三维地形环境中虚拟人基本运动生成方法的研究

摘要

人体运动控制一直都是计算机动画领域中一个挑战性的研究热点.特别是近年来,虚拟现实技术的快速发展对人体运动生成的逼真性和实时性提出了更加迫切的要求.该论文重点研究了虚拟环境中人体行走、跑步、踏步等基本运动的生成,并对方法的有效性、实时性、可靠性等作了分析.论文的主要贡献有以下几点:(1)提出了一种适应于三维复杂地形的人体基本运动生成方法.主要基于高层参数的控制机制,采用逆运动学的控制方法实现了适应于任意三维复杂地形的人体行走跑步运动,降低了系统的运算量,保证了运动的实时性.方法在定义运动的特征参量时利用了大量的经验数据,并且采用解析的方法求解逆运动学问题.在求解逆运动学问题中,通过合理增加控制中的几何约束条件简化了求解过程,从而有效避免了欧拉角描述运动可能产生的奇异性问题,保证了解的有效性.(2)提出了一种运动融合和逆向运动学控制相结合的运动切换方法,并且实现了相似运动之间的平滑切换.(3)对虚拟环境中的路径规划问题作了初步研究,给出了两种有效的路径规划方法:最短路径方法和HT方法,并且初步实现了虚拟战场环境中的虚拟人路径规划.(4)实现了一个运动控制模块VHMotion.该模块的优点是:①适用范围广.不仅能够用于平面直线人体运动生成,而且可以用于三维地形中复杂的不规则曲线人体运动生成,还能够根据不同的运动人体生成个性化的真实的运动;②控制容易.能够根据较少的控制参数,自动生成相应的人体运动,在运动过程中不需要用户干预;③生成的运动逼真自然.控制系统生成的运动能够反映人体运动的特征,不同的人体具有个性化的运动;④响应速度快.满足虚拟环境应用对人体运动实时性的要求;⑤智能性好.虚拟人在虚拟环境中能够自动避开静态障碍,沿一条安全无障碍路径运动.

目录

文摘

英文文摘

第一章概述

1.1课题背景和意义

1.2三维人体运动控制方法及国内外研究现状

1.2.1正向运动学(forward kinematics)

1.2.2逆向运动学(inverse kinematics)

1.2.3动力学方法(dynamic method)

1.2.4运动捕获的方法(motion capture)

1.2.5过程方法(procedure method)

1.3论文研究内容与主要贡献

1.4论文组织与安排

第二章虚拟人运动建模和欧拉角描述

2.1人体模型

2.2人体相对运动模型

2.2.1人体坐标系的设定

2.2.2人体相对运动模型

2.2.3欧拉角

第三章适应于三维复杂地形的虚拟人运动生成

3.1引言

3.2运动控制设计思想及运动实现原理

3.2.1运动控制设计思想

3.2.2运动实现原理

3.3直线行走运动生成

3.3.1行走运动分析

3.3.2质心运动

3.3.3两脚运动

3.3.4几何法求解腿部关节角

3.3.5上身运动

3.4三维地形下的曲线行走运动生成

3.4.1曲线行走运动的足迹规划

3.4.2质心运动

3.4.3两脚运动

3.4.4解析法求解腿部关节角

3.4.5上身运动

3.5跑步和踏步运动生成

3.5.1跑步运动

3.5.2踏步运动

3.6基于解析的逆运动学控制方法分析

3.7实验结果

3.8本章小结

第四章基于运动融合技术的虚拟人运动切换

4.1引言

4.2运动融合技术

4.2.1运动融合的基本思想

4.2.2时间变换

4.3基于运动融合技术实现运动切换

4.3.1实现原理

4.3.2走和跑的运动切换

4.4实验结果

4.5本章小结

第五章虚拟战场环境中的简单路径规划

5.1引言

5.2基本思想

5.3虚拟战场环境的表示

5.3.1多边形障碍模型在虚拟环境中的表示

5.3.2边界向外扩展的障碍多边形扩张法

5.3.3工作空间范围内的障碍物确定

5.4最短路径方法实现路径规划

5.4.1算法思想

5.4.2算法描述

5.4.3凸凹顶点的判断

5.5假定-测试(HYPOTHESIZE-AND-TEST，HT)方法

5.5.1算法思想

5.5.2数据结构

5.5.3算法描述

5.6本章小结

第六章基于CVHB1.2人体模型的运动控制系统VHMOTION

6.1 CVHB1.2标准人体模型

6.2控制系统功能

6.2.1功能结构

6.2.2主要功能类

6.3.3主要功能接口函数

6.3控制界面

6.4 VHMOTION的特点和应用

第七章结束语

7.1总结

7.2下一步研究工作

附录A：BEZIER曲线控制运动轨迹中控制点P1，P2的确定

参考文献

致谢