浅谈三维虚拟人体模型的构建与应用

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1、浅谈三维虚拟人体模型的构建与应用撰文/无锡技师学院高巍计算机辅助人机工程分析软件目前正成为设计师手中的利器。三维虚拟人体模型正是这些软件的科学基础。本文主要介绍了构建人体模型的科学依据、建立方法及应用现状，以期能对其进行科学地选用、维护和再开发，不断推进人机工程学的实践应用研究。一、前言近年来，随着计算机辅助工业设计技术的飞速发展，人机工程学分析模块成为了各种软件的热门开发方向。设计师可以方便地使用软件中提供的人体模型库、姿势库等对产品的人机效应进行直观验证，大大提高了设计效率。三维人体模型在这个过程中发挥着巨大的作用，了解这些模型的构建原理与应用现状，有助于设计师对其进行科学地选用

2、、维护和再开发，不断推进人机工程学的实践应用研究。二、构建三维虚拟人体模型的科学依据三维虚拟人体模型的构建必需基于经过科学采集并处理的数据以及人体结构原理。这样的人体模型才能对设计进行明确有效的指导。1.人体测量数据的采集与统计（1）人体测量数据的采集。人体的数据受不同的影响，有很大的差异性，主要影响因素包括地区、年龄、性别、民族、工作以及气候等。建立人体模型首先要找准特定的目标部族，有的放矢地测量和整理人体数据，从数据中寻找线索，帮助设计师开展科学的设计。人体测量数据大体可分为四类：静态数据、运动区域数据、生理数据和力学数据。其中静态数据是指人在静止不动的状态下测量获得的形态数据，

3、其主要内容是人体规格（体型、身高和体积等），可采用站立、静坐、跪下和躺卧四种姿态；运动区域数据是指人在运动状态时四肢的有效作用范围，主要分析两种：一种是肢体的活动角度范围，一种是肢体所能达到的距离范围；生理数据是指人体的主要生理指标，主要内容有：皮肤面积、各器官体积、耗氧量、心率、疲劳度和反应度等；力学数据主要考量人体的主要力学指标。如人体的重量与重心位置、各转动器官的惯量、受力与出力等。（2）人体测量数据的统计。人体测量所针对的是一个群体而非个人。基于人与人之间差异性的考量，个别或少数的人体测量数据不能作为建立三维虚拟人体模型的依据。比较科学高效的做法是，首先测量群体中少量、部分的

4、个体样本，这些数据是离散的随机变量，再根据概率论与数理统计理论对测量数据进行统计处理，从而获得所需特定群体的数据。常用的统计特征参数有平均数、方差和百分比等。（3）我国国家标准规定的成年人人体结构尺寸。我国人体的尺寸参数受地域、民族的影响与其他国家差异较大，针对我国的人体测量数据，建立符合国情的数据标准并指导开展人机工程学的应用是必然的要求。我国成年人人体尺寸的国家标准GB10000-88于1998年7月开始实施，该标准给出了我国成年人身体尺度的通用数据，可以运用在各类产品、建筑装修和军工装备等各个设计领域。该标准列明了47项人体尺寸通用数据，共分为18～25岁（男、女），26～35

5、（男、女），36～60（男）、55（女）三个年龄层次。2.人体测量数据与人机分析的联系基于科学数据建立的人体模型常被用于视野分析、触及范围分析及疲劳分析等。以做视野分析时所依据的数据模型“眼椭圆”为例。不同身高的操作人员以正常的姿态使用产品时，他们的眼睛位置在产品坐标系中的统计分布图形呈椭圆形。“眼椭圆”是研究产品视野范围性能的重要基准，能比较准确地代表几乎所有人群的特点，图1为眼椭圆的三维示意图。由于眼椭圆代表了大部分使用者在正常使用时眼睛在产品坐标系中的分布。因此，眼椭圆是指导和评价产品设计视野范围是否符合人机工程学要求的关键要素。在CAID软件中，眼椭圆样板库可以通过二次开发得

6、到，如图2所示为样板库中生成的眼椭圆模型。这些模型在进行定位后可以精确直观的进行视野分析。三、三维虚拟人体模型的构建方法被肌肉和表皮覆盖的骨架构成了外观上的人体模型。在对人体进行三维虚拟建模的时候，需要综合考虑骨架模型和外表模型的关系。1.骨架模型骨架模型可以描述人体躯干与各个主次肢体间的位置联络与运动联系，可以表达人体肢体段的数目、肢体的长度和联接关系，在三维软件中更可以进一步对各联接关节的自由度和活动范围进行设定。头、躯干、上肢和下肢是外型上人体的四大组成结构，每部分结构又可以再做进一步的细分，如上肢还包括上臂、下臂和手等。在实际设计过程中，三维虚拟人体的骨架应忠实于实际情况以保

7、障不丢失重要分析数据，又应同时考虑适当简化不必要的部分以减少使用难度。以Creo软件为例，其提供的人体模型骨架一共被简化为14个关节，每个关节都使用了正确的约束，如腰关节为了模拟真实的腰部运动定义了球面副和移动副的组合约束关系，而转动副则被用于膝关节的约束。人体模型一共设置了33个自由度，如图3所示。2.外表模型外表模型表述了皮肤、毛发和穿着等外在因素，精确的外表模型可以提高人体模型的真实性。随着计算机图形技术的发展，人体模型的曲面精度和质量以及渲染效果都