虛擬人的運(yùn)動(dòng)生成及控制技術(shù)研究.pdf

1、受虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)飛速發(fā)展的驅(qū)動(dòng)和客觀應(yīng)用需求的牽引，虛擬人技術(shù)逐漸成為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的一個(gè)重要分支，已經(jīng)越來(lái)越受到人們的重視。對(duì)這一前沿性問(wèn)題的研究已形成新的研究熱點(diǎn)。 虛擬人是人在計(jì)算機(jī)生成空間中幾何特性與行為特性的逼真表示。虛擬人技術(shù)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?jī)?nèi)容，它在為人們解決安全與健康、教育與娛樂(lè)以及產(chǎn)品設(shè)計(jì)等許多重大實(shí)際問(wèn)題時(shí)，提供了新方法和新途徑。 虛擬人的運(yùn)動(dòng)生成及控制是虛擬人技

2、術(shù)的重要研究方向。本論文對(duì)虛擬人的骨骼結(jié)構(gòu)表達(dá)、肢體的運(yùn)動(dòng)生成及控制等一系列問(wèn)題進(jìn)行了系統(tǒng)、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(xiàn)人類(lèi)基本運(yùn)動(dòng)的最小人體模型。論文通過(guò)合理地簡(jiǎn)化與假設(shè)，只保留了最能體現(xiàn)人類(lèi)運(yùn)動(dòng)低頻特性的關(guān)鍵關(guān)節(jié)和運(yùn)動(dòng)自由度，提出了一種16關(guān)節(jié)、39自由度的虛擬人簡(jiǎn)化模型。仿真結(jié)果表明，該模型在保證虛擬人運(yùn)動(dòng)逼真性的前提下，不僅有效降低了研究工作的復(fù)雜性、提高了虛擬人運(yùn)動(dòng)仿真的實(shí)時(shí)性，而且

3、使得在PC平臺(tái)上研究虛擬人的運(yùn)動(dòng)生成及控制技術(shù)成為可能。 2.提出了一種基于多剛體系統(tǒng)模型的虛擬人骨骼結(jié)構(gòu)的建模方法。論文首先將虛擬人抽象成為一個(gè)各肢體間通過(guò)機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)鉸相連的多剛體系統(tǒng)，然后引入樹(shù)模型與低序體陣列來(lái)表達(dá)虛擬人的骨骼結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)的DH表示方法相比，本文方法具備以下優(yōu)點(diǎn)：(1).能夠自然地表現(xiàn)虛擬人的復(fù)雜分支結(jié)構(gòu)；(2).能夠很容易地實(shí)現(xiàn)對(duì)最小人體模型的任意精度擴(kuò)展。 3.提出了一種基于Bezier樣條曲線的

4、虛擬人運(yùn)動(dòng)軌跡的構(gòu)造方法。論文采用Bezier樣條曲線構(gòu)造人體重心及擺動(dòng)腿腳部的運(yùn)動(dòng)軌跡。與基于三角函數(shù)擬合的方法相比，本文方法具有更強(qiáng)的復(fù)雜空間運(yùn)動(dòng)軌跡的表達(dá)能力及運(yùn)動(dòng)曲線的交互控制能力；同時(shí)也比Hermite樣條曲線具備更直觀的運(yùn)動(dòng)軌跡構(gòu)造與調(diào)整能力。 4.提出了一種基于限時(shí)梯度投影的虛擬人行走運(yùn)動(dòng)的生成方法。論文將虛擬人的逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)求解問(wèn)題轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)約束非線性規(guī)劃問(wèn)題，通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整每幀的規(guī)劃時(shí)間，可同時(shí)達(dá)到非線性函數(shù)局部線

5、性化和限時(shí)求解的雙重目的。與傳統(tǒng)Jacobian矩陣廣義逆的求解方法相比，本文方法可避免求解過(guò)程中的多值問(wèn)題與奇異性問(wèn)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(tái)上可基本達(dá)到實(shí)時(shí)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(yùn)動(dòng)生成方法。為表現(xiàn)虛擬人行走運(yùn)動(dòng)的多樣性與復(fù)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(guò)對(duì)虛擬人規(guī)范行走模型進(jìn)行交互控制與調(diào)整，可以實(shí)時(shí)生成形態(tài)各異的虛擬人廣