具有自主感知行为的虚拟人运动控制技术研究综述

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1、具有自主感知行为的虚拟人运动控制技术研究综述　　摘要：由于人体结构及其运动的复杂性，导致在虚拟人形象化建模、运动控制方面存在诸多困难和挑战。本文通过对相关研究工作进行归纳总结，指出了在形象化人体建模方面存在的问题，并给出了解决这些问题的关键技术和方法；在运动控制技术方面，将传统的方法与最新的方法对比分析，重点分析了如何建立自主虚拟人感知模型，实现自主虚拟人行为控制和决策，使虚拟人具有“自我意识”关键词：虚拟人；形象化；运动控制；感知模型中图分类号TP391.41文献标识码A文章编号：1009-3044

2、（2016）27-0147-03虚拟人（Avatar）是人类自身在虚拟空间中的化身[1]。在人机交互研究领域内，研究者往往会考虑到虚拟人、虚拟人环境和终端用户这三者之间的交互作用，通过在虚拟空间中建立各种形象化的虚拟人模型，并借助可视化的虚拟人集合外观、动作姿态变化，来反应用户的行为和表情特征，从而达到增强用户交流的效果和沉浸感[2]。随着人工智能技术和多媒体技术的发展，虚拟人技术的研究更趋向于智能化和多样化，人们将现实生活中的一些娱乐活动搬到了虚拟空间当中，例如虚拟舞台的出现，通过建立虚拟场景，让虚

3、拟人来演绎音乐与舞蹈的内在联系。在建立虚拟场景以后，让虚拟人通过逻辑推理与学习，形成自身对虚拟环境的认识，使虚拟人具有“自我意识”，并将用户意图解释为具体任务。如何构建个性化的虚拟人，实现具有自主感知行为的虚拟人运动控制，是虚拟人研究领域内所关注的焦点本文首先介绍虚拟人体建模方面的研究工作，就虚拟人形象化建模存在的问题，给出具体的关键技术和方法；然后，对传统的运动控制技术和方法加以归纳总结，并分析了自主感知行为的运动捕获数据驱动方法；最后，就自主感知行为虚拟人运动控制研究方面的存在的难点以及未来研究的

4、方向，给出一些自己的想法1人体建模方法研究人体是一个复杂的生命体系统，由骨骼、皮肤、肌肉和神经系统等组成，其中关节和骨骼的自由度较多。目前，人体建模面临两方面的问题：一是虚拟人骨骼结构的简化及数学表达；二是建立逼真的外形，这是两个相互依赖的问题[1]。虚拟人的运动控制大部分是基于骨骼模型，也称之为骨骼动画。由于肌肉和神经系统的建立存在着很大的困难，研究的难度巨大，所以骨骼模型忽略了肌肉和神经系统。依据人体解剖学原理，人们制定了两个重要的国际标准H-Anim和MPEG-4来表示虚拟人骨骼结构[3]，主要

5、是将人体的骨骼和关节进行简化，减少其自由度，这样可以降低建模的难度。人体建模的方法主要有基于几何的方法、基于二维照片重构方法和基于人体测量学的方法等[4（1）基于几何建模技术研究较多，常常采用棒状型、体模型和表面模型（如图1所示）。虚拟人几何建模主要是使用三维造型软件，如Poser、3dsMax、Maya等来构建人体模型。针对Poser软件输出的人体模型缺乏关节点数据问题，文献[7]提出一种基于模型的快速人体建模方法。给出一种骨架提取算法。此方法从Poser输出的人体模型中提取出其骨架以后，将骨架层与

6、皮肤层绑定，应用运动学方法使得骨骼驱动皮肤变形。依据H-Anim标准建立分层的骨骼模型，通过设置所有关节的自由度（DOF），采用三角网格方法来仿真皮肤层（2）基于二维图片重构方法，采用数字图像处理的方法，提取二维图片中人体的特征点和参数，来重构三维人体模型。李毅等人[6]针对输入的草图，提出一种通过草绘三维人体建模的模板形变方法。将草图特征映射到三维人体模板，实现个性化的三维人体建模。有文献提出了一种基于视频的人体骨架建模新方法，通过提取视频序列中人体骨架的特征，建立透视投影下的三维人体骨架模型，然后

7、通过蒙皮来建立虚拟人皮肤模型（3）基于人体测量学的方法，主要是借助一些三维扫描仪，依据人体测量学的原理，来构建三维人体模型。文献[7]提出一种采用Kinect扫描人体重建个性化人体模型方法，此方法的主要目的是用来解决三维试衣系统中人体建模方法难于建立大量个性化的三维人体模型的问题。通过扫描获得各种不同类型人体的测量数据，可以迅速构建参数化的人体模型，实现个性化、多样化的逼真虚拟人模型以上三种人体建模方法，存在的主要问题就是建立的虚拟人模型，只有单一的骨骼层或皮肤层，即便已经将二者关联起来，即将骨骼层和

8、皮肤层绑定，通过骨骼层驱动皮肤层变形。但是在虚拟人运动过程中，存在皮肤层的塌陷、断裂等问题，研究者往往忽略了这些问题，未来研究的主要方向就是如何有效的解决上述问题，建立肌肉层模型，实现逼真的虚拟人外形2虚拟人运动控制技术的相关方法虚拟人运动控制一直是虚拟人研究领域的关键技术之一。早期的虚拟人运动控制，主要是通过数值计算方式控制虚拟人运动。近期国内外出现了大量有关虚拟人应用软件，最显著的特点就对运动控制的效率以及实时性有了很高的要求，研究者关注的焦点是如何