反应跟随性人体动作合成系统

摘要

近年来虚拟现实、游戏、影视制作等领域对人体动画的需求不断增加，促进了计算机动画技术的快速发展。特别是动作捕获技术的出现，为人们提供了大量真实、丰富的动作数据。然而在捕获越来越多的动作数据的同时，如何利用丰富的动作捕获数据来合成响应外力击打的反应跟随性动作，成了研究的重点。在交互游戏、虚拟现实等应用中都需要虚拟角色对外力的击打做出合理的反应动作。传统的方法使用物理模拟来近似地生成反应动作，但是单纯的物理模拟方法生成出来的动作往往会扭曲失真，不满足人体动作特有的规律。
　　 本文的工作是在动作捕获数据的基础上生成响应外力的反应跟随性动作。本文首先使用物理模拟的方法来生成人体被击打后的反应动作，通过建立人体骨架的动力学模型，设置相关的物理参数并由物理引擎模拟人体骨架在物理世界中的运动结果。接着设计并实现了主动控制动作模拟的动作跟踪控制器，用于跟踪目标动作数据的运动轨迹，并能够对外界交互做出响应。最后提出合成具备人体主观意识的反应跟随性动作的解决方案，即使用动力学模拟出来的反应动作从动作捕获数据库中检索出匹配的跟随性动作，再通过动作的连接混合技术把上述动作拼接成一段完整的外力交互反应动作。
　　 本文的贡献在于结合了物理模拟方法对外力的正确反应和动作捕获数据的真实人体动作特性，设计并实现了既拥有动作数据的真实感，又能对不可预料的外力做出合理的反应，实时响应外界交互的反应跟随性动作合成系统。

目录

文摘

英文文摘

图目录

表目录

第1章 绪论

1.1 研究意义及背景

1.2 物理模拟介绍

1.3 问题描述

1.4 本文工作及组织结构

1.5 本章小结

第2章 相关工作

2.1 动作数据重用技术

2.1.1 动作图算法

2.1.2 逆向运动学

2.2 物理模拟技术

2.2.1 基于时空约束的优化求解方法

2.2.2 构造控制器生成动作的方法

2.2.3 物理模拟在动作编辑上的应用

2.2.4 Bullet物理引擎介绍

2.3 本章小结

第3章 基于动作数据的反应动作生成

3.1 问题描述

3.2 人体动作的物理模拟

3.3 人体物理模型的建立

3.4 系统实现

3.5 本章小结

第4章 基于控制器的反应动作生成

4.1 问题描述

4.2 动作跟踪控制器

4.3 比例差分伺服器

4.4 系统实现

4.5 本章小结

第5章 基于混合控制的反应动作生成

5.1 问题描述

5.2 瞬时反应动作生成

5.3 跟随性动作检索

5.3.1 样例检索概念

5.3.2 距离函数

5.3.3 特征提取

5.3.4 降维

5.4 动作过渡

5.5 本章小结

第6章 反应动作合成系统的设计与实现

6.1 Roc系统设计

6.2 反应动作合成系统的设计与实现

6.2.1 碰撞检测

6.2.2 动力学人体骨架的创建

6.2.3 比例差分伺服器控制模拟

6.2.4 瞬时反应动作的导出

6.2.5 反应动作检索

6.2.6 连接混合

6.3 系统结果

6.3.1 系统使用流程

6.3.2 系统运行结果示例

6.3.3 与现有方法的对比

6.3.4 系统性能测试

6.4 本章小结

第7章 总结和展望

参考文献

攻读硕士学位期间主要的研究成果

致谢

附录A 人体模型各部位物理量和约束