虛擬人技術(shù)及應(yīng)用

前言

隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)的蓬勃發(fā)展，人們?cè)絹?lái)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(duì)人類(lèi)特性進(jìn)行仿真。為了研究人機(jī)工程學(xué)的問(wèn)題，飛機(jī)和汽車(chē)制造商們于20世紀(jì)70年代創(chuàng)建了第一個(gè)計(jì)算機(jī)化的人體模型。該模型是非常簡(jiǎn)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(jì)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(gè)成果是1982年前信息國(guó)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(méi)有面部動(dòng)畫(huà)，他的身體運(yùn)動(dòng)通過(guò)旋轉(zhuǎn)觀察（rotoscopy）來(lái)記錄。同時(shí)，1991年啟動(dòng)的美國(guó)可視入計(jì)劃也掀起醫(yī)學(xué)及其相關(guān)領(lǐng)域?qū)θ祟?lèi)特性數(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(huì)議、交互、監(jiān)控、虛擬環(huán)境、游戲、訓(xùn)練、教育、產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(dòng)畫(huà)研究中的一個(gè)新方向。在與環(huán)境和諧相處的過(guò)程中，人們?cè)絹?lái)越重視人類(lèi)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(wèn)題時(shí)，有許多內(nèi)容都涉及人類(lèi)自身的應(yīng)用研究。使用傳統(tǒng)方法解決這些問(wèn)題，不僅要花費(fèi)巨額資金，而且可能會(huì)出現(xiàn)人員傷亡。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，使得人與計(jì)算機(jī)的深層次交互成為可能。隨著計(jì)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(jì)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(duì)象，它可以彌補(bǔ)設(shè)計(jì)領(lǐng)域在實(shí)體表達(dá)、場(chǎng)景布置與動(dòng)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(lái)的各種危險(xiǎn)，打破時(shí)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(jì)、建筑設(shè)計(jì)、航天航空模型設(shè)計(jì)、娛樂(lè)游戲設(shè)計(jì)、體育仿真器材設(shè)計(jì)、軍事訓(xùn)練等諸多領(lǐng)域，同時(shí)還可以廣泛應(yīng)用于人機(jī)交互、運(yùn)動(dòng)表示、入機(jī)工程、數(shù)字圖書(shū)館等領(lǐng)域?？傊?，隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與計(jì)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(wèn)題提供了新方法、新途徑。本書(shū)是一本論述虛擬人技術(shù)理論及應(yīng)用的專(zhuān)著，是作者多年來(lái)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(shū)既是對(duì)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(shū)對(duì)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(duì)虛擬人概念，應(yīng)用領(lǐng)域及分類(lèi)方法，以及各個(gè)層次的虛擬人技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)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(dòng)的虛擬人皮膚網(wǎng)格變形動(dòng)畫(huà)技術(shù)：對(duì)角色皮膚變形動(dòng)畫(huà)技術(shù)進(jìn)行了討論，著重介紹了骨骼混合算法，通過(guò)對(duì)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(dòng)建模技術(shù)：圍繞人體運(yùn)動(dòng)建模技術(shù)展開(kāi)論述，探討了關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)約束機(jī)制及基于逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)的動(dòng)作操縱技術(shù)，在人機(jī)動(dòng)畫(huà)生成方面，探討了關(guān)鍵幀下運(yùn)動(dòng)捕獲數(shù)據(jù)在不同骨骼結(jié)構(gòu)之間的運(yùn)動(dòng)重定向問(wèn)題。

內(nèi)容概要

本書(shū)論述了虛擬人技術(shù)的理論及應(yīng)用，是作者多年來(lái)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(shū)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(dòng)畫(huà)技術(shù)、虛擬人運(yùn)動(dòng)建模技術(shù)、虛擬人體運(yùn)動(dòng)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(gè)體的群體文化活動(dòng)復(fù)原等內(nèi)容。    本書(shū)適用于計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)、新媒體藝術(shù)、游戲與娛樂(lè)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、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(jí)本科生等。

作者簡(jiǎn)介

孫守遷，教授、博士生導(dǎo)師，浙江大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院院長(zhǎng)助理、浙江大學(xué)現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計(jì)研究所所長(zhǎng)，荷蘭DELFT uniVersity of TechnoIogy高級(jí)訪問(wèn)學(xué)者，入選浙江省新世紀(jì)1 51人才工程。研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)與概念設(shè)計(jì)、虛擬人技術(shù)及應(yīng)用、應(yīng)用人機(jī)工程與設(shè)計(jì)等。承擔(dān)國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家863計(jì)劃、國(guó)家計(jì)委高科技產(chǎn)業(yè)計(jì)劃子課題等項(xiàng)目10余項(xiàng)，獲省部級(jí)、國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)、中國(guó)設(shè)計(jì)貢獻(xiàn)獎(jiǎng)等多項(xiàng)獎(jiǎng)勵(lì)。吳群，助理研究員，浙江大學(xué)計(jì)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(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家支撐計(jì)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(jì)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(guó)家973計(jì)劃子課題、國(guó)家支撐計(jì)劃子課題、浙江省重大科技項(xiàng)目等多項(xiàng)課題。

書(shū)籍目錄

第1章  概述  1.1  引言  1.2  應(yīng)用領(lǐng)域與分類(lèi)  1.3  研究?jī)?nèi)容    1.3.1  虛擬人體建模    1.3.2  虛擬人運(yùn)動(dòng)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(jì)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(cè)量與特征參數(shù)    2.2.1  人體形態(tài)測(cè)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(cè)量平面的定義    2.3.2  長(zhǎng)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(zhǎng)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(dòng)的虛擬人皮膚網(wǎng)格變形動(dòng)畫(huà)技術(shù)  3.1  相關(guān)工作    3.1.1  頂點(diǎn)動(dòng)畫(huà)    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(dòng)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(shí)皮膚網(wǎng)格頂點(diǎn)的軸心校正  3.3  插值預(yù)計(jì)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(dòng)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(dòng)建模技術(shù)  4.1  基于運(yùn)動(dòng)學(xué)的建模技術(shù)  4.2  基于動(dòng)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(dòng)建模    4.4.1  基于逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)的人體運(yùn)動(dòng)控制    4.4.2  基于運(yùn)動(dòng)捕獲數(shù)據(jù)的運(yùn)動(dòng)重定向  附錄A  MATCHINFO文件說(shuō)明  附錄B  HTR文件說(shuō)明  參考文獻(xiàn)第5章  基于運(yùn)動(dòng)編輯的虛擬人體運(yùn)動(dòng)合成  5.1  運(yùn)動(dòng)編輯    5.1.1  運(yùn)動(dòng)編輯的概念、必要性與難點(diǎn)    5.1.2  運(yùn)動(dòng)編輯技術(shù)的研究現(xiàn)狀  5.2  運(yùn)動(dòng)編輯的基本操作    5.2.1  人體運(yùn)動(dòng)的表示    5.2.2  運(yùn)動(dòng)連接    5.2.3  運(yùn)動(dòng)混合    5.2.4  運(yùn)動(dòng)位移映射    5.2.5  運(yùn)動(dòng)信號(hào)處理    5.2.6  運(yùn)動(dòng)重定向  5.3  運(yùn)動(dòng)路徑編輯    5.3.1  運(yùn)動(dòng)路徑抽象    5.3.2  利用多層次B樣條提取原始運(yùn)動(dòng)路徑    5.3.3  運(yùn)動(dòng)路徑編輯  5.4  從運(yùn)動(dòng)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(dòng)捕捉數(shù)據(jù)中提取關(guān)鍵幀    5.4.3  重建動(dòng)畫(huà)    5.4.4  實(shí)驗(yàn)結(jié)果  5.5  運(yùn)動(dòng)編輯系統(tǒng)Eidolon的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)    5.5.1  Eidolon的體系結(jié)構(gòu)    5.5.2  類(lèi)層次與主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)    5.5.3  運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)文件解析    5.5.4  界面設(shè)計(jì)  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(dòng)表示    6.2.1  步態(tài)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析    6.2.2  運(yùn)動(dòng)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(dòng)生成    6.3.1  運(yùn)動(dòng)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(lèi)    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(dòng)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(cè)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(píng)價(jià)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(cè)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(cè)模型    7.4.3  動(dòng)性收縮狀態(tài)下的肌肉力預(yù)測(cè)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(jì)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(dòng)慣量對(duì)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(cè)模型組成  參考文獻(xiàn)第8章  基于智能個(gè)體的群體文化活動(dòng)復(fù)原  8.1  概述  8.2  智能個(gè)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(dòng)重建實(shí)例  參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：②運(yùn)動(dòng)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(dòng)情感賦予。例如，M.unuma等人通過(guò)對(duì)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行FOUl·ier級(jí)數(shù)展開(kāi)和抽取性情參數(shù)，提出了用情緒控制運(yùn)動(dòng)角色的方法。K.A：maya利用信號(hào)處理的方法，基于已知運(yùn)動(dòng)實(shí)例建立“情感轉(zhuǎn)移式”，進(jìn)而應(yīng)用于其他運(yùn)動(dòng)中，產(chǎn)生帶有情感的運(yùn)動(dòng)。④行為規(guī)劃。虛擬人可以根據(jù)環(huán)境的變化而對(duì)自己的運(yùn)動(dòng)做適當(dāng)?shù)闹悄芴幚?，比如可以從眾多運(yùn)動(dòng)片斷中自動(dòng)提取出有效運(yùn)動(dòng)，然后自動(dòng)合成新的運(yùn)動(dòng)。高層運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的實(shí)現(xiàn)往往需要一個(gè)設(shè)計(jì)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(dòng)模型，每個(gè)運(yùn)動(dòng)片段可以在轉(zhuǎn)換到其他節(jié)點(diǎn)時(shí)觸發(fā)、修改或停止。這對(duì)于實(shí)現(xiàn)一些自主行為與交互式虛擬人運(yùn)動(dòng)是非常關(guān)鍵的。Rose也提出了一種類(lèi)似的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換圖（VerbGraph），實(shí)現(xiàn)不同人體動(dòng)作與行為之間的跳轉(zhuǎn)，生成逼真的人體動(dòng)畫(huà)。在虛擬人的角色動(dòng)畫(huà)合成方面，我們開(kāi)展了一系列的研究工作，主要分為如下4個(gè)方面：（1）在虛擬人的真實(shí)感人體動(dòng)畫(huà)合成方面，本書(shū)第3章介紹了基于骨架驅(qū)動(dòng)的虛擬人皮膚網(wǎng)格變形動(dòng)畫(huà)技術(shù)，該技術(shù)通過(guò)使用改進(jìn)的骨骼皮膚混合算法，來(lái)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(duì)于復(fù)雜人體運(yùn)動(dòng)仍然非常自然的三維人體動(dòng)畫(huà)。（2）在虛擬人的運(yùn)動(dòng)建模方面，本書(shū)在第4章中，首先概述了基于運(yùn)動(dòng)學(xué)的建模技術(shù)、基于動(dòng)力學(xué)的建模技術(shù)、基于物理的建模技術(shù)這三類(lèi)方法；然后提出了面向人機(jī)工程仿真的人體運(yùn)動(dòng)建模方法，該方法由基于逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)的人體運(yùn)動(dòng)控制和基于運(yùn)動(dòng)捕獲數(shù)據(jù)的運(yùn)動(dòng)重定向方法兩個(gè)部分所構(gòu)成。（3）在虛擬人的運(yùn)動(dòng)編輯方面，本書(shū)第5章中詳細(xì)介紹了運(yùn)動(dòng)編輯的基本概念、運(yùn)動(dòng)編輯的基本操作、基于多層次B樣條的運(yùn)動(dòng)路徑編輯方法、從運(yùn)動(dòng)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(dòng)編輯系統(tǒng)Eidolon軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。（4）在虛擬人的高層次運(yùn)動(dòng)合成方面，本書(shū)第6章介紹了虛擬人步態(tài)模型的研究方法與主要研究?jī)?nèi)容。主要有步態(tài)的運(yùn)動(dòng)表示、步態(tài)的運(yùn)動(dòng)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。

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    虛擬人技術(shù)及應(yīng)用 PDF格式下載

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