数据和模型混合驱动的虚拟人运动生成与控制技术研究

论文摘要

针对当前虚拟人特定动作生成所面临的工作繁杂、可控性和适应性差等难题,本文采用数据和模型混合驱动的策略,分别从人体运动系统的建模仿真方法、考虑全身姿态变化的虚拟人抓取、操作类动作快速生成、虚拟人关键帧姿态的自动交互生成以及虚拟人全身运动的多优先级编辑合成与交互控制等方面对虚拟人的运动生成与控制技术进行了深入研究,提出了相应的控制策略和模型,并对传统的算法做了改进,主要研究内容概括如下：(1)论文首先在第一章对虚拟人运动生成与控制技术的国内外研究现状进行了概述,对不同方法的优缺点进行了分析、比较,提出采用数据和模型混合驱动的策略进行虚拟人的运动生成与控制技术研究,以期在虚拟人动作的逼真性、可控性和灵活性之间取得最佳地折衷。然后,在第二章对人体运动系统的建模仿真方法进行了深入研究,为后续工作建立数学基础。(2)对于考虑虚拟人全身姿态变化的抓取、操作类动作姿态快速生成问题,本文提出将姿态样本库和解析逆向运动学算法相结合,上肢姿态由解析逆向运动学算法在线实时求解,全身的其余关节姿态直接由事先离线构建的姿态样本生成,保证了算法的实时交互性。对于7自由度的上肢关节链肘圆问题,提出了腕关节旋转量最小的优化指标,将优化求解和定向搜索相结合实现了上肢关节姿态的快速计算生成,并在求解过程中融合了碰撞检测及关节旋转角度的生理范围约束判断,确保动作姿态的物理逼真。在姿态样本库的离线设计实现时,提出基于肩关节的高度变化进行姿态样本的间隔采样与设计生成,给定目标点信息后,利用姿态库中各姿态样本的肩关节高度信息实现了对应所需姿态样本的快速搜索匹配。整个抓取、操作类动作姿态生成过程最显著的优点为实时性高,可以方便地应用于游戏、操作训练等交互应用领域。(3)对于虚拟人关键帧姿态的自动交互生成问题,提出了将姿态样本库和带优先级的逆向运动学(PIK,Prioritized Inverse Kinematics)算法相结合,首先根据任务约束由姿态样本库生成最终理想姿态的估计值并用作PIK算法所需的初始参考姿态,然后利用PIK算法对所有任务约束按优先级顺序进行逆向运动学(IK,Inverse Kinematics)迭代求解,实现全身姿态的进一步优化生成。既克服了传统基于数据样本的IK算法只能生成与原有姿态样本差别不大的姿态的限制,又可适度保证最终姿态结果的逼真自然性。提出了参数化姿态拼接技术用于虚拟人全身姿态的估计生成,先根据不同的任务约束对全身关节进行分组,然后通过最近邻参数化插值方法实现了不同关节组的姿态求解,保证拼接合成的全身姿态与最终理想的全身姿态具有全局相似性。随后以姿态估计值为初始参考姿态,利用PIK算法实现全身姿态的进一步优化求解。为了保证最终姿态结果的静态平衡,在PIK算法的迭代计算过程中,提出了一种新的平衡约束迭代求解策略,将静态平衡约束和其它任务约束分层单独求解,解决了平衡任务约束的优先级设置问题,并可确保最终姿态结果的静态平衡性。将基于姿态样本库的参数化姿态拼接技术和PIK算法相结合,一方面克服了传统参数化插值方法要求所有动作姿态样本具有相同任务约束的限制,姿态样本不需要与各种任务约束进行精确匹配,并可大幅减少所需姿态样本的数量；另一方面解决了PIK算法的初值选取问题,相应地减少了PIK算法所需的迭代求解次数,提高了求解计算效率,为虚拟人全身姿态的自动交互生成提供了一种实用、高效的算法思路。(4)为了使运动捕捉数据驱动的虚拟人能够根据用户的各种交互控制输入及外界不可预料的小幅动态物理交互,自动生成各种逼真的反应性动作,提出了一种基于各种任务约束的冗余空间,在加速度层次上的、具有任意多个优先级的虚拟人全身运动编辑合成与交互控制算法。给定某一参考动作序列后,算法可根据用户的各种交互控制输入及其相互之间的优先级顺序,生成期望的关节加速度信息,并通过调整期望关节加速度的方式对运动改编结果进行了在线的动态平衡修正。在对原有动作数据进行多优先级运动改编过程中,引入了选择矩阵的概念,使本文所提出的运动数据编辑合成与交互控制算法可以对笛卡尔任务空间和关节空间中的高层任务约束进行统一处理。当虚拟人受到外界的小幅动态交互作用后,由于多优先级运动改编算法在加速度层次上实现,可以方便地基于期望的关节加速度信息,利用考虑虚拟人与外界交互作用力的逆向动力学算法进行动力学跟踪控制器的构建,从而通过动力学仿真实现反应跟随性动作生成。在动力学仿真过程中,提出将交互作用力的优化求解方法和近似估算方法相结合,既提高了动力学仿真的计算效率,又可保证动力学跟踪控制器的精度。当动态物理交互作用消除后,为提高求解计算效率,系统需重新转入单纯的运动学改编,提出了一种简便的运动学改编与动力学仿真之间的过渡处理方法。加速度层次上的多优先级运动编辑合成与交互控制算法实现了运动学约束处理和动力学仿真的无缝衔接,为虚拟人的运动控制提供了一个统一的算法框架。(5)最后进行了虚拟人运动生成与控制仿真集成软件环境原型系统开发,以现有的虚拟人应用开发软件为基础,根据其优缺点进行了集成开发,整个软件环境划分为前台界面层、中间数据层和后台的仿真计算层,以广泛应用的商业软件Poser和DI_Guy软件平台分别作为交互界面和可视化渲染输出,方便了相关应用系统开发。随后以某导弹武器装备模拟操作训练系统为应用实例,进行了虚拟人应用模块的开发,对本文所提出的模型算法和集成软件环境原型系统进行了实例验证。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 虚拟人运动生成与控制技术的研究现状与分析
• 1.2.1 虚拟人运动生成与控制方法概述
• 1.2.2 虚拟人运动生成与控制技术的典型应用
• 1.2.3 虚拟人应用软件发展概况及国内外相关研究机构
• 1.2.4 存在的问题
• 1.3 论文的研究内容、组织结构和贡献
• 1.3.1 论文研究的主要内容
• 1.3.2 论文的组织结构
• 1.3.3 论文的主要成果与创新点
• 第二章 人体运动系统建模技术研究
• 2.1 人体运动系统仿真建模概述
• 2.2 人体运动系统内部结构建模
• 2.2.1 人体骨架结构运动学建模
• 2.2.2 人体运动系统动力学建模
• 2.2.3 人体运动系统生物力学建模
• 2.3 运动捕捉技术
• 2.3.1 运动捕捉技术概述
• 2.3.2 运动捕捉数据的存储格式
• 2.4 虚拟人的几何外观表示方法
• 2.5 小结
• 第三章 考虑全身姿态变化的虚拟人抓取、操作类动作生成
• 3.1 引言
• 3.1.1 相关工作
• 3.1.2 要解决的问题及算法思路
• 3.2 基于解析逆向运动学算法的上肢关节链姿态求解
• 3.2.1 基于轴角向量表示法的7自由度上肢关节链姿态描述
• 3.2.2 基于肘部冗余自由度的上肢关节链姿态求解
• 3.3 基于定向搜索的上肢关节链姿态优化求解
• 3.3.1 基于腕关节旋转量最小的肘部冗余自由度优化求解
• 3.3.2 约束求解
• 3.4 考虑全身姿态变化的虚拟人抓取、操作类动作姿态快速生成
• 3.4.1 姿态样本库的离线构建
• 3.4.2 虚拟人全身姿态的在线交互生成
• 3.5 抓取、操作类动作中间过渡姿态序列生成
• 3.6 试验结果与分析
• 3.7 小结
• 第四章 虚拟人关键帧姿态的自动交互生成
• 4.1 引言
• 4.1.1 相关工作
• 4.1.2 要解决的问题及算法思路
• 4.2 虚拟人全身姿态的参数化拼接
• 4.2.1 运动拼接技术概述
• 4.2.2 姿态样本库的构建
• 4.2.3 虚拟人关节组姿态的参数化插值
• 4.2.4 虚拟人全身姿态的拼接合成
• 4.3 基于姿态样本库和PIK算法的虚拟人全身姿态的自动交互生成
• 4.3.1 PIK算法概述
• 4.3.2 虚拟人全身姿态的自动交互生成
• 4.4 实验结果与分析
• 4.5 小结
• 第五章 虚拟人全身运动的多优先级编辑合成与交互控制
• 5.1 引言
• 5.1.1 相关工作
• 5.1.2 要解决的问题及算法思路
• 5.2 任务空间多优先级控制算法概述
• 5.2.1 不同层次上的多优先级控制算法
• 5.2.2 不同方法的优缺点比较
• 5.3 加速度层次上的虚拟人多优先级运动改编算法
• 5.3.1 算法概述
• 5.3.2 任务空间和关节空间约束的统一处理
• 5.3.3 改编后动作数据的平衡修正
• 5.4 单纯运动学改编与动力学主动控制之间的统一算法框架
• 5.4.1 单纯运动学改编
• 5.4.2 动力学跟踪控制器的构建
• 5.4.3 单纯运动学改编与动力学仿真之间的过渡处理
• 5.4.4 算法的整体框架
• 5.5 实验结果与讨论
• 5.5.1 仿真参数选取与实验平台的建立
• 5.5.2 实验结果
• 5.5.3 讨论
• 5.6 小结
• 第六章 虚拟人仿真集成软件环境原型系统开发及其应用
• 6.1 引言
• 6.1.1 典型的虚拟人应用系统开发软件
• 6.1.2 要解决的问题及思路
• 6.2 虚拟人仿真集成软件环境原型系统开发
• 6.2.1 虚拟人仿真集成软件环境的框架结构
• 6.2.2 不同软件平台之间的集成处理
• 6.3 虚拟人在某导弹武器装备模拟操作训练系统中的应用
• 6.3.1 某导弹武器装备模拟操作训练系统设计开发思路概述
• 6.3.2 虚拟人在某导弹武器装备模拟操作训练系统中的应用
• 6.4 小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 论文工作总结
• 7.2 未来工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果
• 附录A BVH格式运动捕捉数据文件解析
• Guy在Vega环境下对Poser软件所生成的BVH格式动作数据文件的读取'>附录B Dl_Guy在Vega环境下对Poser软件所生成的BVH格式动作数据文件的读取