论文摘要：虚拟人体模型的驱动技术研究

虚拟维修技术为维修仿真人员提供具有沉浸感、交互性和启发性的虚拟维修环境，使设计人员更早地“看到、修到和用到”未来的产品。通过虚拟维修技术，产品设计人员可以在产品方案阶段发现维修性设计缺陷，避免维修性工作在时间上的滞后，为产品的维修保障分析、维修资料编写、维修培训等工作提供基础信息，从而保证产品的质量并降低其成本。虚拟人是人在计算机生成空间中几何特性与行为特性的逼真计算机表示，是虚拟维修系统的核心部分，是提高其交互能力和沉浸感的重要因素之一。虚拟人的建模及其驱动技术是虚拟人技术的重要研究内容，虚拟人的驱动技术也常被称为虚拟人运动控制技术。本文总结和分析了现有的虚拟人建模及运动控制方法，对虚拟人的骨骼结构、运动控制等问题进行了深入研究，论文主要研究内容如下：1. 基于对现有虚拟人建模方法的研究，建成了一种适用于沉浸式虚拟维修系统的虚拟人体模型。论文通过对人体骨骼合理的简化，保留了能体现人类基本运动及完成维修基本动作的关键骨骼及关节；基于人体骨骼及关节在运动中满足刚体特性的假设，提出了一种具有手部细节的58个骨骼段的虚拟人体简化模型。2. 基于光学动作捕捉、数据手套、陀螺仪三种动作捕捉设备，提出了一种基于多种动作捕捉设备的虚拟人体模型驱动算法。光学动作捕捉系统精度高、实时性强，对捕捉身体主要关节的运动有明显的优势；数据手套在保证捕捉到手指细节的同时，能提供足够高的数据传送频率；陀螺仪可以在三维空间中测量静止或者带角速度的任何载体的全角度方位且提供足够高的分辨率及响应频率，所以用陀螺仪来捕捉对稳定性有较高要求的人体视线。基于动作捕捉设备的特点，对人体模型采用了正向运动学和逆向运动学结合的方法驱动虚拟人运动。3. 通过定义虚拟人行走手势及建立虚拟人行走动作数据库，有效的克服了动作捕捉系统捕捉范围有限的问题。光学运动捕捉设备只能捕捉位于其有效捕捉范围内的运动数据，限制了虚拟人的运动范围。因此，本文利用光学捕捉系统捕捉人的行走数据，对数据进行分析、处理，建成了一个虚拟人行走数据模型，并通过定义一个能被数据手套识别但在维修过程中不会用到的行走触发手势，有效地扩展了虚拟人的活动空间。完成了平行双目立体显示算法，并用于三维显示头盔实时地显示三维虚拟场景。通过模拟人眼生成立体视图对，将从两个从不同视角出发的三维虚拟环境图像分别传送至三维显示头盔，产生立体感。最后在沉浸式虚拟维修系统中对构建的虚拟人体模型及提出的虚拟人驱动算法进行了验证。

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