反應(yīng)跟隨性人體動(dòng)畫生成研究.pdf

1、隨著虛擬現(xiàn)實(shí)、三維游戲、數(shù)字娛樂等行業(yè)對(duì)人體動(dòng)畫需求的增加，人們不僅要求生成的人體動(dòng)畫自然、可控，而且希望虛擬人能對(duì)不可預(yù)料的外部擾動(dòng)做出真實(shí)的反應(yīng)。如何提高虛擬人運(yùn)動(dòng)的物理真實(shí)感，準(zhǔn)確地反應(yīng)外界沖擊的大小和方向，實(shí)時(shí)地響應(yīng)外界交互是生成反應(yīng)跟隨性人體動(dòng)畫的關(guān)鍵所在。針對(duì)上述問題，本文分別對(duì)人體站立受擾平衡維持、基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的反應(yīng)運(yùn)動(dòng)合成、基于混合控制的反應(yīng)運(yùn)動(dòng)生成和人體行走受擾平衡維持進(jìn)行了深入的研究，提出了相應(yīng)的控制策略和模型，并對(duì)

2、傳統(tǒng)的算法作了改進(jìn)。 在人體站立受擾平衡恢復(fù)的研究上，本文提出了分別從矢狀面和額狀面來分析和計(jì)算人體在站立受擾時(shí)的平衡恢復(fù)問題。本文根據(jù)生物力學(xué)的研究結(jié)果，建立了基于雙倒立擺的人體動(dòng)力學(xué)模型，并使用比例微分控制器近似模擬肌肉力的作用來驅(qū)動(dòng)虛擬人運(yùn)動(dòng)。在髖和踝關(guān)節(jié)的控制策略下，控制器產(chǎn)生的力矩使虛擬人身體質(zhì)心位于支撐區(qū)域。通過身體擺動(dòng)，虛擬人可以抵消作用在其身上的外力，最后恢復(fù)到平衡狀態(tài)。本文還提出了采用啟發(fā)式調(diào)節(jié)增益值的方法，減

3、輕了調(diào)節(jié)增益值的繁重負(fù)擔(dān)。 在基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的反應(yīng)運(yùn)動(dòng)合成上，本文提出了采用動(dòng)量擾動(dòng)與空間姿態(tài)比較相結(jié)合的運(yùn)動(dòng)搜索算法。傳統(tǒng)方法往往只考慮運(yùn)動(dòng)姿態(tài)在數(shù)值上的相似性來合成運(yùn)動(dòng)，忽略了動(dòng)量變化帶來的影響，因此合成的運(yùn)動(dòng)缺乏真實(shí)感而且計(jì)算量大。本文利用運(yùn)動(dòng)捕獲時(shí)真實(shí)人與運(yùn)動(dòng)合成中虛擬人受外力作用后引起的動(dòng)量變化的相似性，提出的基于動(dòng)量的搜索算法能更準(zhǔn)確地從數(shù)據(jù)庫中搜索出合適的運(yùn)動(dòng)序列以響應(yīng)外力作用。為了提高運(yùn)動(dòng)搜索的速度，本文還采用了近

4、似最近鄰搜索算法(ApproximateNearestNeighbor，ANN)和骨骼結(jié)構(gòu)的層次細(xì)節(jié)降低數(shù)據(jù)庫維度的方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本算法可以很好地模擬虛擬人對(duì)用戶輸入的虛擬外力做出及時(shí)反應(yīng)。 在基于混合控制的反應(yīng)運(yùn)動(dòng)生成上，本文提出了基于并行模擬機(jī)制的軌跡預(yù)測方法。物理模擬與運(yùn)動(dòng)捕獲數(shù)據(jù)相結(jié)合的混合控制方法已經(jīng)成為生成反應(yīng)跟隨性人體動(dòng)畫的一種有效手段。其中，虛擬人在物理模擬下運(yùn)動(dòng)軌跡的預(yù)測是實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)光滑過渡的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的方

5、法通常采用類似于電影膠片倒帶機(jī)制來預(yù)測虛擬人的運(yùn)動(dòng)軌跡，然后再重新模擬一次。因此，采用這種方法只能處理接觸時(shí)間非常短暫、單次觸發(fā)的事件。本章提出的并行模擬的方法可以模擬連續(xù)、多次接觸的反應(yīng)運(yùn)動(dòng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本文的算法比傳統(tǒng)的方法更有效，可以實(shí)時(shí)地模擬虛擬人連續(xù)遇到障礙物后摔倒、爬起來的運(yùn)動(dòng)以及被對(duì)手推、打后做出的及時(shí)反應(yīng)。為了使生成的虛擬人運(yùn)動(dòng)更加逼真，本文還提出了基于生物力學(xué)的姿態(tài)調(diào)整，采用手臂吸收瞬間沖擊力的策略來模擬摔倒過程中的保

6、護(hù)性動(dòng)作。 在人體行走受擾平衡恢復(fù)的研究上，本文提出了動(dòng)力學(xué)局部模擬和平衡校正相結(jié)合的算法，解決了虛擬人在行走過程中被重物撞擊后的平衡保持問題。當(dāng)外力作用時(shí)，只讓虛擬人的部分關(guān)節(jié)由自身的肌肉力驅(qū)動(dòng)，而雙腿的運(yùn)動(dòng)仍然由運(yùn)動(dòng)捕獲數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)。與傳統(tǒng)的方法相比，本文的算法可以讓虛擬人既能抵消外界沖擊，又能保持原有的步法，不會(huì)因?yàn)榉D(zhuǎn)力矩的作用而摔倒，最后通過基于ZMP(ZeroMomentPoint)的平衡校正使生成的反應(yīng)運(yùn)動(dòng)滿足動(dòng)態(tài)平衡