基于雅可比矩阵的虚拟人运动控制研究

论文摘要

虚拟人作为虚拟现实技术中一个重要研究分支,被广泛用于航天、航空、军事作战与训练、医学、教育等领域的虚拟仿真系统中,具有极其重要的作用。虚拟人运动控制算法理论基础要求较高,算法复杂,实践应用性强,是一门极为复杂的学科.但在医学教学中却面临着门槛太高的问题,使虚拟人在形态学和护理及临床应用等教学过程中不能被推广使用。为将虚拟人运动控制技术引入医学教学,本文首先开展了虚拟人的建模研究,研究内容涉及到虚拟人建模、关键帧和人体解剖学等技术和理论;另外,做为虚拟人运动基础,还引入了世界坐标和自身坐标两种坐标系,通过坐标的齐次变换,在虚拟环境中实现了对虚拟人关节的坐标设定;本文结合3D软件的IK链和虚拟体,绑定虚拟人骨骼模型,将原来进行运动控制的几十个关节的计算量降低到现在的仅有五个虚拟体,重新确定了虚拟人的运动约束,对原来基于雅可比矩阵的运动控制算法进行了研究,给出了更加简便的结合逆运动学和正运动学两种技术的虚拟人运动控制新算法;最后,使用动画制作软件3ds MAX开发了三维虚拟仿真人体模型和仿真实验,根据新算法,结合三维动画软件的IK技术与虚拟体技术,用3ds MAX自带的MAXScript脚本语言编程,实现了虚拟人的运动仿真。本文所做研究为把虚拟人技术引入医学教学领域,开发大型医学教学虚拟实现仿真软件做出了有益的尝试。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 虚拟人运动控制技术研究现状
• 1.3 课题研究目的与意义
• 1.4 本文研究内容与研究方法
• 1.4.1 研究内容
• 1.4.2 研究方法
• 1.5 论文组织结构
• 第2章 虚拟人运动控制相关技术
• 2.1 虚拟人运动模型
• 2.1.1 基于运动学的虚拟人运动模型
• 2.1.2 基于动力学的虚拟人运动模型
• 2.2 虚拟人运动控制的关键技术
• 2.2.1 参数化关键帧技术
• 2.2.2 插补算法
• 2.2.3 逆运动学在关键帧中的应用
• 2.2.4 逆运动学的基本原理
• 2.3 过程动画技术
• 2.4 基于物理的仿真技术
• 2.4.1 基于约束的方法
• 2.4.2 运动合成的方法
• 2.5 本章小结
• 第3章 虚拟人运动基础
• 3.1 人体解剖结构
• 3.2 虚拟人的几何模型
• 3.2.1 骨骼模型
• 3.2.2 虚拟人实体模型
• 3.2.3 虚拟人模型层次结构
• 3.3 运动学中的坐标变换
• 3.3.1 世界坐标系
• 3.3.2 局部坐标系和齐次变换
• 3.3.3 虚拟人坐标系的设定
• 3.4 本章小结
• 第4章 虚拟人运动控制算法设计
• 4.1 走步、跑步的运动学分析
• 4.1.1 运动学分析
• 4.1.2 走步的时空特征
• 4.1.3 跑步的时空特征
• 4.1.4 共性特征
• 4.2 雅可比矩阵及其伪逆应用
• 4.2.1 引入雅可比矩阵
• 4.2.2 雅可比矩阵的伪逆计算
• 4.2.3 控制人体冗余结构
• 4.3 人体运动的约束关系
• 4.3.1 内部约束
• 4.3.2 外部约束
• 4.3.3 规划设计约束
• 4.4 经典算法介绍
• 4.5 特征参量
• 4.6 IK链基础
• 4.6.1 IK的概念
• 4.6.2 求解IK的方法
• 4.7 算法更新与求解
• 4.8 本章小结
• 第5章 仿真实验与分析
• 5.1 开发环境概述
• 5.1.1 软件简介
• 5.1.2 硬件和系统配置
• 5.1.3 MAXScript脚本语言
• 5.2 虚拟人开发
• 5.2.1 制作模型
• 5.2.2 动力学设置
• 5.3 虚拟人运动控制实验设计
• 5.3.1 实验思路
• 5.3.2 技术实现
• 5.3.3 仿真实验界面
• 5.3.4 仿真实验的分析
• 5.3.5 实验中存在的问题及讨论
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢
• 个人简历