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虚拟人运动仿真研究

作　者: 王志远
导　师: 李金
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 生物医学工程
关键词: 虚拟人关键帧运动控制逆向运动学
分类号: R318.0
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

在虚拟现实技术中,虚拟人作为一个重要分支被广泛用于航空、航天、军事作战与训练、医学、教育等领域的虚拟仿真系统中,但虚拟人运动仿真技术在体育教学、运动记录与分析方面还处在初始研究阶段,利用虚拟人进行运动仿真在体育教学与运动记录分析领域有着重要的应用价值,对学生规范运动姿势、科学锻炼身体具有深远意义。虚拟人运动仿真技术的研究主要围绕着虚拟人模型的建立、模型分析和模型的运动控制方法进行。首先,虚拟人模型的建立是虚拟人运动控制的基础,本文在对标准人体骨骼结构模型进行充分研究的基础上,通过合理地简化与假设,只保留了最能体现人类运动特性的关节和自由度,最终得到了一个16块骨骼的虚拟人简化模型。应用这种模型,可以降低研究工作的复杂性,提高虚拟人运动仿真的实时性。其次,对虚拟人行走和跑步运动模型进行分析,针对虚拟人行走运动模型,对虚拟人运动过程中身体上肢、下肢、盆骨的关键帧运动状态进行了详细的分析；针对虚拟人跑步运动模型,对短跑过程中的加速跑和途中跑的正确姿势进行了研究,从而为虚拟人的运动控制奠定基础。再次,在虚拟人模型分析的基础上,本文以人体关节链模型深入探讨了逆向运动学技术原理和实现方法,重点介绍了人体关节运动链上各关节的父子关系,关节运动链的父子关系是实现人体各个部分运动层次的关键。通过对虚拟人运动控制方法进行研究,本文采用关键帧方法结合逆向运动学原理对虚拟人进行控制,在此控制方法的基础上实现了虚拟人行走模型、跑步模型的运动仿真。最后,利用Visual C++6.0编程语言、OpenGL图形程序接口语言和建模软件3DS MAX设计了一个虚拟人运动仿真系统。通过将3DS MAX中建立好的虚拟人运动状态以3DS文件的形式导入到系统中,得到虚拟人运动过程。实验结果表明,该系统能实现虚拟人行走与跑步运动的仿真,在虚拟人运动仿真过程中可以从不同视角、不同视距观察虚拟人运动状态,同时还解决了虚拟人模型在不同运行模式下的选择及运动控制等人机交互问题。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-9
第1章绪论  9-17
  1.1 课题研究的背景和意义  9-10
  1.2 国内外研究现状  10-14
    1.2.1 国外研究现状  11-12
    1.2.2 国内研究现状  12-14
    1.2.3 存在的问题及困扰  14
  1.3 论文的主要研究内容  14-15
  1.4 论文的组织结构和安排  15-17
第2章虚拟人建模  17-27
  2.1 虚拟人建模软件介绍  17-20
    2.1.1 Maya  17-18
    2.1.2 3DS MAX  18-20
  2.2 虚拟人几何建模技术  20-26
    2.2.1 棒模型(Stick Figures Models)  20-21
    2.2.2 实体模型(Volume Models)  21-22
    2.2.3 曲面模型(Surface Models)  22
    2.2.4 多层次模型(Multi-layered Models)  22-23
    2.2.5 本文采用的虚拟人模型表示方法  23-26
      2.2.5.1 虚拟人骨架层的创建  23-24
      2.2.5.2 虚拟人皮肤层的创建  24-26
  2.3 本章小结  26-27
第3章虚拟人运动模型的分析与实现  27-37
  3.1 虚拟人行走模型的分析  27-32
    3.1.1 虚拟人行走模型的时空特性分析  27-29
    3.1.2 虚拟人下肢行走周期运动的研究  29-30
    3.1.3 虚拟人盆骨运动轨迹的研究  30-31
    3.1.4 虚拟人上肢行走周期运动的研究  31-32
  3.2 虚拟人跑步模型的分析  32-35
    3.2.1 虚拟人跑步模型的时空特性分析  32-34
    3.2.2 虚拟人加速跑模型的动作研究  34
    3.2.3 虚拟人途中跑模型的动作研究  34-35
  3.3 本章小结  35-37
第4章虚拟人运动控制技术  37-45
  4.1 关键帧方法  37-38
    4.1.1 参数关键帧插值技术  37
    4.1.2 双插值技术  37
    4.1.3 时间弯曲技术  37-38
  4.2 运动捕捉方法  38
  4.3 动力学方法  38-39
  4.4 运动学方法  39-43
    4.4.1 正向运动学方法  39
    4.4.2 逆向运动学方法  39-43
      4.4.2.1 关节模型与运动链  40-43
      4.4.2.2 采用逆向运动学设置运动状态的步骤  43
  4.5 本文采用的虚拟人运动控制方法  43-44
  4.6 本章小结  44-45
第5章虚拟人运动仿真的实现与分析  45-59
  5.1 3DS模型文件  45-48
    5.1.1 3DS文件格式  45-47
    5.1.2 3DS文件的读取  47-48
  5.2 程序设计语言OpenGL  48-53
    5.2.1 OpenGL工作流程  49
    5.2.2 OpenGL中模型变换和矩阵  49-51
    5.2.3 OpenGL的主要功能  51-53
  5.3 虚拟人运动仿真结果与分析  53-58
  5.4 本章小结  58-59
结论  59-61
参考文献  61-65
攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果  65-67
致谢  67

虚拟人运动仿真研究

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