虚拟人技术的研究与在体育中的应用

2015-12-04张姗韩娟浙江大学浙江杭州310028

当代体育科技 2015年2期

张姗　韩娟(浙江大学　浙江杭州　310028)

虚拟人技术的研究与在体育中的应用

张姗韩娟
(浙江大学浙江杭州310028)

虚拟人的运动生成及控制是当今虚拟现实研究和计算机3D动画运用中一个重要的研究领域,虚拟人研究也是现在研究的一个热点。虚拟人集现实和虚拟环境的特点于一身,是现实与虚拟环境沟通的中介,虚拟人技术的研究需要各个学科的共同支持,随着各学科的不断发展,坚信虚拟人技术也会随着不断取得进步,并最终实现研究的目标。该文主要介绍了虚拟人的相关概念、虚拟人模型的发展、虚拟人的运动控制以及其在体育中的应用。

虚拟人虚拟模型运动控制体育应用

1　虚拟人概念

虚拟人(virtual human)是人体在计算机生成的空间中的几何特性及空间特征的表现[1]。虚拟人是人类的各种特征,包括几何特征、物理特征、生理特征、动作行为特征、感知及情感特征等,在生成的虚拟空间中的数字化表示,是一种高度真实的人的特征的数字化重现。虚拟人技术从总体上考虑了虚拟人、虚拟的环境以及用户终端之间的相互作用,在已经建立的虚拟环境中构建人的各种特征模型,以此利用构建的虚拟人对人体的外观以及姿势的变化来重现真实人体,这在智能机器人、运动生物力学、人工智能等领域中都有重要作用[2]。虚拟人又称计算机合成角色,是指人在计算机生成的模拟环境中所表现出的几何特性和行为特性。

2　虚拟人模型的发展

2.1棍棒型

棒模型是指将人体的基本轮廓用关节和棒图形表示出来。这种模型把人体的各大关节简化成点,而把关节之间的骨骼用线段表示出来,骨骼由关节按照一定的顺序、层次连接在一起,组成一个类似于树的结构。每层骨骼或关节的位置则决定于其上层的位置,也就是父关节点的运动影响其所有后面节点的运动。

2.2表面模型

表面模型是指将人体骨架用一系列曲面或多边形包围起来以表示人体外形。该模型较棒模型真实感增强,但是表面模型存在的问题就是关节处曲面的控制较难,在给模型赋予动作时会产生表面的变形[3]。

2.3体模型

体模型是指用基本的圆柱体、球体、椭圆体等的组合来表示人体的外形,体模型的缺陷是其逼真度不够,没有办法表示人体模型表面的一些局部变化[4]。

2.4分层模型

这种模型主要是由人体的基本骨架、人体肌肉层及皮肤层共同构成的,有时也会加入表示虚拟人头发、衣饰等的装饰层。基本骨架层通过关节确定人体基本状态,进而决定人的基本姿态。肌肉层则确定人体各个部位的变形能力,皮肤变形也受该层的影响,最后皮肤层决定虚拟人外观。

3　虚拟人的运动控制

人体的计算机模型的运动控制的研究涉及到很多领域,例如动物学、运动生物力学以及动力学等多个学科。目前运动控制领域的研究主要有关键帧法、动力学法、运动学法、运动捕捉法[5-7]。

3.1关键帧法

关键帧方法是人的计算机模型运动控制的传统方法,最早提出关键帧这一概念的是早期Walt Diseney的卡通动画片制作室。早期的动画先由动画师设置关键画面,接着在根据所设置的关键画面设计能够时动作连接起来的中间帧,这是关键帧方法的本质。现在的计算机3D软件中的插值可以代替人工自动设置中间帧,使两张图片之间省略的动作自动生成。因此在使用计算机生成动作的影响参数如位置、角度及旋转等都是关键帧的参数,这是参数关键帧插值技术。除此之外,还有双插值技术和时间弯曲技术。

3.2运动学法

运动学法包括正向运动学方法和逆向运动学方法,它们都是设置人体模型关节动作行之有效的方法。正向运动学方法是把末端效应器看作是时间的函数,通常采用对人体关节所旋转角度进行设置的方法得到末端效应器的空间位置以及关键帧的姿态[8]。正向运动学方法通过设置人体各关节的空间位置的参数求解出末端效应器的方向及位置。但是在实际应用过程中,人体模型的运动控制涉及到的关节自由度很多,因此要输入的参数相对较多,因此该过程相对繁琐费时,不仅如此,正向运动学方法还要求使用者具有很强的人体运动平衡感。

与正向运动学的方法相反,逆向运动学方法是指通过确定空间关节的空间位置,计算机软件可以自动求出各中间关节的空间位置,这可以在很大程度上减少使用者的工作量[9]。简而言之,在生成人体模型的运动姿势时,如若选择逆向运动学方法,只需确定各个肢体末端的方向和位置,计算机便可自动计算出各关节的角度,进而生成人体模型的运动姿势。

3.3动力学法

对于正常机体来说,其受到的作用力很多,主要包括重力、地面对其的反作用力、外力等各方面的力的作用,因此在人体运动控制的过程中动力学方法的出现。动力学方法基于物体的运动都是由其所受到的力控制这一原理,提出人体模型的运动由动力学方程控制。模型所建立的虚拟骨架可以看成是符合物理规律的连杆系统,如果确定了关节的力或者力矩,可以通过递推的方式建立方程,进而可以计算出骨架的运动[10]。但这种方法在所建模型中的运动控制方面应用不是很成功,因为人体运动离不开肌肉力量的驱动,而肌肉的力及力矩是很难确定的,因此仅仅靠动力学方程的方法来确定人体模型的运动姿势是很困难的。

3.4运动捕捉法

运动捕捉方法是指利用三维传感器记录运动者所需的运动信息,接着利用计算机对所接收的包含于运动信息中的运动数据指挥人体模型的运动。这种方法是利用人体运动的真实数据进行控制的,因此,所建的人体模型基本上是真实运动人体的一个复制品,其效果的逼真程度相当显著。但是值得注意的是虚拟的人体模型和真实的人体之间无论是在外形还是身高上都不可能完全相同,并且在真实人体的运动过程中所收集的数据受到传感器或是传感衣的移动的影响,这都会引起数据来源的误差,进而导致人体动作的变形。目前运动捕捉的技术主要有四种类型:声学式运动捕捉、光学式运动捕捉、机械式运动捕捉及电磁式运动捕捉[11]。

4　虚拟人在体育中的应用

虚拟人在体育领域中的一个重要的应用就是对运动员动作的重现,并且对重现的运动员动作进行分析。随着运动员动作的娴熟与不断进步,利用传统的摄影方法已经不能满足教练员对运动员动作的进一步分析,而利用虚拟人可以很好的解决这一问题。目前在体育领域中应用虚拟人技术的相对比较成熟的运动项目要数体操和蹦床。以体操为例,教练员首先对真实的体操队员进行人体建模,接着利用建构的人体模型进行动作编排,最后利用虚拟出来的体操运动员比较精确的再现体操运动员的技术动作,进而可以帮助运动员们改进、创新其技术动作,最后达到提高技术水平的目的。除此之外,体育领域中的其他项目也广泛应用了虚拟人技术,如举重、篮球、高尔夫球及滑雪等运动项目[12]。浙江大学的张林老师利用maya软件对篮球技术动作的三维仿真取得了重要的成果,其研究首先利用poser建模软件进行建模,接着将建立的模型导入maya软件,对模型构建骨架和设定主要关节,接着对模型进行蒙皮和绑定,最后利用软件设定关键帧以达到对虚拟模型的运动控制,最后仿真出优秀篮球运动员的技术动作,为篮球运动的发展进步做出了贡献。

虚拟人技术克服了传统的二维图像分析的弊端,可以进行一个三维的全方位的分析,利用maya软件可以获得虚拟出来的运动员的关节角度的变化、位置的变化以及关节的各个方向的旋转变化,这些数据是传统研究方法无法获得的,所以体育领域中虚拟人的应用是未来的必然趋势。