùn)動。④行為規(guī)劃。虛擬人可以根據(jù)環(huán)境的變化而對自己的運(yùn)動做適當(dāng)?shù)闹悄芴幚?，比如可以從眾多運(yùn)動片斷中自動提取出有效運(yùn)動，然后自動合成新的運(yùn)動。高層運(yùn)動控制技術(shù)的實(shí)現(xiàn)往往需要一個設(shè)計良好的體系結(jié)構(gòu)的支持：Badler提出一種稱為并行傳輸網(wǎng)絡(luò)（Parallel Transition NetWOI’ks）的方法。其采用基于條件的并行組織結(jié)構(gòu)和非線性的運(yùn)動模型，每個運(yùn)動片段可以在轉(zhuǎn)換到其他節(jié)點(diǎn)時觸發(fā)、修改或停止。這對于實(shí)現(xiàn)一些自主行為與交互式虛擬人運(yùn)動是非常關(guān)鍵的。Rose也提出了一種類似的運(yùn)動轉(zhuǎn)換圖（VerbGraph），實(shí)現(xiàn)不同人體動作與行為之間的跳轉(zhuǎn)，生成逼真的人體動畫。在虛擬人的角色動畫合成方面，我們開展了一系列的研究工作，主要分為如下4個方面：（1）在虛擬人的真實(shí)感人體動畫合成方面，本書第3章介紹了基于骨架驅(qū)動的虛擬人皮膚網(wǎng)格變形動畫技術(shù)，該技術(shù)通過使用改進(jìn)的骨骼皮膚混合算法，來克服以往方法中經(jīng)常出現(xiàn)的皮膚打結(jié)現(xiàn)象，從而得到了對于復(fù)雜人體運(yùn)動仍然非常自然的三維人體動畫。（2）在虛擬人的運(yùn)動建模方面，本書在第4章中，首先概述了基于運(yùn)動學(xué)的建模技術(shù)、基于動力學(xué)的建模技術(shù)、基于物理的建模技術(shù)這三類方法；然后提出了面向人機(jī)工程仿真的人體運(yùn)動建模方法，該方法由基于逆向運(yùn)動學(xué)的人體運(yùn)動控制和基于運(yùn)動捕獲數(shù)據(jù)的運(yùn)動重定向方法兩個部分所構(gòu)成。（3）在虛擬人的運(yùn)動編輯方面，本書第5章中詳細(xì)介紹了運(yùn)動編輯的基本概念、運(yùn)動編輯的基本操作、基于多層次B樣條的運(yùn)動路徑編輯方法、從運(yùn)動捕獲數(shù)據(jù)中提取關(guān)鍵幀的算法，最后詳細(xì)介紹了運(yùn)動編輯系統(tǒng)Eidolon軟件的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)。（4）在虛擬人的高層次運(yùn)動合成方面，本書第6章介紹了虛擬人步態(tài)模型的研究方法與主要研究內(nèi)容。主要有步態(tài)的運(yùn)動表示、步態(tài)的運(yùn)動生成、步態(tài)參數(shù)控制（高層控制參數(shù)與底層控制參數(shù)）等，最后介紹了面向服裝展示的虛擬人步態(tài)模型研究。

編輯推薦

《虛擬人技術(shù)及應(yīng)用》是由高等教育出版社出版的。

圖書封面

評論、評分、閱讀與下載

---

    虛擬人技術(shù)及應(yīng)用 PDF格式下載

---