虛擬人的運動生成及控制技術研究.pdf

1、受虛擬現實技術飛速發(fā)展的驅動和客觀應用需求的牽引，虛擬人技術逐漸成為虛擬現實技術的一個重要分支，已經越來越受到人們的重視。對這一前沿性問題的研究已形成新的研究熱點。 虛擬人是人在計算機生成空間中幾何特性與行為特性的逼真表示。虛擬人技術是研究適人化虛擬空間、高度逼真感與沉浸感虛擬環(huán)境的重要研究內容，它在為人們解決安全與健康、教育與娛樂以及產品設計等許多重大實際問題時，提供了新方法和新途徑。 虛擬人的運動生成及控制是虛擬人技

2、術的重要研究方向。本論文對虛擬人的骨骼結構表達、肢體的運動生成及控制等一系列問題進行了系統、深入地研究，取得的創(chuàng)新性成果主要有： 1.提出了一種能夠廣泛表現人類基本運動的最小人體模型。論文通過合理地簡化與假設，只保留了最能體現人類運動低頻特性的關鍵關節(jié)和運動自由度，提出了一種16關節(jié)、39自由度的虛擬人簡化模型。仿真結果表明，該模型在保證虛擬人運動逼真性的前提下，不僅有效降低了研究工作的復雜性、提高了虛擬人運動仿真的實時性，而且

3、使得在PC平臺上研究虛擬人的運動生成及控制技術成為可能。 2.提出了一種基于多剛體系統模型的虛擬人骨骼結構的建模方法。論文首先將虛擬人抽象成為一個各肢體間通過機械轉動鉸相連的多剛體系統，然后引入樹模型與低序體陣列來表達虛擬人的骨骼結構。與傳統的DH表示方法相比，本文方法具備以下優(yōu)點：(1).能夠自然地表現虛擬人的復雜分支結構；(2).能夠很容易地實現對最小人體模型的任意精度擴展。 3.提出了一種基于Bezier樣條曲線的

4、虛擬人運動軌跡的構造方法。論文采用Bezier樣條曲線構造人體重心及擺動腿腳部的運動軌跡。與基于三角函數擬合的方法相比，本文方法具有更強的復雜空間運動軌跡的表達能力及運動曲線的交互控制能力；同時也比Hermite樣條曲線具備更直觀的運動軌跡構造與調整能力。 4.提出了一種基于限時梯度投影的虛擬人行走運動的生成方法。論文將虛擬人的逆向運動學求解問題轉變?yōu)橐粋€約束非線性規(guī)劃問題，通過動態(tài)調整每幀的規(guī)劃時間，可同時達到非線性函數局部線

5、性化和限時求解的雙重目的。與傳統Jacobian矩陣廣義逆的求解方法相比，本文方法可避免求解過程中的多值問題與奇異性問題；與變尺度法和共軛梯度法相比，本文方法可保證線性收斂，在PC平臺上可基本達到實時效果。 5.提出了一種虛擬人的廣義行走模型及基于交互控制的行走運動生成方法。為表現虛擬人行走運動的多樣性與復雜性，論文首先提出了虛擬人廣義行走模型的概念；然后通過對虛擬人規(guī)范行走模型進行交互控制與調整，可以實時生成形態(tài)各異的虛擬人廣