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第1章 概述1

1.1 引言1

1.2 应用领域与分类1

1.3 研究内容3

1.3.1 虚拟人体建模3

1.3.2 虚拟人运动控制技术5

1.3.3 虚拟人群仿真8

1.3.4 虚拟感知与情感计算9

1.4 小结10

参考文献11

第2章 参数化虚拟人体建模技术15

2.1 空间几何变形技术15

2.2 人体测量与特征参数17

2.2.1 人体形态测量17

2.2.2 建模特征参数选择18

2.3 模板的选取与参数化18

2.3.1 测量平面的定义19

2.3.2 长度信息的提取19

2.3.3 围度信息的提取20

2.4 基本变形建模控制方法21

2.4.1 轴变形原理21

2.4.2 增加径向控制的扩展轴变形21

2.5 控制体的构造与变形建模25

2.5.1 长度变形控制26

2.5.2 围度变形控制27

2.5.3 变形建模27

2.6 变形网格自适应细分28

2.7 实验结果28

参考文献34

第3章 基于骨架驱动的虚拟人皮肤网格变形动画技术36

3.1 相关工作37

3.1.1 顶点动画38

3.1.2 骨架子空间变形技术38

3.1.3 结合姿态空间的变形优化39

3.1.4 嵌入辅助关节的骨架子空间变形42

3.1.5 引入FFD中间体的变形方法43

3.1.6 变换矩阵混合技术44

3.1.7 骨骼混合算法45

3.2 改进的骨骼混合算法46

3.2.1 四元数与单位四元数插值46

3.2.2 角色骨架结构与运动表示48

3.2.3 基于旋转四元数球面线性插值的骨骼混合算法49

3.2.4 运行时皮肤网格顶点的轴心校正50

3.3 插值预计算性能优化51

3.3.1 单位四元数量化索引表的生成51

3.3.2 构造单位四元数插值表52

3.3.3 单位球剖分与算法验证53

3.3.4 数据结构运算的进一步优化54

3.4 皮肤网格顶点法向量的动态更新55

3.5 实验结果56

参考文献62

第4章 虚拟人运动建模技术64

4.1 基于运动学的建模技术64

4.2 基于动力学的建模技术65

4.3 基于物理的建模技术65

4.4 面向人机工程仿真的人体运动建模66

4.4.1 基于逆向运动学的人体运动控制67

4.4.2 基于运动捕获数据的运动重定向74

附录A MATCHINFO文件说明79

附录B HTR文件说明79

参考文献82

第5章 基于运动编辑的虚拟人体运动合成86

5.1 运动编辑86

5.1.1 运动编辑的概念、必要性与难点86

5.1.2 运动编辑技术的研究现状87

5.2 运动编辑的基本操作88

5.2.1 人体运动的表示88

5.2.2 运动连接89

5.2.3 运动混合90

5.2.4 运动位移映射90

5.2.5 运动信号处理91

5.2.6 运动重定向94

5.3 运动路径编辑96

5.3.1 运动路径抽象96

5.3.2 利用多层次B样条提取原始运动路径96

5.3.3 运动路径编辑99

5.4 从运动捕捉数据中提取关键帧101

5.4.1 四元数之间的距离102

5.4.2 从运动捕捉数据中提取关键帧102

5.4.3 重建动画103

5.4.4 实验结果103

5.5 运动编辑系统Eidolon的设计与实现105

5.5.1 Eidolon的体系结构106

5.5.2 类层次与主要数据结构106

5.5.3 运动数据文件解析108

5.5.4 界面设计109

附录A 四元数及其运算111

附录B Cal3D113

参考文献118

第6章 虚拟人步态模型研究120

6.1 概述120

6.1.1 步态研究的概念和难点120

6.1.2 步态研究的技术现状121

6.2 步态的运动表示122

6.2.1 步态运动学分析122

6.2.2 运动数据表示方法123

6.2.3 基于矢状面仰角的步态数据表示126

6.2.4 基于矢状面仰角的步态周期图谱126

6.2.5 步态模型的基本思想128

6.3 步态的运动生成129

6.3.1 运动学模型129

6.3.2 步态数据集130

6.3.3 矢状面仰角约束131

6.3.4 矢状面仰角到关节角的映射机制132

6.4 步态参数控制137

6.4.1 步态参数分类137

6.4.2 高层参数与底层参数138

6.4.3 高层控制参数138

6.4.4 底层驱动参数140

6.5 面向服装展示的虚拟人步态模型研究144

6.5.1 虚拟人的步态模型验证模块144

6.5.2 系统构建145

参考文献146

第7章 面向人机工程的虚拟人生物力学模型149

7.1 面向人机工程仿真分析的人体生物力学模型150

7.1.1 面向人体测量学应用的模型150

7.1.2 用于碰撞实验的模型151

7.1.3 面向人机工程分析评价的人体生物力学模型151

7.2 基于生物力学的人体几何建模153

7.2.1 人体骨骼模型的层次结构及几何表示154

7.2.2 肌肉几何建模164

7.2.3 模型应用169

7.3 基于生物力学的虚拟人体外力模型175

7.3.1 建立外力模型的先决条件175

7.3.2 外力模型求解方法177

7.3.3 结果分析184

7.4 基于生物力学的虚拟人体肌肉力预测模型187

7.4.1 基于Hill的肌肉三元素模型188

7.4.2 静性收缩状态下的肌肉力预测模型189

7.4.3 动性收缩状态下的肌肉力预测模型191

7.4.4 实验验证196

7.5 模型验证202

7.5.1 原型系统的设计与实现202

7.5.2 实例分析207

附录A 人体主要骨骼肌拓扑结构211

附录B 质量、质心、转动惯量对体重、身高的二元回归方程系数表215

附录C 人体主要骨骼的力学特性218

附录D 肌肉生理横截面面积（PCSA）219

附录E 上肢及肩部肌肉力预测模型组成219

参考文献220

第8章 基于智能个体的群体文化活动复原226

8.1 概述226

8.2 智能个体227

8.2.1 智能行为决策227

8.2.2 感知建模228

8.2.3 行为规划与实现230

8.2.4 随机行为233

8.3 基于自主交互的群体文化活动重建实例237

参考文献241