虛擬人技術的研究與在體育中的應用

張姍　韓娟(浙江大學　浙江杭州　310028)

虛擬人技術的研究與在體育中的應用

張姍韓娟
(浙江大學浙江杭州310028)

虛擬人的運動生成及控制是當今虛擬現實研究和計算機3D動畫運用中一個重要的研究領域,虛擬人研究也是現在研究的一個熱點。虛擬人集現實和虛擬環境的特點于一身,是現實與虛擬環境溝通的中介,虛擬人技術的研究需要各個學科的共同支持,隨著各學科的不斷發展,堅信虛擬人技術也會隨著不斷取得進步,并最終實現研究的目標。該文主要介紹了虛擬人的相關概念、虛擬人模型的發展、虛擬人的運動控制以及其在體育中的應用。

虛擬人虛擬模型運動控制體育應用

1　虛擬人概念

虛擬人(virtual human)是人體在計算機生成的空間中的幾何特性及空間特征的表現[1]。虛擬人是人類的各種特征,包括幾何特征、物理特征、生理特征、動作行為特征、感知及情感特征等,在生成的虛擬空間中的數字化表示,是一種高度真實的人的特征的數字化重現。虛擬人技術從總體上考慮了虛擬人、虛擬的環境以及用戶終端之間的相互作用,在已經建立的虛擬環境中構建人的各種特征模型,以此利用構建的虛擬人對人體的外觀以及姿勢的變化來重現真實人體,這在智能機器人、運動生物力學、人工智能等領域中都有重要作用[2]。虛擬人又稱計算機合成角色,是指人在計算機生成的模擬環境中所表現出的幾何特性和行為特性。

2　虛擬人模型的發展

2.1棍棒型

棒模型是指將人體的基本輪廓用關節和棒圖形表示出來。這種模型把人體的各大關節簡化成點,而把關節之間的骨骼用線段表示出來,骨骼由關節按照一定的順序、層次連接在一起,組成一個類似于樹的結構。每層骨骼或關節的位置則決定于其上層的位置,也就是父關節點的運動影響其所有后面節點的運動。

2.2表面模型

表面模型是指將人體骨架用一系列曲面或多邊形包圍起來以表示人體外形。該模型較棒模型真實感增強,但是表面模型存在的問題就是關節處曲面的控制較難,在給模型賦予動作時會產生表面的變形[3]。

2.3體模型

體模型是指用基本的圓柱體、球體、橢圓體等的組合來表示人體的外形,體模型的缺陷是其逼真度不夠,沒有辦法表示人體模型表面的一些局部變化[4]。

2.4分層模型

這種模型主要是由人體的基本骨架、人體肌肉層及皮膚層共同構成的,有時也會加入表示虛擬人頭發、衣飾等的裝飾層。基本骨架層通過關節確定人體基本狀態,進而決定人的基本姿態。肌肉層則確定人體各個部位的變形能力,皮膚變形也受該層的影響,最后皮膚層決定虛擬人外觀。

3　虛擬人的運動控制

人體的計算機模型的運動控制的研究涉及到很多領域,例如動物學、運動生物力學以及動力學等多個學科。目前運動控制領域的研究主要有關鍵幀法、動力學法、運動學法、運動捕捉法[5-7]。

3.1關鍵幀法

關鍵幀方法是人的計算機模型運動控制的傳統方法,最早提出關鍵幀這一概念的是早期Walt Diseney的卡通動畫片制作室。早期的動畫先由動畫師設置關鍵畫面,接著在根據所設置的關鍵畫面設計能夠時動作連接起來的中間幀,這是關鍵幀方法的本質。現在的計算機3D軟件中的插值可以代替人工自動設置中間幀,使兩張圖片之間省略的動作自動生成。因此在使用計算機生成動作的影響參數如位置、角度及旋轉等都是關鍵幀的參數,這是參數關鍵幀插值技術。除此之外,還有雙插值技術和時間彎曲技術。

3.2運動學法

運動學法包括正向運動學方法和逆向運動學方法,它們都是設置人體模型關節動作行之有效的方法。正向運動學方法是把末端效應器看作是時間的函數,通常采用對人體關節所旋轉角度進行設置的方法得到末端效應器的空間位置以及關鍵幀的姿態[8]。正向運動學方法通過設置人體各關節的空間位置的參數求解出末端效應器的方向及位置。但是在實際應用過程中,人體模型的運動控制涉及到的關節自由度很多,因此要輸入的參數相對較多,因此該過程相對繁瑣費時,不僅如此,正向運動學方法還要求使用者具有很強的人體運動平衡感。

與正向運動學的方法相反,逆向運動學方法是指通過確定空間關節的空間位置,計算機軟件可以自動求出各中間關節的空間位置,這可以在很大程度上減少使用者的工作量[9]。簡而言之,在生成人體模型的運動姿勢時,如若選擇逆向運動學方法,只需確定各個肢體末端的方向和位置,計算機便可自動計算出各關節的角度,進而生成人體模型的運動姿勢。

3.3動力學法

對于正常機體來說,其受到的作用力很多,主要包括重力、地面對其的反作用力、外力等各方面的力的作用,因此在人體運動控制的過程中動力學方法的出現。動力學方法基于物體的運動都是由其所受到的力控制這一原理,提出人體模型的運動由動力學方程控制。模型所建立的虛擬骨架可以看成是符合物理規律的連桿系統,如果確定了關節的力或者力矩,可以通過遞推的方式建立方程,進而可以計算出骨架的運動[10]。但這種方法在所建模型中的運動控制方面應用不是很成功,因為人體運動離不開肌肉力量的驅動,而肌肉的力及力矩是很難確定的,因此僅僅靠動力學方程的方法來確定人體模型的運動姿勢是很困難的。

3.4運動捕捉法

運動捕捉方法是指利用三維傳感器記錄運動者所需的運動信息,接著利用計算機對所接收的包含于運動信息中的運動數據指揮人體模型的運動。這種方法是利用人體運動的真實數據進行控制的,因此,所建的人體模型基本上是真實運動人體的一個復制品,其效果的逼真程度相當顯著。但是值得注意的是虛擬的人體模型和真實的人體之間無論是在外形還是身高上都不可能完全相同,并且在真實人體的運動過程中所收集的數據受到傳感器或是傳感衣的移動的影響,這都會引起數據來源的誤差,進而導致人體動作的變形。目前運動捕捉的技術主要有四種類型:聲學式運動捕捉、光學式運動捕捉、機械式運動捕捉及電磁式運動捕捉[11]。

4　虛擬人在體育中的應用

虛擬人在體育領域中的一個重要的應用就是對運動員動作的重現,并且對重現的運動員動作進行分析。隨著運動員動作的嫻熟與不斷進步,利用傳統的攝影方法已經不能滿足教練員對運動員動作的進一步分析,而利用虛擬人可以很好的解決這一問題。目前在體育領域中應用虛擬人技術的相對比較成熟的運動項目要數體操和蹦床。以體操為例,教練員首先對真實的體操隊員進行人體建模,接著利用建構的人體模型進行動作編排,最后利用虛擬出來的體操運動員比較精確的再現體操運動員的技術動作,進而可以幫助運動員們改進、創新其技術動作,最后達到提高技術水平的目的。除此之外,體育領域中的其他項目也廣泛應用了虛擬人技術,如舉重、籃球、高爾夫球及滑雪等運動項目[12]。浙江大學的張林老師利用maya軟件對籃球技術動作的三維仿真取得了重要的成果,其研究首先利用poser建模軟件進行建模,接著將建立的模型導入maya軟件,對模型構建骨架和設定主要關節,接著對模型進行蒙皮和綁定,最后利用軟件設定關鍵幀以達到對虛擬模型的運動控制,最后仿真出優秀籃球運動員的技術動作,為籃球運動的發展進步做出了貢獻。

虛擬人技術克服了傳統的二維圖像分析的弊端,可以進行一個三維的全方位的分析,利用maya軟件可以獲得虛擬出來的運動員的關節角度的變化、位置的變化以及關節的各個方向的旋轉變化,這些數據是傳統研究方法無法獲得的,所以體育領域中虛擬人的應用是未來的必然趨勢。

5　結語

虛擬人技術目前還在發展階段,虛擬人技術的目標是盡可能的模擬出來人類,但是完全智能的、自動的虛擬人的實現還是個難題,如何使虛擬人在復雜的虛擬環境中顯得更加的逼真,所模擬出的動作如何更加接近人體的真實動作,還是今后努力的方向。

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[3]羅冠.虛擬人的運動生成及控制技術研究[D].西北工業大學, 2004.

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[8]王志遠.虛擬人運動仿真研究[D].哈爾濱工程大學,2011.

[9]任靜麗.虛擬人建模及跑步運動控制技術的研究[D].武漢理工大學,2007.

[10]黃玲.捕捉虛擬人運動的運動控制技術的研究[D].首都師范大學,2007.

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G80-05

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2095-2813(2015)01(b)-0008-02