虚拟现实技术-实验指导书-虚拟人.doc

宋停云与您分享 PAGE 宋停云与您分享 《虚拟人运动建模与仿真》 实验项目 实验指导书 编写人：** 计算机学院 宋停云与您分享 宋停云与您分享 1 - 实验项目一 基于Unity3D软件的虚拟人建模实验 一、实验目的 1、理解虚拟现实技术的内涵 2、理解三维虚拟人模型的概念 3、掌握Unity3D软件的使用 4、掌握基于Unity3D软件的虚拟人建模 二、实验原理 1、虚拟现实技术 “虚拟现实”是一种模拟人在自然环境中的视觉、听觉、触觉等行为的高度逼真的人机交互技术，是利用人类感知能力和操作能力的新方法。“虚拟现实”是由计算机硬件、软件以及各种传感器构成的三维虚拟环境。虚拟现实系统是一种可以创建和体验虚拟世界的由计算机、传感器、控制器、显示设备构成的虚拟环境生成与显示的系统，虚拟世界是虚拟环境或给定仿真对象的集合，虚拟环境则是一种逼真的视、听、触觉一体化的计算机生成与显示环境与虚拟环境中的物体进行交互作用、，用户可以借助必要的装备以自然的方式相互影响，从而感知如视觉、听觉、触觉等信息，使参与者有身临其境的感觉。 虚拟现实VR是近年来十分活跃的技术研究领域，是一系列高新技术的汇集。这些技术包括计算机图形学、多媒体技术、人工智能、人机接口技术、传感器技术、高度并行的实时计算机技术，还涉及到有关人的生理学特征和行为学研究等多项关键技术的更高层次的集成和融合。总之，虚拟现实技术是多种高技术的集成体现，是多媒体技术发展的更高境界。 2、三维虚拟人建模 3D人体模型指在三维空间中对人体运动标定和动作姿态的人体肢体部位的描述，一般分为3D几何体模型和3D面片模型。3D几何图形表示方法在是指在三维空间中利用一些基本的几何图形来完成对人体模型的构建。3D面片模型是指在根据人体的表层特征，通过许许多多的面片或者网格来构建人体模型。采用这种方法建立的人体模型逼真形象，能够真实的描述人体的外层特征。 为了实现对人体运动的跟踪分析，要求人体模型的各个部位在整个动作再现的过程中不会发生形变，基于此可以根据刚体动力学原理对人体骨骼进行构建，再进行蒙皮和绑定。 （1）骨骼模型 由于基于惯性传感器的全身动作捕捉系统只能读取15 个关节点信息，同时为了降低建模的复杂性和计算的复杂度，将真实人体的206 块骨骼简化到15个，这样在重定向中能实现一一映射。本文的骨骼模型具有图1所示的结构。 图1 骨骼模型结构 骨骼之间通过特定的人体关节进行连接。按照层次状结构的树形结构，并且定义连接髓骨和胸腔骨骼的连接点作为整个关节树的根节点，胸腔骨骼和髓骨骨骼为根节点的第一子节点。胸腔骨骼又同时为头部、左上臂和右上臂的父骨骼，髓骨骨骼为左大腿和右大腿的父骨骼，左上臂和右上臂分别是左前臂和右前臂的父骨骼，左前臂和右前臂分别是左手和右手的父骨骼，左大腿和右大腿分别是左小腿和右小腿的父骨骼，左小腿和右小腿分别是左脚和右脚的父骨骼。 对于人体骨骼的关节类型，一共分为三种类型:回转关节类型、铰链关节类型和万向节关节类型。回转关节类型的关节只有个一个方向的自由度，并且关节的允许转动的范围被限制在一定程度之内。铰链关节包含两个方向的自由度，这类关节可以做围绕关节的扭动和曲张动作。万向节关节类型包含一个类似球槽的结构，万向节关节可以做围绕球槽结构的转动，因此万向节关节包含三个方向的自由度。表1为系统整个人体骨骼模型各个关节的特征。 表1 骨骼模型各个关节的特征 对于人体的各个关节，由于关节结构特性和限制，每个关节都有一定的范围，如人体的髓骨关节，可以完成弯曲动作的范围为0-125，伸展动作的活动范围为0-10,内曲的活动范围为0-45，外展动作的活动范围为0-45，内侧旋转的活动范围为0-45,外侧旋转的活动范围为0-45。因此对于系统建立的三维人体骨骼，有必要对各个关节加入活动范围的角度限制，从而确定在人体动作跟踪的过程中，数据采集的关节运动数据是否符合人体运动的真实特征，进而判断对人体运动进行判断和处理。表2为人体各关节的最大活动范围限制表。 表2 人体各关节的最大活动范围限制表 根据上述设计的树形层次结构模型，将整个人体骨骼分为了主要15 块骨骼，然后利用Unity3D软件实现了15 块人体骨骼。人体骨骼对应的关节的映射表定义了各个骨骼的编号以及每个骨骼之间相互连接的关节，这样就可以在动作捕捉系统实现人体骨骼的三维重构时根据人体树形结构的顺序来对整个人体骨骼模型进行构建。人体的关节约束映射表规定了人体骨骼之间相互连接时各个骨骼关节的编号以及相对应的连接骨骼，同时可以根据人体关节的活动范围定义每个关节的最大的活动范围。从而可以限制捕捉的肢体动作超出人体关节最大的活动范围。 （2）三维人体骨骼的蒙皮渲染 虽然骨骼模型已经能够实现运动的重现，却不能够生动的描述出人体的外在轮廓和表