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东北石油大学硕士研究生学位论文

虚拟训练仿真中人的运动控制研究

摘

要

虚拟训练仿真是指基于虚拟现实技术的训练仿真，< /p>

是实际训练过程在计算机上的映

射。随着虚拟现实技术的日趋成熟，将虚拟 人“嵌入”虚拟训练仿真的环境中去，作为

受训人员在虚拟环境中存在的表示。这样受训 人员可以与虚拟环境中的虚拟人进行交

互，沉浸于其中，进行学习和训练。

本文分析和研究了人体模型的表示方法，

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；

把虚拟人看成一个多刚体系 统，

对各关节的自由度进行

了分析，此基础上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、

个运动自由度（均不包括手掌部分）所组成。

研究了目前常用的虚拟人骨骼结构的表示方法，

提出了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；

逆向运动学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。

在此

控制方法的基础上实现了虚拟训练仿真系统中 虚拟人的行走模型、爬梯子模型。

本文提出了虚拟训练仿真系统的最简 人手控制模型（以右手为例，它由

6

个关节、

14

个运动自由度组成）

。

并对虚拟手的拇指部分和一般手指部分分别进行了 逆运动学分

析。实现了虚拟训练仿真系统中虚拟手的简单运动模型。

关键词：

虚拟训练仿真，虚拟人，多刚体系统 ，运动控制技术，逆向运动学

II

东北石油大学硕士研究生学位论文

A Study On Motion Control

Of Virtual Human In Virtual Training Simulation System

ABSTRACT

virtual training simulation is training simulation based on virtual reality technique,which

is the computer mapping to the taining process. As the virtual technique became more and

more

mature,virtual

human

will

be

embedded

in

the

environment

of

virtual

training

simulation, as the expresstion the trainee in the environment of virtual e can

interact with virtual human in the virtual environment,immersing in it,studying and training.

The

expressing

method

of

human

body

model

are

analyzed

and

studied

in

this

paper,and selected

Keywords:

virtual

training

simulation,

virtual

human,

multi-rigid-body

system,

motion

control technology, Inverse Kinametics

III

东北石油大学硕士研究生学位论文

创新点摘要

本文主要研究的是虚拟训练仿真系统中人的运动控制，其创新点如下：

1

．

将虚拟人看成一个多刚体系统，

提出 了适用于虚拟训练仿真系统的由

15

个关节、

34

个运动自由度（均不包括手掌部分）所组成的最小人体模型。该模型只保留适于虚

拟训练仿真系统的运动自由度，

极大程度减小了运算的复杂度。

同时，提出了适 用于虚

拟训练仿真系统的由

6

个关节、

1 4

个运动自由度（一只手）所组成的最小虚拟人手模

型。

2

．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方法。将虚 拟训练仿

真系统中人的行走及爬梯子运动分为三个关键帧，

并对于任意两 个运动关键帧利用三次

Bezier

曲线进行插值生成过渡帧，

然后利用逆向运动学求解满足约束条件的下肢关节的

空间位置。

并 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、

爬梯子模型以

及虚拟手的简单运动模型，验证了本文所提出的运动控制方法的可靠性。

3

．考虑到虚拟训练仿真系统模型的复杂度高、运算量大等问题，所以本文把一个

周期的运动的必达状态尽量减少，

分解为

3

个必须达到 的关键帧状态。

实验证明，这样

做极大程度地减小了运算的复杂度，

很适于虚拟训练仿真中人的运动求解。

另外，本文

选择

Bezier

曲线控制摆动脚踝的运动轨迹。

用这种近似的方法描述关节 的运动轨迹得到

的运动效果很逼真，

实验证明，

这种描述 方法对虚拟训练仿真中人的运动控制是非常有

效的。

IV

东北石油大学硕士研究生学位论文

目

录

学位论文独创性声明

.

....... .................................................. ....................

错误！未定义书签。

学位论文使用授权声明

.

...... .................................................. .................

错误！未定义书签。

摘

要

.

............................................... .................................................. ................................... II

ABSTRACT

....................... .................................................. .................................................. .. III

创新点摘要

.

........................................... .................................................. ................................

I

V

前

言

.

................... .................................................. .................................................. ................ 1

第一章

虚拟人物的模型的建立

.

...................................... .................................................. ..... 3

1.1

虚拟人的几何建模

.................... .................................................. ..............................................

3

1.1.1

几何建模方法概述

[64]

.

........................................... .................................................. .........

3

结

论

.

................... .................................................. .................................................. .............. 7

参考文献

.

................................... .................................................. .............................................. 8

发表文章目录

.

............................................... .................................................. .......................... 9

致

谢

.

............................................... .................................................. .................................. 10

下页为正文

东北石油大学硕士研究生学位论文

前

言

虚拟训练仿真是指基于虚拟现实技术的训练仿真，

是实际训练过程在计算机上的映

射。

本系统正是结合了三维虚拟人技术，

对虚拟训练仿真系统 中人的几何特性及行为特

性加以分析，

进而将虚拟人作为人的化身加入到 了虚拟训练的环境中去，

为用户提供一

个逼真的三维虚拟空间，

使得用户在计算机提供的虚拟环境中熟练掌握某一装置或某一

系统的操作使用方法 。

随着虚拟现实技术的日趋成熟，

人们已经不满足于只 有景物、

建筑物等地理视景信

息的虚拟环境

(Virtu al

Environment)

的构建，迫切要求在虚拟环境中加入虚拟人来 作为

人的化身。虚拟人（

virtual human

或

computer synthesized charac ters

）是人在计算机生

成空间（虚拟环境）中的几何特性与行为特性 的表示

[1]

。目前，虚拟人技术已经日益广

< br>泛地渗透到人们的日常生活当中。

在影视娱乐、

动画节目、新闻广告以及电 子游戏等领

域，人们都可以找到虚拟人技术的身影。

除此以外，虚拟人技 术在关系国计民生的重大

领域，如军事、医疗、产品设计与制造等，也将发挥越来越重要 的作用。

近年来，

虚拟人技术一直是计算机领域中比较 活跃的研究课题，

出现了大量的研究

成果，同时也出现了几个比较著名的 研究团队。

如：美国宾夕法尼亚大学人体仿真与建

模中心

(Center for Human Modeling and Simulation)

，

在

Badler < /p>

的领导下，

研究包括参数

化的关键帧技术在基于关节虚拟人 的模型中的应用、

逆运动学的应用、

人体的平衡研究、

脊 骨的建模、行走模型的建立、

运动捕获的研究、人体的冲突检测和纠正以及智能运动

规划问题

[1][3]

。为

NASA

开发了用于人机工程测试的

JACK

系统，提供了多种运动交

互控制手段，如：人体平衡、运动约束、碰撞检 测以及路径规划和任务级规划的研究等

[7-10]

。近期他们 提出了用自然语言控制虚拟人运动的方法——动作参数化表示法

(PAR

Parameterized

Action

Repr esentation)

[11]

。国内学者开展虚拟人技术的 研究起步较晚，目

前也取得了一定的工作成果。

北京航空航天大学的袁修 干进行了人机工程仿真中人体运

动的模拟

[39][40]

。哈尔滨工业大学的洪熔炳和天津民航学院的贺怀清进行了实时人体运

动控制的研究，

并将路径规划算法用于虚拟人运动控制

[41-45]

。

中国科学院的王兆其进行

了人体交互行为的研 究，

他所在的中国科学院计算技术研究所数字化技术研究室开发的

JointMotion

系统，使用一个传感器与一只数据手套，来确 定一只手的肩关节、肘关节、

腕关节以及各手指的状态，同时提供了一个基于

VRML

的虚拟人显示工具。在

JointMotion

系统的基础上，他们开发了中国聋人手语运动 合成系统

[3]

。

本 课题主要研究虚拟训练仿真系统中人的运动控制。

从虚拟人的几何建模、

运动建< /p>

模入手，

分析了虚拟人的运动控制方法，

并采用参数化关键 帧法与反向运动学相结合的

运动控制方法，在此基础上实现了虚拟训练仿真系统中人的行 走、

爬行等动作，并且采

用了精简的虚拟人手的运动模型，

实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

1

前

言

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

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

< br>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< /p>

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。

2