《虚拟现实技术》虚拟人动画

Dss表示行走过程中单脚支撑时间；
Dds表示行走过程中双脚支撑时间；
人体运动的仿真研究
❖ 传感器运动捕捉法 ❖ 运动捕捉一般采用四种方式：机械式运动捕捉、声学
式运动捕捉、电磁式运动捕捉、光学式运动捕捉。 ❖ 典型的运动捕捉设备一般由以下几个部分组成：
▪ 传感器 被固定在运动物体特定的部位，向系统提供运动的 位置信息。
❖ 参数关键帧技术 ❖ 关键帧的概念来源于传统的卡通片制作。在早期
Walt Disney的制作室中，熟练的动画师负责设计卡 通片中的关键画面，即所谓的关键帧，然后由助理 动画师设计中间帧。在三维计算机动画中，中间帧 的生成由计算机来完成，插值代替了设计中间帧的 动画师。所有影响画面图像的参数都可成为关键帧 的参数，如位置、旋转角、纹理的参数等。关键帧 技术是实现计算机人体仿真最基本的方法，它被认 为是一种直接的正向运动学方法 。
（3）水波的模拟 水波模拟的简单方法是用正弦波，通过设置振幅和相位等
参数可以控制效果。可以用三维空间的正弦波状曲面来造型水 波。
虚拟现实仿真中的动画技术
关节动画
关节动画可用于人体动画。 （1）正向运动学方法 正向运动学是设置关节动画的有效方法。通过对关节角设 置关键帧，得到相关联的各肢体的位置，这是正向运动学方法。 一种实用的解决方法是实时纪录真人各关节的运动数据。 这就是运动捕获。 （2）逆向运动学方法 逆向运动学方法可以减少正运动学方法的工作； 用户指定 末端关节的位置，计算机自动计算出各中间关节的角度； 随着关节复杂性的增加，逆运动学的计算复杂性急剧增加， 需要进行数值求解。
计卡通片中的关键画面，即关键帧。然后，由助理动画师设计中间帧。在 三维计算机动画中，计算机利用插值方法设计中间帧。另一种动画设计方 法是样条驱动动画，用户给定物体运动的轨迹样条。关键帧动画有下列技 术问题。 （1）弧长参数化（2）插值过程的运动学控制 （3）物体姿态的插值
虚拟现实仿真中的动画技术
插值方法
虚拟现实仿真中的动画技术
（2）群体运动 许多动物（如鸟和鱼）以群体的方式运动。这种运动有随
机性，又有一定的规律性。群体行为包含两个对立的因素，既 要相互靠近，又要避免碰撞。Reynolds提出的群体动画解决了 这个问题。他用三条优先级递减的原则控制群体的行为：（1） 碰撞避免原则，避免与相邻的群体成员相碰；（2）速度匹配 原则，尽量匹配相邻群体成员的速度；（3）群体合群原则， 群体成员尽量靠近。
虚拟现实仿真中的动画技术
插值方法
1．线性插值 线性插值是把各中间点，按照与自变量的线性关系，均匀分布。如果把
自变量理解为时间量，这相当于沿着直线以匀速运动，通过各中间点。 2．非线性插值
实际物体运动有时不是匀速的，从零初速度加速，再减速，并停止在终 点。这时用非线性插值。 3．参数插值
（1）平方插值 （2）立方插值 （3）Hermite插值
脸部运动的仿真研究
MPEG-4人脸动画技术足基于对象的编码格式，并为人脸 的动画制定了一系列标准。
MPEG-4人脸规范中使用人脸定义参数(Facial Definition Parameters，FDP)、人脸动画参数(Facial Animation Parameters，FAP)、人脸动画参数单元 (Facial Animation Parameters Unit，FAPU)对人脸的 表示和动画进行定义。
人体运动的仿真研究
❖ 过程建模方法
Dds
Dss
Dds
Dss
Dds
Dss
Ds
RV=RLc/Dc；
Dc
Dss=0.752Dc-0.143； Ds=0.248Dc+0.143；
行走时序图
Dds=0.252Dc-0.143；
RLc表示人体在一个周期内走过的距离；
RV表示人体行走速度；
Dc表示运动周期；
Ds表示支撑周期；
包括到动力学方程中。另一种方法将约束以方程形式给出。如果约束方程 的个数与未知数个数相等，则可以用稀疏矩阵法快速求解。如果系统是欠 约束的，就会有无穷多解。
（4）时空约束动画 动画师的一种任务是，指定关节的运动，使之以符合物理规律的方式
达到给定的目标，例如投篮球到球框中。为此，Witkin提出了时空约束方法。 动画师指定角色的任务，角色的物理结构（如几何、质量、连接性质等）， 角色利用的物理资源（如肌肉）。这些描述， 加上牛顿定律，构成一个约 束的优化问题。问题的解是符合物理规律的运动。
Contents
1 虚拟现实仿真中的动画技术 2 人体运动的仿真研究 3 脸部运动的仿真研究
脸部运动的仿真研究
图像分割 特征点和轮廓线的提取 真实感的三维人脸重建
人脸动画合成
脸部运动的仿真研究
根据初始输入数据的不同，目前人脸建模大致分为基于空间 三维散乱点的建模方法和基于图像的建模方法。
基于空间三维散乱点的建模方法一般直接使用相关的硬件装 置采集真实人脸数据进行三维重建。虽然能够快速地获取到 人脸的几何信息，但由于硬件成本比较昂贵使得该类建模方 法的应用范围受到限制。
人体运动的仿真研究
虚拟人运动仿真的实现方法
❖ 过程建模方法 ❖ 过程建模法是用一个数学模型去控制物体的几何形
状和运动，它依靠计算机的计算能力来决定物体的 位置，当控制者设定了模型末端执行机构的位置， 模型内部连接的运动由计算机自动计算得到。 ❖ 以人体的走路动作为例，从大量的试验数据可以建 立行走模型，它的空间参数可以根据人体行走的基 本特点用如下行走周期时序图和数学函数表示 。
脸部运动的仿真研究
脸动画参数(FAP) 在MPEG-4规范中定义了68个人脸动画参数，每个参数为一个运动 单元。每个人脸动画参数都描述脸部部分肌肉的影响范围，即该 肌肉运动时人脸出现的一个局部运动。各个FAP组成了一个完整 的面部表情集合，集合内的每一个元素为一个基本表情，多个不 同的基本表情的线性组合可得到丰富多样的人脸表情。
6．渐变和变形物体动画 动画的一个特点是物体的形状变形。
（1）变形 变形技术包括：与物体表示有关的变形，与物体表示无关的 变形，基于约束的变形，轴变形。
（2）渐变（morphing） 上述的变形，是一个物体的形状变化。不给定物体最终形状。 渐变，是物体由一种形状逐渐变化为另一种形状。给定物体
最终形状。
虚拟现实仿真中的动画技术
插值方法
4．自由变形FFD 自由变形(Free-Form Deformation, FFD)用于物体形状的内插，得到变
形进程。它使用控制点的3D点阵。通过改变控制点，来改变物体形状。 （1）1D坐标变形（2）2D形状变形（3）3D形状变形
5．关键帧动画 关键帧动画概念来自传统的卡通片制作。在迪斯尼制作室中，动画师设
链的末端执行器的目标位置情况下计算中间关节的旋 转角以实现末端执行器的期望位置。
人体运动的仿真研究
❖ 动力学 ❖ 动力学方法研究物体的运动和作用力之间的关系，它
需指定的参数相对较少，但动力学方法的计算量相当 大，且很难控制。动力学遵守了客观世界的物理定律 ，将模型质量、惯性、初速度、力和力矩列入影响人 体运动的参数之中，所以产生更自然逼真的运动。 ❖ 虚拟人动力学是一项极其复杂仍处于发展中的课题， 常用的动力学推导方法有：牛顿——欧拉法、拉格朗 日法、高斯法、凯恩法、旋量(对偶数)法和罗伯逊— —魏登堡方法。
虚拟现实仿真中的动画技术
（3）动力学中的控制问题 与运动学相比，动力学方法能生成更复杂更逼真的运动，而且需要指定的
参数较少，但是计算量很大，而且难以控制。 动力学方法的一个重要问题是对运动的控制。若没有有效的控制，用户就
必须提供力和力矩这样的控制指令，这几乎是不可能的。 一种方法是预处理法，把所需的约束和控制转换成适当的力和力矩，然后
其中人脸定义参数描述人脸模型的表示和人脸纹理等， 人脸动画参数则用来定义人脸的每个基本表情，人脸动 画参数单元为人脸动画参数的基本单位。
脸部运动的仿真研究
人脸定义参数(FDP)
用于描述人脸模型的几何和纹理信息，包括网格表 示、纹理、脸部特征点和人脸动画定义表等数据， 这些数据都是将中性人脸模型转化为特定人脸模型 时计算所需要用到的。MPEG.4人脸标准中定义了84 个特征点，例如下巴的最低点、鼻尖点、左右眼的 外角点和内眼角点等，并根据位置分布和影响范围 将这些特征点划分为11个组。这些特征点为定义人 脸动画参数提供了参考，同时根据这些特征点可以 定义脸部的几何模型。
称
kg）
头Βιβλιοθήκη Baidu
4.5
胸
23
腰
10
手
0.4
上臂
1.8
前臂
1.1
大腿
6.5
身高170厘米、体重65公 斤人体各部分参数
小腿
3
脚
0.95
半径r（ cm） 6 15 12 2.5 5 3 9 7 4
长度l（ cm） 23 37 15 20 25 24 40 45 24
人体运动的仿真研究
人体运动的仿真研究
基于图像的建模方法包括基于单幅图像、多幅图像和视频图 像序列等方法。 该方法从图像中分析出人脸的几何特征信息，并同时获取人 脸的纹理信息，或者通过人工标定特征点等方法来进行三维 人脸重构。
脸部运动的仿真研究
人脸动画技术就是在动画序列的每一帧中通过控制网格模型的 顶点位置来对人脸模型变形，以产生动画的效果。常见的人脸 动画方法有：关键帧插值方法，参数化方法，和基于肌肉模型 的方法。 关键帧插值技术通过在关键帧处定义人脸表情，其他的非关键 帧的动画序列通过插值得到，从而生成一段连续的人脸动画序 列。基于MPEG.4的人脸技术属于关键帧动画的一种，该方法为 人脸表示和动画定义了标准。 参数化动画技术对脸部各个局部区域进行了相关的参数定义， 通过参数对各个局部区域的运动进行控制，并通过组合不同的 参数以形成一个脸部的整体运动。 使用质点弹簧模型来模拟肌肉的运动，在基于肌肉模型的脸部 动画中通过控制弹簧模型的伸缩来模拟肌肉的伸缩以模拟脸部 的运动。
Contents
1 虚拟现实仿真中的动画技术 2 人体运动的仿真研究 3 脸部运动的仿真研究
人体运动的仿真研究
❖ 虚拟人体的建模，包括几何模型和运动模型； ❖ 虚拟人体的运动控制规律； ❖ 身体在运动中的变形； ❖ 虚拟人与虚拟环境的交互作用； ❖ 人体手部的仿真； ❖ 人体行走的仿真； ❖ 面部表情的仿真。
▪ 信号捕捉设备 负责捕捉、识别传感器的信号。 ▪ 数据传输设备 负责将运动数据从信号捕捉设备快速准确地
传送到计算机系统。 ▪ 数据处理设备 负责处理系统捕捉到的原始信号，计算传感
器的运动轨迹，对数据进行修正、处理，并与三维角色模 型相结合。
人体运动的仿真研究
❖ 运动学； ❖ 逆向运动学是一种常用的人体仿真方法，在已知运动
虚拟现实技术
余月
Contents
1 虚拟现实仿真中的动画技术 2 人体运动的仿真研究 3 脸部运动的仿真研究
虚拟现实仿真中的动画技术
VR中物体的动态可以由两种方法实现这种数值的 动态。
之一是基于数值插值的动画方法，它可以得到物体 的动态。例如虚拟人体的步行，可以由插值实现动 画。
之二是基于物理的运动方程，由方程数值解可得到 物体的动态。例如球的自由下落。
人体运动的仿真研究
❖ 人体模型的物理特性
人体运动的仿真研究
❖ 人体模型的物理特性
人体部位名称
质量(%)
头和颈 胸 腰 手 上臂 前臂 大腿 小腿 脚
0．081 0．216 0．281 0．006 0．028 0．016 0．100 0．047 0．013
人体各部分质量比例
人体运动的仿真研究
❖人体模型的物理特性 各部位名 质量m（
人体运动的仿真研究
MultiGen Creator建立的人体 模型
人体运动的仿真研究
MultiGen Creator建立的人体 模型
人体运动的仿真研究
虚拟人运动仿真的实现方法
❖ 参数关键帧技术； ❖ 过程建模方法； ❖ 运动学； ❖ 动力学； ❖传感器运动捕捉法 。
人体运动的仿真研究
虚拟人运动仿真的实现方法
虚拟现实仿真中的动画技术
动画过程
过程动画是用过程来描述动画中物体的运动或变形。简单的 过程动画，用一个数学模型描述。另一类过程动画，采用特殊 方法，如粒子系统和群体运动。 ❖ （1）粒子系统 粒子建模用于建模水流、雨雪、火焰等自然现象。它用大量
离散的粒子建模模糊的对象。为产生逼真的图形，它要求有 效的反走样，并花费大量绘制时间。 粒子不必建模为多面体，只要建模为一个有色的点。每个粒 子只要保存位置、颜色、出生时间、寿命。例如在火焰中的 粒子，不断产生、上升、消失。