面向人机工程仿真的虚拟人体运动控制技术

摘要

随着计算机软硬件、计算机图形学、计算机辅助设计、虚拟现实以及人工智能等技术的发展，融合了这些因素的计算机辅助人机工程正获得越来越广泛的关注与应用。 许多复杂高级的人机评价方法需要获取人体多种数据，包括骨骼、肌肉等的位置以及状态等，因此，简单的棒模型已经渐渐无法满足越来越高级的人机评价的需要，而必须提供真实的虚拟人体模型。 而在人机仿真方面，现有的多种动画生成算法则多适用于娱乐游戏等行业，或重视视觉效果甚于生理上的合理性，或计算复杂不适于进行实时应用，总之各有利弊。运动捕获方法虽然真实，但捕获过程中所使用的人体结构却偏于简单，与人体的真实情况有所差别，因此有必要研究如何改善人机工程仿真的真实度。本文针对这两方面进行了一定的改进和创新。 首先本文以解剖学为依据，建立了一个较为复杂但更加真实的虚拟人体骨骼层模型。为进一步的肌肉层定位以及高级的人机评价方法实现打下基础。其次本文提出了一种通过使用施加约束的逆向运动学方法，在不同结构的虚拟人体模型之间进行运动重定向，同时满足时空约束以及人体生理约束。从而得以利用各种不同的运动捕获数据，获得效果逼真的人机仿真动画。 在综合介绍了计算机辅助人机工程的一些背景知识和研究现状之后，本文第二章介绍了基于解剖学所建立的虚拟人体模型，并对人体的部分生理约束以及运动表示有所描述；本文第三章详细介绍了在不同结构的虚拟人体模型之间进行运动重定向的方法；本文第四章详细介绍了逆向运动学的几种方法以及如何在这些方法上施加约束；本文第五章介绍了计算机辅助人机仿真评价系统Human的设计与实现方面的一些内容。最后第六章进行了总结并提出了未来的一些研究方向。

目录

文摘

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1概述

1.1计算机辅助人机工程

1.2面向人机工程仿真的虚拟人体模型

1.3人机工程仿真及运动控制方法

1.4本文的研究内容及意义

2基于解剖学的虚拟人体骨架

2.1基于解剖学的虚拟人体骨架建模

2.1.1虚拟人体骨架树

2.1.2关节建模方法

2.1.3运动表示

2.1.4脊椎的生理特性

2.1.5肩部关节链约束

2.2虚拟人体骨架的参数化调整

3虚拟人体运动重定向

3.1问题提出

3.2复杂骨架到简单骨架的匹配

3.3简单骨架到复杂骨架的匹配

3.4脊椎冗余关节匹配方法

4基于逆向运动学的虚拟人体控制

4.1问题描述

4.2几种逆向运动学方法

4.2.1 Jacobi an转置法

4.2.2 CCD法

4.2.3 DLS法(Damped Least Square Method)

4.2.4算法比较

4.3基于时空约束的IK

4.3.1约束Jacobian矩阵法

4.3.2施加约束的CCD法

4.3.3多末端约束

4.3.4算法效果

4.4基于生理约束的IK

4.4.1关节运动范围约束

4.4.2约束肩胛骨

5人机应用及验证

5.1系统实现

5.1.1系统主界面

5.1.2虚拟人体模型参数化调整功能

5.1.3虚拟人体模型运动姿势控制

5.1.4虚拟人体模型运动及姿势信息的保存与导入

5.1.5约束的添加与编辑

5.2人机应用结果

5.2.1肌肉层效果

5.2.2人机评价方法应用

6总结

6.1总结

6.2展望

参考文献

致谢

科研成果

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