虛擬人技術(shù)的研究與在體育中的應(yīng)用

張姍　韓娟(浙江大學(xué)　浙江杭州　310028)

虛擬人技術(shù)的研究與在體育中的應(yīng)用

張姍韓娟
(浙江大學(xué)浙江杭州310028)

虛擬人的運(yùn)動(dòng)生成及控制是當(dāng)今虛擬現(xiàn)實(shí)研究和計(jì)算機(jī)3D動(dòng)畫運(yùn)用中一個(gè)重要的研究領(lǐng)域,虛擬人研究也是現(xiàn)在研究的一個(gè)熱點(diǎn)。虛擬人集現(xiàn)實(shí)和虛擬環(huán)境的特點(diǎn)于一身,是現(xiàn)實(shí)與虛擬環(huán)境溝通的中介,虛擬人技術(shù)的研究需要各個(gè)學(xué)科的共同支持,隨著各學(xué)科的不斷發(fā)展,堅(jiān)信虛擬人技術(shù)也會(huì)隨著不斷取得進(jìn)步,并最終實(shí)現(xiàn)研究的目標(biāo)。該文主要介紹了虛擬人的相關(guān)概念、虛擬人模型的發(fā)展、虛擬人的運(yùn)動(dòng)控制以及其在體育中的應(yīng)用。

虛擬人虛擬模型運(yùn)動(dòng)控制體育應(yīng)用

1　虛擬人概念

虛擬人(virtual human)是人體在計(jì)算機(jī)生成的空間中的幾何特性及空間特征的表現(xiàn)[1]。虛擬人是人類的各種特征,包括幾何特征、物理特征、生理特征、動(dòng)作行為特征、感知及情感特征等,在生成的虛擬空間中的數(shù)字化表示,是一種高度真實(shí)的人的特征的數(shù)字化重現(xiàn)。虛擬人技術(shù)從總體上考慮了虛擬人、虛擬的環(huán)境以及用戶終端之間的相互作用,在已經(jīng)建立的虛擬環(huán)境中構(gòu)建人的各種特征模型,以此利用構(gòu)建的虛擬人對(duì)人體的外觀以及姿勢(shì)的變化來(lái)重現(xiàn)真實(shí)人體,這在智能機(jī)器人、運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)、人工智能等領(lǐng)域中都有重要作用[2]。虛擬人又稱計(jì)算機(jī)合成角色,是指人在計(jì)算機(jī)生成的模擬環(huán)境中所表現(xiàn)出的幾何特性和行為特性。

2　虛擬人模型的發(fā)展

2.1棍棒型

棒模型是指將人體的基本輪廓用關(guān)節(jié)和棒圖形表示出來(lái)。這種模型把人體的各大關(guān)節(jié)簡(jiǎn)化成點(diǎn),而把關(guān)節(jié)之間的骨骼用線段表示出來(lái),骨骼由關(guān)節(jié)按照一定的順序、層次連接在一起,組成一個(gè)類似于樹的結(jié)構(gòu)。每層骨骼或關(guān)節(jié)的位置則決定于其上層的位置,也就是父關(guān)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)影響其所有后面節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)。

2.2表面模型

表面模型是指將人體骨架用一系列曲面或多邊形包圍起來(lái)以表示人體外形。該模型較棒模型真實(shí)感增強(qiáng),但是表面模型存在的問(wèn)題就是關(guān)節(jié)處曲面的控制較難,在給模型賦予動(dòng)作時(shí)會(huì)產(chǎn)生表面的變形[3]。

2.3體模型

體模型是指用基本的圓柱體、球體、橢圓體等的組合來(lái)表示人體的外形,體模型的缺陷是其逼真度不夠,沒(méi)有辦法表示人體模型表面的一些局部變化[4]。

2.4分層模型

這種模型主要是由人體的基本骨架、人體肌肉層及皮膚層共同構(gòu)成的,有時(shí)也會(huì)加入表示虛擬人頭發(fā)、衣飾等的裝飾層?；竟羌軐油ㄟ^(guò)關(guān)節(jié)確定人體基本狀態(tài),進(jìn)而決定人的基本姿態(tài)。肌肉層則確定人體各個(gè)部位的變形能力,皮膚變形也受該層的影響,最后皮膚層決定虛擬人外觀。

3　虛擬人的運(yùn)動(dòng)控制

人體的計(jì)算機(jī)模型的運(yùn)動(dòng)控制的研究涉及到很多領(lǐng)域,例如動(dòng)物學(xué)、運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)以及動(dòng)力學(xué)等多個(gè)學(xué)科。目前運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域的研究主要有關(guān)鍵幀法、動(dòng)力學(xué)法、運(yùn)動(dòng)學(xué)法、運(yùn)動(dòng)捕捉法[5-7]。

3.1關(guān)鍵幀法

關(guān)鍵幀方法是人的計(jì)算機(jī)模型運(yùn)動(dòng)控制的傳統(tǒng)方法,最早提出關(guān)鍵幀這一概念的是早期Walt Diseney的卡通動(dòng)畫片制作室。早期的動(dòng)畫先由動(dòng)畫師設(shè)置關(guān)鍵畫面,接著在根據(jù)所設(shè)置的關(guān)鍵畫面設(shè)計(jì)能夠時(shí)動(dòng)作連接起來(lái)的中間幀,這是關(guān)鍵幀方法的本質(zhì)?，F(xiàn)在的計(jì)算機(jī)3D軟件中的插值可以代替人工自動(dòng)設(shè)置中間幀,使兩張圖片之間省略的動(dòng)作自動(dòng)生成。因此在使用計(jì)算機(jī)生成動(dòng)作的影響參數(shù)如位置、角度及旋轉(zhuǎn)等都是關(guān)鍵幀的參數(shù),這是參數(shù)關(guān)鍵幀插值技術(shù)。除此之外,還有雙插值技術(shù)和時(shí)間彎曲技術(shù)。

3.2運(yùn)動(dòng)學(xué)法

運(yùn)動(dòng)學(xué)法包括正向運(yùn)動(dòng)學(xué)方法和逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)方法,它們都是設(shè)置人體模型關(guān)節(jié)動(dòng)作行之有效的方法。正向運(yùn)動(dòng)學(xué)方法是把末端效應(yīng)器看作是時(shí)間的函數(shù),通常采用對(duì)人體關(guān)節(jié)所旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行設(shè)置的方法得到末端效應(yīng)器的空間位置以及關(guān)鍵幀的姿態(tài)[8]。正向運(yùn)動(dòng)學(xué)方法通過(guò)設(shè)置人體各關(guān)節(jié)的空間位置的參數(shù)求解出末端效應(yīng)器的方向及位置。但是在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中,人體模型的運(yùn)動(dòng)控制涉及到的關(guān)節(jié)自由度很多,因此要輸入的參數(shù)相對(duì)較多,因此該過(guò)程相對(duì)繁瑣費(fèi)時(shí),不僅如此,正向運(yùn)動(dòng)學(xué)方法還要求使用者具有很強(qiáng)的人體運(yùn)動(dòng)平衡感。

與正向運(yùn)動(dòng)學(xué)的方法相反,逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)方法是指通過(guò)確定空間關(guān)節(jié)的空間位置,計(jì)算機(jī)軟件可以自動(dòng)求出各中間關(guān)節(jié)的空間位置,這可以在很大程度上減少使用者的工作量[9]。簡(jiǎn)而言之,在生成人體模型的運(yùn)動(dòng)姿勢(shì)時(shí),如若選擇逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)方法,只需確定各個(gè)肢體末端的方向和位置,計(jì)算機(jī)便可自動(dòng)計(jì)算出各關(guān)節(jié)的角度,進(jìn)而生成人體模型的運(yùn)動(dòng)姿勢(shì)。

3.3動(dòng)力學(xué)法

對(duì)于正常機(jī)體來(lái)說(shuō),其受到的作用力很多,主要包括重力、地面對(duì)其的反作用力、外力等各方面的力的作用,因此在人體運(yùn)動(dòng)控制的過(guò)程中動(dòng)力學(xué)方法的出現(xiàn)。動(dòng)力學(xué)方法基于物體的運(yùn)動(dòng)都是由其所受到的力控制這一原理,提出人體模型的運(yùn)動(dòng)由動(dòng)力學(xué)方程控制。模型所建立的虛擬骨架可以看成是符合物理規(guī)律的連桿系統(tǒng),如果確定了關(guān)節(jié)的力或者力矩,可以通過(guò)遞推的方式建立方程,進(jìn)而可以計(jì)算出骨架的運(yùn)動(dòng)[10]。但這種方法在所建模型中的運(yùn)動(dòng)控制方面應(yīng)用不是很成功,因?yàn)槿梭w運(yùn)動(dòng)離不開肌肉力量的驅(qū)動(dòng),而肌肉的力及力矩是很難確定的,因此僅僅靠動(dòng)力學(xué)方程的方法來(lái)確定人體模型的運(yùn)動(dòng)姿勢(shì)是很困難的。

3.4運(yùn)動(dòng)捕捉法

運(yùn)動(dòng)捕捉方法是指利用三維傳感器記錄運(yùn)動(dòng)者所需的運(yùn)動(dòng)信息,接著利用計(jì)算機(jī)對(duì)所接收的包含于運(yùn)動(dòng)信息中的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)指揮人體模型的運(yùn)動(dòng)。這種方法是利用人體運(yùn)動(dòng)的真實(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行控制的,因此,所建的人體模型基本上是真實(shí)運(yùn)動(dòng)人體的一個(gè)復(fù)制品,其效果的逼真程度相當(dāng)顯著。但是值得注意的是虛擬的人體模型和真實(shí)的人體之間無(wú)論是在外形還是身高上都不可能完全相同,并且在真實(shí)人體的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所收集的數(shù)據(jù)受到傳感器或是傳感衣的移動(dòng)的影響,這都會(huì)引起數(shù)據(jù)來(lái)源的誤差,進(jìn)而導(dǎo)致人體動(dòng)作的變形。目前運(yùn)動(dòng)捕捉的技術(shù)主要有四種類型:聲學(xué)式運(yùn)動(dòng)捕捉、光學(xué)式運(yùn)動(dòng)捕捉、機(jī)械式運(yùn)動(dòng)捕捉及電磁式運(yùn)動(dòng)捕捉[11]。

4　虛擬人在體育中的應(yīng)用

虛擬人在體育領(lǐng)域中的一個(gè)重要的應(yīng)用就是對(duì)運(yùn)動(dòng)員動(dòng)作的重現(xiàn),并且對(duì)重現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)員動(dòng)作進(jìn)行分析。隨著運(yùn)動(dòng)員動(dòng)作的嫻熟與不斷進(jìn)步,利用傳統(tǒng)的攝影方法已經(jīng)不能滿足教練員對(duì)運(yùn)動(dòng)員動(dòng)作的進(jìn)一步分析,而利用虛擬人可以很好的解決這一問(wèn)題。目前在體育領(lǐng)域中應(yīng)用虛擬人技術(shù)的相對(duì)比較成熟的運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目要數(shù)體操和蹦床。以體操為例,教練員首先對(duì)真實(shí)的體操隊(duì)員進(jìn)行人體建模,接著利用建構(gòu)的人體模型進(jìn)行動(dòng)作編排,最后利用虛擬出來(lái)的體操運(yùn)動(dòng)員比較精確的再現(xiàn)體操運(yùn)動(dòng)員的技術(shù)動(dòng)作,進(jìn)而可以幫助運(yùn)動(dòng)員們改進(jìn)、創(chuàng)新其技術(shù)動(dòng)作,最后達(dá)到提高技術(shù)水平的目的。除此之外,體育領(lǐng)域中的其他項(xiàng)目也廣泛應(yīng)用了虛擬人技術(shù),如舉重、籃球、高爾夫球及滑雪等運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目[12]。浙江大學(xué)的張林老師利用maya軟件對(duì)籃球技術(shù)動(dòng)作的三維仿真取得了重要的成果,其研究首先利用poser建模軟件進(jìn)行建模,接著將建立的模型導(dǎo)入maya軟件,對(duì)模型構(gòu)建骨架和設(shè)定主要關(guān)節(jié),接著對(duì)模型進(jìn)行蒙皮和綁定,最后利用軟件設(shè)定關(guān)鍵幀以達(dá)到對(duì)虛擬模型的運(yùn)動(dòng)控制,最后仿真出優(yōu)秀籃球運(yùn)動(dòng)員的技術(shù)動(dòng)作,為籃球運(yùn)動(dòng)的發(fā)展進(jìn)步做出了貢獻(xiàn)。

虛擬人技術(shù)克服了傳統(tǒng)的二維圖像分析的弊端,可以進(jìn)行一個(gè)三維的全方位的分析,利用maya軟件可以獲得虛擬出來(lái)的運(yùn)動(dòng)員的關(guān)節(jié)角度的變化、位置的變化以及關(guān)節(jié)的各個(gè)方向的旋轉(zhuǎn)變化,這些數(shù)據(jù)是傳統(tǒng)研究方法無(wú)法獲得的,所以體育領(lǐng)域中虛擬人的應(yīng)用是未來(lái)的必然趨勢(shì)。

5　結(jié)語(yǔ)

虛擬人技術(shù)目前還在發(fā)展階段,虛擬人技術(shù)的目標(biāo)是盡可能的模擬出來(lái)人類,但是完全智能的、自動(dòng)的虛擬人的實(shí)現(xiàn)還是個(gè)難題,如何使虛擬人在復(fù)雜的虛擬環(huán)境中顯得更加的逼真,所模擬出的動(dòng)作如何更加接近人體的真實(shí)動(dòng)作,還是今后努力的方向。

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2095-2813(2015)01(b)-0008-02