人体行走的真实感模拟研究

论文摘要

近年来,人们对动画、影视以及虚拟人相关技术的要求越来越高,传统技术已经无法满足人们的需求,很多专家学者在这个领域进行了深入的研究。但仍然存在创作出的虚拟人逼真程度低、实时性不高、人工质感明显等问题。针对这些问题,本文做了如下研究:（1）在研究虚拟人技术中关于人体外形以及人体骨骼自由度约束的基础上,从人体运动控制技术出发,分析了关键帧、运动捕捉、正向和逆向运动学、动力学等控制技术和三维空间中表示骨骼运动方位及旋转角的计算方法,提出了系统的设计方案。（2）针对关键帧插值算法中四元数线性插值法与球面线性插值算法的不足,结合四元数的运算特性和传统的拉格朗日插值算法在多数据点间插值的优点,提出了一个基于四元数的n次拉格朗日插值算法。将其用于虚拟人行走过程中关键帧动画的插值运算,提高了数据的准确性,并使得虚拟人在运动过程中的皮肤变形效果更加平滑和细腻。（3）系统设计时综合考虑插值算法的数据相关性和插值结果的准确性,采用基于四元数的4次拉格朗日插值算法来实现虚拟人行走的真实感模拟。以关键帧技术、骨骼蒙皮绑定技术和混合动画技术为基础,采用Visual C++ 6.0和DirectX实现了一个简单的虚拟人运动仿真系统。（4）利用系统对四元数线性插值算法、球面线性插值算法和基于四元数的4次拉格朗日插值算法的运行效果进行了测试。结果表明,基于四元数的4次拉格朗日插值算法在虚拟人的真实感模拟上,具有极佳的运动仿真效果和画面表现力。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 研究现状
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.3 主要研究内容
• 1.4 论文的组织结构
• 第二章 人体行走模拟的关键技术和系统方案设计
• 2.1 人体结构分析
• 2.1.1 人体外形
• 2.1.2 人体比例
• 2.1.3 人体关节与约束
• 2.2 人体行走运动的控制技术
• 2.2.1 关键帧方法
• 2.2.2 运动捕捉技术
• 2.2.3 正向运动学和逆向运动学
• 2.2.4 动力学方法
• 2.2.5 过程动画技术
• 2.2.6 运动编辑技术
• 2.3 人体各部位运动中方位的计算
• 2.3.1 三维空间中方位的计算
• 2.3.2 矩阵方法
• 2.3.3 欧拉角
• 2.3.4 四元数
• 2.4 系统方案的确定
• 2.4.1 工具的选择
• 2.4.2 模型及人体行走控制技术的选择
• 2.5 本章小结
• 第三章 动画关键帧插值算法的改进
• 3.1 传统关键帧插值算法
• 3.1.1 四元数线性插值
• 3.1.2 球面线性插值
• 3.2 基于四元数的n 次拉格朗日插值
• 3.2.1 四元数的高级运算
• 3.2.2 n 次拉格朗日插值
• 3.2.3 四元数与n 次拉格朗日插值的融合插值算法
• 3.2.4 基于四元数的1 次拉格朗日插值算法
• 3.2.5 基于四元数的4 次拉格朗日插值算法
• 3.3 本章小结
• 第四章 人体行走的真实感模拟系统的设计与实现
• 4.1 系统开发平台
• 4.2 系统设计
• 4.2.1 人体模型加载
• 4.2.2 动画集加载
• 4.2.3 人体模型控制
• 4.2.4 操作界面
• 4.2.5 程序测试
• 4.3 本章小结
• 第五章 系统测试与结果分析
• 5.1 测试准备
• 5.1.1 实验组织
• 5.1.2 算法测试评价标准
• 5.2 算法性能测试标准和依据
• 5.2.1 算法运行效果
• 5.2.2 三种关键帧插值算法的测试分析
• 5.3 测试结论
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介