计算机虚拟人运动及面部表情的研究与应用

摘要

虚拟人技术是虚拟现实技术的重要组成部分，被广泛应用于科研、教育、军事、娱乐等各个领域。该系统将传统的习拳模式与当今先进的计算机虚拟现实技术相结合，形成了一种新型体育教学模式。虚拟现实技术的应用让这一系统拥有了非同寻常的意义：在实用性上，这一方式比起视频教学模式，有更好的互动性与参与感，让用户有一种身临其境的感觉；在文化的角度上，这一方式将传统武术的动作用数字化的手段完整的记录下来，避免了传统文化流失，并且可以以数字化手段复制传播。在技术层面上，教学系统对动作的准确性、合理性与规范性有很高要求。 本文分析研究了虚拟人运动和表情控制的相关技术实现方法，并根据实际项目的需要，在现有技术的基础上对肌肉和表情控制系统进行了改进和创新。在虚拟人运动方面，为了能够在降低硬件资源消耗的前提下，尽可能提高运动仿真程度，对模型自身的网格结构以及运动控制结构进行了优化。模型网格结构优化包含模型网格简化、关节处网格优化、虚拟角色初始姿势优化三个方面，有效地减小了运动过程中产生的模型走样。在运动控制结构方面，提出了一套肌肉控制系统的设计方案。该系统根据相应的算法依附于虚拟人的骨骼上，伴随着骨骼的弯折进行屈伸，并在相应的位置自动产生隆起。更加真实地表现了虚拟人在运动过程中产生的形体变化。在表情控制方面，论文从真实人脸的肌肉组成和表情原理入手，分析真实表情的变化特征。由此得出表情系统的构建思路：利用骨骼系统与肌肉系统相配合构建表情控制系统。在构建表情控制系统的过程中，论文着重对表情运动控制的简化进行了研究和论述，并且在表情系统的复用性上进行了一系列改进。为了简化表情控制流程，编写了表情控制插件，对表情控制进行了约束，并在一定程度上进一步简化了控制。文章阐述了虚拟人技术在“24式太极拳教学仿真系统”这一实际项目中的应用。按照项目制作的顺序，分别从制作人物模型、绘制人物贴图、构建人体骨骼、添加标记物体、设置表情控制物体、骨骼蒙皮、采集动作、修改并连接动作、导出数据九个方面介绍了虚拟人的制作流程。其中，除了肌肉系统和表情控制系统外，着重介绍了标记物体和动作捕捉系统。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1课题背景、意义

1.2虚拟人技术的国内外研究现状

1.2.1国内外主要研究机构

1.2.2虚拟人的相关技术

1.3虚拟人技术的应用

1.4主要工作及论文结构

1.4.1主要工作

1.4.2论文结构

第2章虚拟人运动技术研究

2.1虚拟人模型优化

2.1.1模型网格简化

2.1.2关节网格优化

2.1.3初始姿势优化

2.2虚拟人肌肉系统

2.2.1人体肌肉系统的特点

2.2.2制作思路

2.2.3关键技术

2.2.4具体实现

2.3本章小结

第3章虚拟人表情技术研究

3.1人物表情特征

3.2制作人物表情的设计思路

3.3相关技术概述

3.3.1骨骼系统

3.3.2肌肉系统

3.4搭建表情

3.4.1制作头部骨骼

3.4.2添加肌肉系统

3.4.3绑定控制

3.5优化控制

3.6编写脚本简化表情制作流程

3.6.1功能需求

3.6.2流程图

3.6.3编写代码

3.7本章小结

第4章24式太极拳教学仿真系统的实现

4.1制作人物模型

4.2绘制人物贴图

4.3构建人体骨骼

4.4添加标记物体

4.4.1运动轨迹

4.4.2标记方位

4.4.3标记坐标

4.4.4绑定触发器

4.5设置表情控制物体

4.6骨骼蒙皮

4.7采集动作

4.8修改并连接动作

4.9导出数据

4.10本章小结

结论

本文研究工作

论文创新点

对未来研究的展望

参考文献

附录：

攻读硕士学位期间取得的研究成果

致谢