三维虚拟人技术研究

摘要：介绍了虚拟人技术中的角色动画技术，指出其优缺点和面临的关键问题，并采用骨骼蒙皮动画技术实现了虚拟人的行走运动，最后展望了虚拟人技术的研究趋势。

关键词：虚拟人角色动画技术骨骼蒙皮动画

中图分类号：TP391.41 文献标识码：A文章编号：1007-9416（2012）03-0000-00

1、引言

虚拟人技术是高度逼真的现实人体的数字化再现技术，它以虚拟现实技术为基础，主要研究人类的各种特性如面貌、表情、行为、感知、情感、心理和社会性等在虚拟空间中的数字化表示。角色动画技术，本质上来说，就是拟人动画―从运动考虑。角色动画技术一直是学术界和产业界关注的焦点,它已经广泛地应用于游戏动画、产品设计、虚拟现实和体育训练等诸多行业，成为目前计算机领域最活跃的研究课题之一。

2、角色动画技术

根据角色表示方式的不同，三维角色动画技术分为以下四种：(1)关节动画技术。关节动画又叫杆状动画，它是早期的角色动画表现形式。关节动画中的角色由若干个独立的部分组成，每一部分又分别对应一个独立的网格模型，不同部分按照角色的特点组织成一个层次结构。通过改变模型中不同部分之间的相对位置，就可以实现所需要的动画效果。(2)顶点动画技术。顶点动画又叫关键帧动画，它标志着真实感角色动画的开始。顶点动画中的角色由一张完整的网格模型构成。顶点动画文件中只保存角色动画关键帧的顶点位置信息，播放动画时，根据时间对两个关键帧的位置信息进行插值计算以得到对应时间的动画数据。(3)骨骼蒙皮动画技术。骨骼蒙皮动画是一种仿生学技术，可以看作是关节动画和顶点动画的简单结合。它采用简化的分层表示模型，主要包含两部分数据：层次化骨架和蒙在骨架上的皮肤，如图1所示。用骨骼承载运动，用皮肤表达角色，由骨骼控制皮肤变形达到角色动画的目的。(4)多层模型动画技术。多层模型动画是在骨骼蒙皮动画基础之上，通过在皮肤层和骨骼层之间添加其它层次形成的。它的控制机制比较复杂，由骨骼承载运动，且骨骼控制肌肉层，皮肤层由骨骼、肌肉和脂肪层共同控制生成动画。

3、几种角色动画技术的比较和分析

(1)关节动画技术优缺点。关节动画形式结构简单，对动作的表达效果也比较好，且易于理解，适合用于以人体姿态表达为主的领域；缺点是不能很好的表达角色的非运动信息，且在关节结合处会出现明显的裂缝。

(2)顶点动画技术优缺点。同关节动画相比，顶点动画看上去更加真实自然，也不会出现关节动画中的接缝问题。但这种动画需要耗费大量的空间去存放网格模型中所有的顶点信息数据，并且对动画数据的控制级别也比较低，导致修改动画操作相当复杂，适应性也比较弱，不能实时交互，另外，由于动画数据被预先保存到文件中的，又缺乏一定的灵活性。

(3)骨骼蒙皮动画技术优缺点。骨骼蒙皮动画同关节动画和顶点动画相比，效果更逼真生动，交互性更好，并且控制层次高便于修改动画数据；缺点是骨骼控制皮肤的实现机制复杂，需要的计算量较大。但是，随着3D硬件技术的不断提高，越来越多的复杂计算都可以通过硬件直接实现。因此，骨骼蒙皮动画成为目前应用最为广泛的角色动画技术。

(4)多层模型动画技术优缺点。多层模型动画中对肌肉的模拟可以大大提高动画效果的逼真性，但是由于计算的时间和空间复杂度非常高，目前还没有大规模地投入应用。

综上所述，从逼真性和可行性方面综合考虑，骨骼蒙皮技术在构建角色动画方面都具有明显的优势。

4、骨骼蒙皮动画的实现

骨骼蒙皮动画主要涉及三个方面的数据:运动数据、骨骼数据和皮肤数据。其中运动数据又包含平移数据和旋转数据两部分；骨骼数据又分层次化和非层次化结构数据两种类型；皮肤数据主要是指构建的人体网格模型和覆盖纹理。本文在OpenGL开发环境下，基于动作库提取出了层次化的骨骼数据，采用三维建模软件3ds Max构建了模型的皮肤数据，实现了虚拟人的行走运动仿真，效果逼真、速度流畅，渲染单人时速度可达200帧/秒以上，效果如图2所示。

5、结语

本文对比分析了几种典型的角色动画技术的优缺点，指出骨骼蒙皮动画的特点和优势，并采用骨骼蒙皮技术实现了虚拟人的行走仿真，取得了良好的效果。骨骼蒙皮动画如今已是动画制作软件中广泛使用的角色动画技术。随着计算机计算能力特别是3D硬件处理能力的不断提高，实时骨骼蒙皮动画也已经从早期的实验阶段走向成熟阶段。相信未来几年随着计算机图形学理论研究的不断深入，三维虚拟人技术将会得到进一步的发展和应用。

参考文献

[1] 王晓山,郭巧.虚拟人步行运动的计算模型.计算机工程与应用,2005.3:55～57.

[2] 王洪福,陈雷霆,李东魁.三维图形引擎中骨骼蒙皮动画的一种实现方法.计算机应用研究,2006.12:349～356.

[3] 李东魁,陈雷霆,王洪福.骨骼蒙皮动画中网格优化的研究与实现.计算机应用,2006.26(1):138～142.

[4] 吴磊,鲁东明.使用骨骼蒙皮动画技术制作人物动画.2007.6:1～27.

作者简介：常村红（1979-），女，河南舞钢人，硕士研究生，助教，主要研究方向为虚拟现实；商丘师范学院计算机与信息技术学院。