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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 Cal3D 113

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