淺談三維虛擬人體模型的構(gòu)建與應(yīng)用

高巍

計(jì)算機(jī)輔助人機(jī)工程分析軟件目前正成為設(shè)計(jì)師手中的利器。三維虛擬人體模型正是這些軟件的科學(xué)基礎(chǔ)。本文主要介紹了構(gòu)建人體模型的科學(xué)依據(jù)、建立方法及應(yīng)用現(xiàn)狀，以期能對(duì)其進(jìn)行科學(xué)地選用、維護(hù)和再開(kāi)發(fā)，不斷推進(jìn)人機(jī)工程學(xué)的實(shí)踐應(yīng)用研究。

一、前言

近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)技術(shù)的飛速發(fā)展，人機(jī)工程學(xué)分析模塊成為了各種軟件的熱門(mén)開(kāi)發(fā)方向。設(shè)計(jì)師可以方便地使用軟件中提供的人體模型庫(kù)、姿勢(shì)庫(kù)等對(duì)產(chǎn)品的人機(jī)效應(yīng)進(jìn)行直觀驗(yàn)證，大大提高了設(shè)計(jì)效率。三維人體模型在這個(gè)過(guò)程中發(fā)揮著巨大的作用，了解這些模型的構(gòu)建原理與應(yīng)用現(xiàn)狀，有助于設(shè)計(jì)師對(duì)其進(jìn)行科學(xué)地選用、維護(hù)和再開(kāi)發(fā)，不斷推進(jìn)人機(jī)工程學(xué)的實(shí)踐應(yīng)用研究。

二、構(gòu)建三維虛擬人體模型的科學(xué)依據(jù)

三維虛擬人體模型的構(gòu)建必需基于經(jīng)過(guò)科學(xué)采集并處理的數(shù)據(jù)以及人體結(jié)構(gòu)原理。這樣的人體模型才能對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行明確有效的指導(dǎo)。

1.人體測(cè)量數(shù)據(jù)的采集與統(tǒng)計(jì)

（1）人體測(cè)量數(shù)據(jù)的采集。

人體的數(shù)據(jù)受來(lái)源不同的影響，有很大的差異性，主要影響因素包括地區(qū)、年齡、性別、民族、工作以及氣候等。建立人體模型首先要找準(zhǔn)特定的目標(biāo)部族，有的放矢地測(cè)量和整理人體數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)中尋找線(xiàn)索，幫助設(shè)計(jì)師開(kāi)展科學(xué)的設(shè)計(jì)。

人體測(cè)量數(shù)據(jù)大體可分為四類(lèi)：靜態(tài)數(shù)據(jù)、運(yùn)動(dòng)區(qū)域數(shù)據(jù)、生理數(shù)據(jù)和力學(xué)數(shù)據(jù)。其中靜態(tài)數(shù)據(jù)是指人在靜止不動(dòng)的狀態(tài)下測(cè)量獲得的形態(tài)數(shù)據(jù)，其主要內(nèi)容是人體規(guī)格（體型、身高和體積等），可采用站立、靜坐、跪下和躺臥四種姿態(tài)；運(yùn)動(dòng)區(qū)域數(shù)據(jù)是指人在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)四肢的有效作用范圍，主要分析兩種：一種是肢體的活動(dòng)角度范圍，一種是肢體所能達(dá)到的距離范圍；生理數(shù)據(jù)是指人體的主要生理指標(biāo)，主要內(nèi)容有：皮膚面積、各器官體積、耗氧量、心率、疲勞度和反應(yīng)度等；力學(xué)數(shù)據(jù)主要考量人體的主要力學(xué)指標(biāo)。如人體的重量與重心位置、各轉(zhuǎn)動(dòng)器官的慣量、受力與出力等。

（2）人體測(cè)量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)。

人體測(cè)量所針對(duì)的是一個(gè)群體而非個(gè)人?；谌伺c人之間差異性的考量，個(gè)別或少數(shù)的人體測(cè)量數(shù)據(jù)不能作為建立三維虛擬人體模型的依據(jù)。比較科學(xué)高效的做法是，首先測(cè)量群體中少量、部分的個(gè)體樣本，這些數(shù)據(jù)是離散的隨機(jī)變量，再根據(jù)概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)理論對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理，從而獲得所需特定群體的數(shù)據(jù)。常用的統(tǒng)計(jì)特征參數(shù)有平均數(shù)、方差和百分比等。

（3）我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的成年人人體結(jié)構(gòu)尺寸。

我國(guó)人體的尺寸參數(shù)受地域、民族的影響與其他國(guó)家差異較大，針對(duì)我國(guó)的人體測(cè)量數(shù)據(jù)，建立符合國(guó)情的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)并指導(dǎo)開(kāi)展人機(jī)工程學(xué)的應(yīng)用是必然的要求。我國(guó)成年人人體尺寸的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB10000-88于 1998年 7月開(kāi)始實(shí)施，該標(biāo)準(zhǔn)給出了我國(guó)成年人身體尺度的通用數(shù)據(jù)，可以運(yùn)用在各類(lèi)產(chǎn)品、建筑裝修和軍工裝備等各個(gè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域。該標(biāo)準(zhǔn)列明了 47項(xiàng)人體尺寸通用數(shù)據(jù)，共分為 18～ 25歲（男、女），26～ 35（男、女），36～ 60（男）、55（女）三個(gè)年齡層次。

2.人體測(cè)量數(shù)據(jù)與人機(jī)分析的聯(lián)系

基于科學(xué)數(shù)據(jù)建立的人體模型常被用于視野分析、觸及范圍分析及疲勞分析等。以做視野分析時(shí)所依據(jù)的數(shù)據(jù)模型“眼橢圓”為例。

不同身高的操作人員以正常的姿態(tài)使用產(chǎn)品時(shí)，他們的眼睛位置在產(chǎn)品坐標(biāo)系中的統(tǒng)計(jì)分布圖形呈橢圓形。“眼橢圓”是研究產(chǎn)品視野范圍性能的重要基準(zhǔn)，能比較準(zhǔn)確地代表幾乎所有人群的特點(diǎn)，圖 1為眼橢圓的三維示意圖。

由于眼橢圓代表了大部分使用者在正常使用時(shí)眼睛在產(chǎn)品坐標(biāo)系中的分布。因此，眼橢圓是指導(dǎo)和評(píng)價(jià)產(chǎn)品設(shè)計(jì)視野范圍是否符合人機(jī)工程學(xué)要求的關(guān)鍵要素。在 CAID軟件中，眼橢圓樣板庫(kù)可以通過(guò)二次開(kāi)發(fā)得到，如圖 2所示為樣板庫(kù)中生成的眼橢圓模型。這些模型在進(jìn)行定位后可以精確直觀的進(jìn)行視野分析。

三、三維虛擬人體模型的構(gòu)建方法

被肌肉和表皮覆蓋的骨架構(gòu)成了外觀上的人體模型。在對(duì)人體進(jìn)行三維虛擬建模的時(shí)候，需要綜合考慮骨架模型和外表模型的關(guān)系。

1.骨架模型

骨架模型可以描述人體軀干與各個(gè)主次肢體間的位置聯(lián)絡(luò)與運(yùn)動(dòng)聯(lián)系，可以表達(dá)人體肢體段的數(shù)目、肢體的長(zhǎng)度和聯(lián)接關(guān)系，在三維軟件中更可以進(jìn)一步對(duì)各聯(lián)接關(guān)節(jié)的自由度和活動(dòng)范圍進(jìn)行設(shè)定。頭、軀干、上肢和下肢是外型上人體的四大組成結(jié)構(gòu)，每部分結(jié)構(gòu)又可以再做進(jìn)一步的細(xì)分，如上肢還包括上臂、下臂和手等。在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，三維虛擬人體的骨架應(yīng)忠實(shí)于實(shí)際情況以保障不丟失重要分析數(shù)據(jù)，又應(yīng)同時(shí)考慮適當(dāng)簡(jiǎn)化不必要的部分以減少使用難度。以 Creo軟件為例，其提供的人體模型骨架一共被簡(jiǎn)化為 14個(gè)關(guān)節(jié)，每個(gè)關(guān)節(jié)都使用了正確的約束，如腰關(guān)節(jié)為了模擬真實(shí)的腰部運(yùn)動(dòng)定義了球面副和移動(dòng)副的組合約束關(guān)系，而轉(zhuǎn)動(dòng)副則被用于膝關(guān)節(jié)的約束。人體模型一共設(shè)置了 33個(gè)自由度，如圖 3所示。

2.外表模型

外表模型表述了皮膚、毛發(fā)和穿著等外在因素，精確的外表模型可以提高人體模型的真實(shí)性。隨著計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)的發(fā)展，人體模型的曲面精度和質(zhì)量以及渲染效果都在不斷提升，越來(lái)越精致的人體模型開(kāi)始被應(yīng)用到產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，如圖 4所示為 Creo軟件所提供的人體模型。

四、三維虛擬人體模型的人機(jī)應(yīng)用

三維虛擬人體模型已被各大軟件廠(chǎng)商付諸實(shí)踐，形成了各具特色的計(jì)算機(jī)輔助人機(jī)分析模塊，以美國(guó) PTC公司產(chǎn)品 Creo所附帶的 Manikin模塊為例。

Manikin允許設(shè)計(jì)人員將虛擬人體模型添到產(chǎn)品的裝配場(chǎng)景中，同時(shí)定義該模塊提供的精確人體特征和力學(xué)特征，例如體態(tài)、視野、運(yùn)動(dòng)類(lèi)型、力和舒適度等?？梢葬槍?duì)一定性別和人種的基本數(shù)據(jù)對(duì)模特進(jìn)行自由定義與操縱，幫助設(shè)計(jì)人員更好地了解產(chǎn)品與人（包括用戶(hù)、銷(xiāo)售者、安裝者和維修者等）之間的關(guān)系。

Manikin共包含人體模型放置、運(yùn)動(dòng)、視效、人機(jī)分析和任務(wù)分析五大功能模塊，均與三維虛擬人體模型有著直接的聯(lián)系，如圖 5所示。

（1）人體模型放置：該功能可以將虛擬人體模型插入裝配環(huán)境中，并根據(jù)人體庫(kù)的數(shù)據(jù)定義性別、種族、體型及其他關(guān)聯(lián)可變因素。根據(jù)相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，Manikin提供了人體模型庫(kù)供設(shè)計(jì)師調(diào)取使用，從而簡(jiǎn)化了人機(jī)功率設(shè)計(jì)的步驟，提高了設(shè)計(jì)效率。如圖 6所示。

（2）運(yùn)動(dòng)：允許設(shè)計(jì)者定制人體模型的附件和姿勢(shì)，可以深入地調(diào)整模型身體骨節(jié)的位置和角度，并提供了包括2D拖動(dòng)、體節(jié)拖動(dòng)和旋轉(zhuǎn)等直觀的操作方式，用于幫助生成真實(shí)的人體方案。同時(shí)也可以快速訪(fǎng)問(wèn)包含標(biāo)準(zhǔn)姿勢(shì)（站立、蹲坐和下跪等）和手型（握拳、指向和并緊等）的全套姿態(tài)庫(kù)，便捷設(shè)置體態(tài)姿勢(shì)。而其中的包絡(luò)工具可幫助確定模特的有效作業(yè)區(qū)域。

（3）視覺(jué)：通過(guò)生成視野窗口，模擬仿真用戶(hù)能夠“看到”對(duì)象的范圍，這一范圍的主要表現(xiàn)形式是視野圓錐，它可幫助設(shè)計(jì)人員了解該尺度的人能看到的外圍、雙眼視野以及最佳視野等。

（4）人機(jī)工程學(xué)分析：允許從性質(zhì)和體量?jī)蓚€(gè)維度分析人的多樣化姿態(tài)。校驗(yàn)分析的結(jié)果通過(guò)與舒適性數(shù)據(jù)庫(kù)中的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較 ，得出舒適度分析結(jié)論。這一功能可以幫助設(shè)計(jì)者快速發(fā)現(xiàn)有問(wèn)題的區(qū)域，重新做出設(shè)計(jì)調(diào)整。

（5）任務(wù)分析：可以模擬、傳遞和優(yōu)化常見(jiàn)的手工處理任務(wù)，例如舉起、放低、推、拉和攜帶。

五、結(jié)語(yǔ)

三維虛擬人體模型為計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)的開(kāi)展奠定了基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)師能夠更加直觀、科學(xué)地進(jìn)行人機(jī)分析及產(chǎn)品改進(jìn)，創(chuàng)造出更宜人宜用的產(chǎn)品。放眼未來(lái)，三維虛擬人體模型將在包括醫(yī)學(xué)、建筑和服裝等諸多領(lǐng)域大顯身手。endprint