虚拟人在3D游戏中的仿真实现分析

王媛芳 （重庆工程学院 400000）

虚拟人在3D游戏中的仿真实现分析

王媛芳 （重庆工程学院 400000）

虚拟人是计算机辅助人机设计的前提和有效手段，具体是指人在计算机虚拟环境中几何特性和行为特性的重要表现。虚拟人的研究起源于计算机图形学界。想要将虚拟人准确的再现到三维虚拟空间中，不仅需要进一步实现对人体外观的模拟，而且还需要进行动态化的运动模拟，从而拉近虚拟人和现实人之间的亲近感。文章在阐述人机设计中的虚拟人仿真技术实现的基础上，具体分析虚拟人在3D游戏中的仿真实现和应用。

虚拟人；仿真技术；3D游戏；设计实现

产品人机设计是指在考虑人心理、生理因素需求的基础上，采用人机工程学理论方法解决各种问题，从而构建完美人机关系的一种设计思想和方法。在社会科技的发展下，有学者提出了数字化人机工程理念，即应用计算机信息技术进行辅助性的人机设计，在相关软件系统的作用下进行人机设计和评价。在游戏设计的三维场景中应用虚拟人，能够提升用户对游戏的沉浸感。而想要实现虚拟人在三维虚拟空间中的准确再现不仅需要对人体外观进行模拟，而且还需要进行形象化、生动化的模拟。基于人体结构的复杂，怎样有效模拟人的动作成为未来虚拟人技术的研究发展方向。

一、虚拟人概述

虚拟人是指人才计算机虚拟空间中的几何特性和行为特性总和，能够被人们广泛的应用在人机交互工程、人机工程、视频工作、娱乐游戏等多种领域。虚拟人的特征一般体现在两个方面，一个是交互性，另外一个是自治性。自治性是指虚拟人具有感知外界和针对某种感知做出迅速反应的能力。虚拟人大多采用了拟人化的关节结构，根据抽象的人体模型能够在不同软件的应用下生成人体计算机，形成数字化人体模型。虚拟人最简单的计算机模型是二维、三维线性模型，能够对人体的关节连接情况进行有效的反映。虚拟人的另外一个功能是在虚拟人行为仿真领域应用人工智能技术。对虚拟对象自主行为进行研究，让虚拟人充分显示出智能化和情感化的特点。

二、虚拟人运动技术概述

虚拟人运动技术最早是研究底层运动的控制技术，即通过动作参数的制定来实现对人体运动的控制。早期的虚拟人技术虽然能够带来逼真化的人体动画效果，但是操作程序较为复杂，在进行人体复杂动作和群体控制运动仿真操作的时候，底层运动控制技术无法充分支撑这些研究。在科学技术的不断发展下，相关人员进一步研究出了高层动作控制技术，也就是行为控制技术。该技术参考了心理学内容，总结出人的行为体现的是一个从感知到决策再到行动的循环过程。在这个过程中，虚拟人能够充分感知自己所在环境的各种变化。虚拟人在感知周围环境的同时结合自身发展状态和掌握的知识，做出适当的反应来和周围环境适应。虚拟人和行为控制技术结合，通过引入感知、认知、决策等功能，能够建立一种虚拟化的自主模型，为虚拟人运动高层控制的实现提供重要手段的支持。在形成高层虚拟人运动控制系统之后，动画师在对虚拟人动作控制的时候只需要描述虚拟人的行为特征就能实现，减少了运动设置不必要的工作环节。

三、3D游戏中的虚拟人

随着影音游戏行业的深入发展，在影音游戏行业发展中更加强调游戏运动的逼真性、形象性和可操作性。为此，3D游戏中虚拟人的设置要注重对人体运动的控制，实现人体运动的可控性、形象性和实时性。对人体运动虚拟人模型构建的方法包括动力学法、运动学法。这些方法能够适用的范围是有限的，应用的背景也是受到限制的。动力学不适合模拟大范围的人体运动，不具有形象逼真性的特点。关键帧插值方法具有操作简单和实时性的特点，对参数信息的合理控制也能够保证运动的逼真性和形象性，但是应用具有前提的要求，具体要求能够有效获得合理的人体数据信息。这一点加重了工作处理的繁琐性，在推广应用上遇到了麻烦。运动捕获法能够提升运动的逼真性和形象性，但是在应用的时候往往缺乏对应的数据处理窗口，具体的数据处理过程也不够完善。

为了保证人体运动的各方面性能，在应用虚拟人建模方法的时候需要做到具体问题、具体分析，对不同类型3D游戏的要求要选择不同的人体运动建模方法。在应用参数化关键帧插值之后能够实现对动作姿态的有效调整，并通过人机交互对话框和控制台命令的方式来控制目标姿态和手势，提升动画动作的逼真性和形象性。还可以应用逆向运动学方法做出相应的徒手操作和武器操作工作。这些动作的实现需要涉及到游戏操作对象或者游戏武器空间的位置变化，基于目标参数关节链的位置参数信息能够为应用关节链驱动方法提供良好的条件支持。运动重定向方法能够完成人物的直立行走、仰卧爬行等动作，但是在动作操作的时候会涉及到大范围的动作，逆向运动法是很难满足人体视觉要求的逼真动作。

四、3D游戏虚拟人的多层次模型构建

虚拟人在3D游戏中仿真实现操作应用最多的是多层次模型。多层次模型也是和人体解剖结构关联最大的模型，主要是应用骨架来支撑虚拟人的中间层和皮肤层。虚拟人的中间层具体包括骨骼、肌肉和脂肪组织等。在中间层中一个层次就能被定义成概念上的模拟模型，能够将高层次的参数信息映射到较低层次的的输出上。在3D动作制作的时候，相关人员制定各个层次之间的结构关系，同时还能够应用高层控制人体的全局运动。但是受人体外形是由人体骨络结构附加在骨骼上肌肉运动影响大，人体皮肤的形象也会导致骨骼和骨骼肌肉的发展收缩变化。因而，在一般情况下，通过对人体骨骼层的操作就能让虚拟人在3D游戏中实现仿真设计。

综上所述，虚拟现实系统是人类智慧和科学技术发展的重要成果，也是人类历史发展的重要创造物。虚拟人和动画设计产品组成了一个低成本的虚拟现实场景，带来了很强的虚拟真实感，符合国际上对虚拟人的设计应用要求。通过人体关节动画的仿真能够实现对虚拟人动作的仿真。虚拟人在3D游戏中的仿真实现为游戏形式的展现带来了新的面貌。复杂的人机设计还需要注重舒适度分析、疲劳分析等，因而，伴随动画技术的发展，虚拟人仿真技术在3D动画的未来应用时怎样建立虚拟人物理建模，这也是虚拟人智能性未来发展的重要研究。

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王媛芳，女，出生年月：1991年1月27日，籍贯：河南，工作单位：重庆工程学院，研究方向：游戏设计与开发，学历：本科。