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三维虚拟世界中虚拟人物的构建方法研究

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  摘要:虚拟人物是三维虚拟世界的重要组成部分,在军事仿真、计算机辅助教育和训练、3D网络游戏等领域都有着广泛的应用。如何增强三维虚拟世界中虚拟人物的真实感,已成为目前研究的热点问题。从人体建模、动作设计、人工智能、情感实现四方面探讨了虚拟人物的构建方法,并对这些方法进行了分析和总结。最后,对虚拟人物的进一步研究方向提出了展望。
  关键词:虚拟人物;人体建模;动作设计;人工智能;情感
  中图分类号:TP391文献标识码:A文章编号:1009-3044(2009)26-7499-02
  
  Research on the Construction Method of Virtual Human in 3D Virtual World
  LIU Kai
  (School of Computer Science, Sichuan University of Science & Engineering, Zigong 643000, China)
  Abstract: Virtual human is an important part of 3D virtual world, it has a wide range of applications such as the military simulation, computer-assisted education and training, 3D online games and other fields. How to enhance realistic of virtual human in 3D virtual world have become a hot issue of current study. Construction methods of virtual human are discussed in the human body modeling, motion design, artificial intelligence, affective realization, and these methods are analyzed and summarized. Finally, it is concluded with the direction of future research of virtual human.
  Key words: virtual human; human body modeling; motion design; artificial intelligence; affective
  
  随着虚拟现实技术的逐渐成熟,人们己经不再满足于构建只有景色、建筑物等一般视景信息的虚拟世界,迫切需要在虚拟世界中加入有生命的对象,满足用户的参与感。所以,人在虚拟世界中的替身――虚拟人物的研究越来越受到国内外许多学者的重视。虚拟人物是由计算机生成的三维图形实体,用来模拟现实世界中真人的行为和动作,是人在计算机生成空间中几何特性与行为特性的逼真表示。虚拟人物在产品展示和评测、计算机辅助教育、军事训练、电子商务、虚拟导游、网络论坛和即时通讯工具以及3D计算机游戏等方面均有着广泛的应用。目前有关虚拟人物的研究主要集中在虚拟人物的人体建模、动作设计、人工智能、情感计算等方面。本文从各方面对当前虚拟人物的构建方法进行了分析和总结,以优化虚拟人物的设计与实现,并给虚拟现实的应用开发人员提供参考和借鉴。
  
  1 虚拟人物的人体建模方法
  
  虚拟人物的人体外表建模方法目前主要有三种,即:
  1.1 基于几何模型的创作法
  该方法使用基于几何模型的专业建模软件,利用底层造型元素,如球体、圆柱体、长方体等的变形编辑来创建人体模型。该方法的特点是所需硬件费用低,人体造型的真实感需要依赖3D动画师对软件的熟练掌握程度和美术功底。基于几何模型的建模软件很多,如3ds max、Maya、Poser等。
  与通用的建模软件3ds max,Maya相比,Poser是一款专门用于制作人体建模的软件。在制作人体方面,可以产生各种类型的人体,如男性、女性、小孩,从而实现快速人体造型建模。而3ds max则是大多数虚拟现实开发平台所支持的建模软件,可以方便把它生成的模型导入多种虚拟现实开发平台中使用。结合这两个软件的所长之处,可以先利用Poser建立人体模型,再导入3ds max中进行修改。此外,建模过程还需注意两点:①由于Poser产生的人体模型面数太多,还需减少其面数,否则一旦场景中虚拟人物个体增多将对计算机硬件提出较高要求,运行过程中可能会发生不流畅的现象。②部分虚拟现实开发平台不支持NURBS建模,因此只能采用多边形建模或面片建模的方法,但二者都各有缺点。需要结合多边形建模和面片建模,以达到较好的人体模型效果和运动连贯性。
  2.2 基于模型的重构法
  该方法首先从真实人物的照片中提取人体外表特征信息,然后依据该信息修改标准模型,是该模型具有近似真人的外表特征,并保留标准模型原有的结构信息[1-2]。该方法的特点是所需硬件费用低,操作简单,模型真实感强,适合于大批量人体建模。
  2.3 三维扫描成型法
  三维扫描成型法是用庞大的三维扫描仪来获取实物的三维信息,该方法的特点是结果模型的准确性高,但是模型存在着数据缺失、顶点数目过多等问题,且生成的模型里没有结构信息,须经过复杂的装配(rigging)处理才能完成人体模型的动画制作。另外扫描速度慢,所需硬件设备比较昂贵而不易装备。
  
  3 虚拟人物的动作设计方法
  
  3.1 biped实现基本动作
  biped基本动作是3ds max软件自带的模块,基本类型有走和跑。通过骨骼层级约束,根据步伐的步长,高度和时间等的调整,可以做出平地走,上下楼梯等动作。需要注意的是,由于走和跑等过程是首尾相接的循环动作,一定要保持始动作和末动作的一致性。而且根结点不能发生偏移,避免在实际运动模拟中出现非正常位移。
  3.2 关键帧方法实现人物的运动
  它是由3D动画师手工放置各关键帧的骨架节点位置和骨骼的转向,因此对动画师的技术要求较高,要求动画师对现实生活中人物的动作有仔细观察,否则设置的骨架动作就会不自然、不协调。
  3.3动作捕获法
  它是给表演者身上的各个相应关节上安置传感器,通过捕获设备实时检测、记录表演者各个关节在三维空间的运动轨迹,并将其转化为数字化的“抽象运动”[3]。经过运动捕获设备捕获的数据需要进行运动编辑与整合,即利用辅助的动画软件对运动数据做后期处理,使之符合真实人体运动的模式,可以为视觉拟真性带来较好的效果。然而,由于这类动作不是通过计算生成,不可使用关键帧技术,调整起来十分繁琐,而且受限于真人捕获的物理条件、安全性、捕获仪器造价昂贵等问题。
  3.4 Endorphin实现特殊动作
  Endorphin是英国NaturalMotion公司所开发的一套自动化3D虚拟人物动作仿真生成软件[4]。其运行原理是根据牛津大学在人工智能、人体生物力学的研究基础下赋予虚拟人物最真实的生物动作模拟。Endorphin首创运用基因算法,把重力和人物的肌肉结构都设定好关联之后,透过类神经网络来控制肌肉的运动,教导虚拟人物自动演算出逼真的动作反应。它能完全模仿人体在浮力、风力作用下的自然反映,并支持多种主流动画软件的文件格式,因此该软件可结合3ds max等动画软件来实现虚拟人物复杂且真实感要求较强的动作。
  在3ds max等软件中设计好的人体动作动画可通过插件导出至虚拟现实开发平台如Virtools、Eon studio、VRML/X3D中进行加工编辑。
  
  4 虚拟人物的人工智能实现方法
  
  要方便快捷的为虚拟人物赋予人工智能,在目前的虚拟现实开发平台中Virtools是不错的选择。该软件自带的AI Library (人工智能库)提供了许多行为使虚拟人物变得更加智能[5]。AI Library 包括两种脚本模块,一种是视觉或听觉感知能力模块,其功能是让虚拟人物了解周围的环境,另一种是高级行为(如跟随、逃跑、隐藏等)模块,是用来控制虚拟人物的后续动作。AI人工智能模块具有调整标准的参数,比如:秘密行动、听觉能力和动态组合。
  AI Library依赖于Virtools直观的开发方法,通过组合适当的模块,就可以让虚拟人物做出更加智能的行为,比如让虚拟人物能够在无需用户的操作控制下,自动在 3D 环境中行走,并能够灵活避开障碍物和其它虚拟人物,或者能够穿过门、扶梯或者其它能够改变路径的区域。开发者可以控制虚拟人物并避免重复的和可预测的行为。AI Library行为模块不仅涉及到最短路径或是最不引起注意、最隐蔽的路径计算,还可以管理大量的、具备独立个性的虚拟人物。这些功能使得开发、测试和调整都变得更快而且更加可靠。
  
  5 虚拟人物的情感实现方法
  
  虚拟人物的情感表达需要借助计算机图形技术生成具有真实感的人脸表情动画,借助语音合成技术生成具有真实感的语音,以增加虚拟人物的情感表现力。此外,借助虚拟现实技术和设备,虚拟人物在三维虚拟世界中还可以展示更丰富的神态、表情和动作。在虚拟的世界中,人们仍然有交流情感的需要,虚拟人物之间也会出现喜爱、害怕、厌恶、敌对等情绪。要实现虚拟人物的情感,改变虚拟世界中虚拟人物“目无表情”的现象,需要将情感计算技术与虚拟现实技术相结合,而这正是目前研究的热点。情感计算(Affective Computing)的概念是由美国麻省理工学院的Picard教授提出的[6],其目标是使计算机具有自发的情感能力。相关的研究领域包括情绪识别,情绪的产生和表现机制。
  为此,许多研究者研究了各种情感模型以及情感对虚拟人物认知过程的影响。现有的情感建模方法可以分为两种:基于认知机制的建模和基于多机制的情感建模。基于认知机制的模型侧重于心理认知对情感的影响,比较广泛应用的模型有OCC情感识别模型和Roseman等提出的基于事件评估的情感模型。基于多种机制的模型侧重于非认知因素(比如生理反应)对情感的影响[7]。
  基于以上模型,情感状态需要通过虚拟人物的面部表情、语音、身体姿态、运动等多种通道表现出来。实现面部表情的代表性方法是建立肌肉模型[8]。目前虚拟人物的面部表情生成上已经拥有MPEG-4国际标准,该标准为创建参数化的个性化表情动画提供了基础。关于虚拟人物的个性化身体动作的实现,目前有Unuma等引入了一个基于傅立叶函数模型来描述和操纵虚拟人物周期性的动作[9]。Perlin使用周期性的噪声函数来增添人物动作的表现力,使用脚本方法控制虚拟人物的动作[10]。还有一些研究者提出使用虚拟人物运动捕获数据的编辑方法来创造出具有情绪化的身体动作[11]。
  情感计算目前是国际国内研究的热点问题,许多方法还需要进一步完善。
  
  6 结束语
  
  在三维虚拟世界中,为了增强用户的交互性和沉浸感,构建有生命活力,逼真的虚拟人物需要从人体建模,动作设计,智能化,情感表现等多方面着手才行,它涉及到计算机动画制作、计算机图形学、生理学、心理学、生物力学、人工智能、情感计算等多个研究领域的交叉研究,是一个具有理论意义及实用价值的基础课题。本文分析和总结了目前虚拟人物在这些方面的构建方法,为虚拟现实应用的开发者梳理了思路,提供了参考。目前虚拟人物在人体建模,动作设计方面研究已逐渐成熟,而在人工智能和情感计算方面还有许多问题尚待解决,这必将成为虚拟人物未来进一步研究的方向。
  
  参考文献:
  [1] Hilton A,Beresford D,Gentils T,et al.Virtual people:capturing human models to populate virtual worlds[J].Computer Animation,1999:174-185.
  [2] Ren L F,Zhang M M,Xu Y L,et al.Personalized model deformation based on sli-ce space representation[C]//LNCS 4282:International Conference on Virtual Reality and Telexi-stence 2006,Hangzhou,PRC,2006.Berlin Heidelberg:Springer-Verlag,2006:938-947.
  [3] 叶颖康,晓东,贺光军.由3D扫描技术衍生的计算机3D动画之I―运动捕捉技术[J].影像技术,2002(4):5-52.
  [4] NaturalMotion endorphin[EB/OL].http://www.naturalmotion.com/endorphin.htm.
  [5] "让应用程序有“生命”起来―AI Library[EB/OL].http://www.virtools.com.cn/about/200705/218.html.
  [6] Picard R W.Affective Computing[M].Massachusetts:The MIT Press,1997:165-177.
  [7] 任利锋,潘志庚,朱杰杰.虚拟环境中化身技术的研究与进展[J].计算机工程与应用,2008,44(10):3.
  [8] Parke F I,Waters K.Computer Facial Animation[M].Wellesley,Boston,USA:AK Perters,1996:105-147.
  [9] Unuma M,Anjyo K,Takeuchi R.Fourier Principles for Emotion-Based Human Figure Animation[C].Los Angeles,CA:Proceedings of SIGGRAPH’1995 Conference,1995:91-96.
  [10] Perlin K,Goldberg A.Improv:a system for scripting interactive actors in virtual worlds[C].New Orleans,Louisiana USA:Proceedings of SIGGRAPH’1996 Conference,1996:205-216.
  [11] 刘箴.数字娱乐领域中的虚拟人情绪表现模型研究[J].系统仿真学报,2006,18(10):2865-2869.
  [12] 李海鹏.虚拟环境中虚拟化身的设计与实现[J].电脑知识与技术,2009,5(9):2420-2407.

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