虚拟人步行模拟系统 ——骨骼蒙皮的实现-本科毕业论文.doc

1、 本科毕业论文 (科研训练、毕业设计 ) 题 目： 虚拟人步行模拟系统 骨骼蒙皮的实现 姓 名： 学 院： 软件学院 系： 软件工程 专 业： 软件工程 年 级： 学 号： 指导教师： 职称： 年 月 I 摘 要 虚拟人步行模拟系统（ Virtual Human Walking System）是计算机动画领域内的研究热点和难点。因为 人物的运动过程是很复杂的，无论是人体关节的互相作用，还是皮肤之间的作用，都会 随着运动的不同而不同。所以在制作真实感人体动画时，除了要有真实的人体运动和灵活的运动控制方法外，还需要有逼真的人体造型和皮肤变形效果，具有相当的难度 。 本论文先从两个方面对骨骼皮肤绑定

2、技术进行研究：第一方面是对骨骼皮肤绑定过程的研究 即用运动驱动皮肤产生动画的详细过程；第二个方面是对骨骼皮肤绑定算法的研究 即在绑定过程中如何更新皮肤点的位置的方法。 本论文进一步研究人体运动过程中皮肤的变形技术，对计算机动画中的真实感人体建模与皮肤变形技术进行较为全面的阐述，并分析比较了目前存在的皮肤变形方法的优缺点。 最后本论文重点研究骨骼蒙皮动画的具体实现方法，详细介绍了如何利用 3DS MAX软件与开源骨骼动画引擎 Cal3D 实现骨骼蒙皮动画在虚拟人步行模拟系统中的应用，并对本虚拟人步行模拟系统进行功能介绍和演示。 关键词 ： 骨骼皮肤绑定 皮肤变形 骨骼蒙皮动画 II Abstra

3、ct Virtual Human Walking System is one of the most important research focuses, and remains problematic in the research field of computer animation. Because of the complexity of both the human body joints others , or between the skin , sports figures with the campaign will be different in different f

4、igures to realistic simulation exercise , so when creating realistic human animation , we need not only realistic human motion and its control techniques, but also effects of vivid body shapes and skin deformation. And it is quite difficult. The research of skinning technique can be divided into two

5、 parts , one is concerned with the skin-skeletal binding procedure , the other is concerned with the skinning algorithm; this thesis covers both sides , provides detailed description and makes my own contribution in between . In this thesis, a research of skin deformation is done and a detailed surv

6、ey on existing methods for human-body modeling and skin deformation is given. Each method of skin deformation is described in detail covering the merits and shortcomings. Finally, I will introduce how to use 3DS MAX and Cal3D to implement skinned mesh animation in Virtual Human Walking System and in

7、troduce the function been actualized of it. Key words： skin-skeletal binding skin deformation skinned mesh animation III 目 录 第一章 引言 .1 1.1 研究虚拟人步行模拟系统的意义 .1 1.2 理论背景 .1 1.2.1 三维角色动画 .2 1.2.2 骨骼蒙皮动画 .2 1.3 虚拟人步行模拟系统国内外发展概况和趋势 .2 第二章 系统的总体设计 .4 2.1 系统开发环境 .4 2.2 系统体系结构 .4 2.3 三维人体模型的建立 .5 2.3.1 利用 3DS

8、 MAX 建立人体模型 .5 2.3.2 人体模型的修改和调整 .5 2.4 三维人体模型骨骼与皮肤肌肉的绑定 .5 2.4.1 骨骼皮肤绑定算法的研究 .6 2.4.2 骨骼与皮肤特定关系设置和权值计算 .7 2.5 三维虚拟人皮肤变形技术 .8 第三章 系统的详细设计 . 12 3.1 人体骨架模型的建立 . 12 3.2 Skin骨骼蒙皮 . 14 3.2.1 Skin蒙皮系统与 Physique 蒙皮系统的比较 . 14 3.2.2 Skin骨骼蒙皮流程展示 . 15 3.3 人体模型的导出 . 20 3.3.1 导出文件的格式说明 . 22 3.3.2 人体模型的导出流程展示 . 2

9、2 IV 3.4 系统调用人体模型信息 . 25 第四章 系统的实现（运行）结果 . 28 4.1 虚拟人步行模拟系统运行环境 . 28 4.2 虚拟人步行模拟系统功能展示 . 28 4.2.1 虚拟人骨骼蒙皮效果展示 . 28 4.2.2 虚拟人换衣效果展示 . 31 4.2.3 虚拟人动画效果展示 . 34 第 五 章 结束语 . 36 致谢 . 37 参考文献 . 38 V Contents Chapter 1 Introduction .1 1.1 Significance of Virtual Human Walking System.1 1.2 Theoretical Backgr

10、ound .1 1.2.1 3D Character Animation .2 1.2.2 Skinned Mesh Animation.2 1.3 General Situation and Direction of VHWS at Home and Abroad.2 Chapter 2 General Design of System .4 2.1 Development Environment .4 2.2 System Architecture .4 2.3 Creating of 3D Models .5 2.3.1 Creating 3D models using 3DS MAX

11、.5 2.3.2 Modification and Adjusting of Models.5 2.4 Skin-skeletal Binding of Virtual Human .5 2.4.1 The Arithmetics of Skin-skeletal Binding .6 2.4.2 Set the Relations between Bones and Skin.7 2.5 Skin Deformation of Virtual Human .8 Chapter 3 Particular Design of System. 12 3.1 Creating the Skeleto

12、n of Virtual Human. 12 3.2 Skinned Mesh. 14 3.2.1 To Compare the Skin and Physique System. 14 3.2.2 Displaying of Skinned Mesh . 15 3.3 Import Models from 3DS MAX . 20 3.3.1 Introduction of File Format . 22 3.3.2 Displaying of 3D Models Importing. 22 VI 3.4 Call the 3D Models by System . 25 Chapter

13、4 Demonstrated the Virtual Human Walking System . 28 4.1 Operating Environment . 28 4.2 Function of System. 28 4.2.1 Results Show of Skinned Mesh . 28 4.2.2 Results Show of Changing Clothes . 31 4.2.3 Results Show of Animation . 34 Chapter 5 Conclusion . 36 Acknowledgement . 37 References . 38 本科毕业论

14、文 虚拟人步行模拟系统 骨骼蒙皮的实现 1 第一章 引 言 1.1 研究虚拟人步行模拟系统的意义 计算机三维动画技术是指使用计算机技术来自动或者半自动地生成动画的技术。它是计算机图形学与艺术相结合的产物，伴随着计算机硬件技术的高速发展和计算机图形学理论研究的不断深入，三维动画技术尤其是实时三维动画技术已经取得长足进步。今天，计算机动画技术已经不止是动画创作的一种辅助手段，而且还是动画创作的必备工具。动画师可以借助计算机来创作出具有高度真实感的虚拟场景和数字人物。它不仅可以应用于电影特技、商业广告、电视片头、游戏开发等娱乐产业，还可以应用于计算机 辅助教育、科学研究、军事模拟等许多领域。 在计算

15、机动画领域中，计算机动画的研究对象可以包括现实生活或虚拟世界中一切可以随时间而运动的物体如云雾、河流、各种植物、动物等，其中的角色建模和角色动画技术一直是学术界和产业界关注的焦点。这些内容主要是针对角色动画中的难点 建模技术、运动控制技术、骨骼蒙皮技术展开的。其中建模技术研究的是角色模型层次及其之间的关系；运动控制技术研究的是运动学、动力学相关的数据生成和控制方法；骨骼蒙皮技术主要研究如何应用运动数据驱动角色模型生成动画的方法，使得角色模型变形适当，动画效果 更加真实 1。 以上三个方面是角色动画技术在进一步发展中需要突破的技术关键。本文所讨论的骨骼与皮肤肌肉的绑定技术和皮肤变形技术就是针对其

16、中第三个方面提出的，目的是想通过研究骨骼蒙皮动画相关技术来推动角色动画技术的进一步发展。 1.2 理论背景 三维角色动画和骨骼蒙皮动画的相关内容和技术是本文研究的理论背景和应用环境，本节中将分别予以介绍。 本科毕业论文 虚拟人步行模拟系统 骨骼蒙皮的实现 2 1.2.1 三维角色动画 三 维角色动画 又称 3D 角色 动画，是近年来随着计算机软硬件技术的发展而产生的一 项 新兴技术。三维动画软件首先在计算机中建立一个虚拟的 世界 ，设计师在 这个虚拟的三维世界中按照要表现的 人物 对象的形状尺寸建立 虚拟人 模型以及场景，再根据要求设定 人物 模型的运动轨迹、虚拟摄影机的运动和其它动画参数，最

17、后按要求为 人物 模型赋上特定的材质，并打上灯光。当这一切完成后就可以让计算机自动运算，生成最后的画面 了 。 三维 角色 动画技术模拟真实 人 物的方式使其成为一个有用的工具。由于其精确性、真实性和无限的可操作性，被广泛应用于医学、教育、军事、娱乐等诸多领域。 目前三维 角色动画制作涉及： 3D 游戏角色动画、电影角色动画、广告角色动画、人物动画等。 特别是 在影视广告制作方面，这项新技术 能够给人耳目一新的感觉，因此受到了众多客户的欢迎。 1.2.2 骨骼蒙皮动画 （ Skinned Mesh Animation） 骨骼蒙皮动画是一种适用于具有骨架结构的脊椎动物的动画模拟技术。一般来说，骨

18、骼蒙皮动画包含两部分信息：一是层次化骨架，另一个部分是蒙在骨架上的皮肤。用骨骼承载运动，用皮肤模型表达角色，再利用骨骼控制皮肤变形就达到了角色动画模拟的目的。本文的研究重点就是骨骼蒙皮动画。 本论文通过对骨骼蒙皮动画的研究，将骨骼蒙皮动画中涉及数据归纳为四种：骨骼数据、皮肤网格数据、皮肤材质数据、运动数据。然后 可以通过这四种数据的配合来实现骨骼蒙皮动画了。 1.3 虚拟人步行模拟系统国内外发展概况和趋势 随着虚拟人技术由纯粹的理论研究逐渐走向实际应用，在医学、生物学以及军事、航天、体育、汽车、艺术等相关领域发挥越来越重要的作用，人们意识到非常有必要开发一套可以用来驱动虚拟人的应用程序开发包

19、。 目前国内外很多科研机构及公司利用自己的三维虚拟人运动及显示技术开发了一些非常实用的系统，如：美国的宾夕法尼亚大学设计的 Jack；英国的诺丁汉大学设计的 Sammie；克莱斯勒汽车公司开发的 Cyberman；美国航本科毕业论文 虚拟人步行模拟系统 骨骼蒙皮的实现 3 空航天医学研 究实验室开发的 Combiman等等 2。这些系统都有自己的显示及控制虚拟人运动的方法，它们的模型底层骨架结构也已经相当完美，但在虚拟人的几何外形表示和显示方面没有充分考虑美学方面的因素，逼真度不高。本系统借助 Cal3D 动画引擎及 OpenGL 强大的渲染功能，开发出适合于三维虚拟人的显示及运动控制的平台，它具有很高的渲染速度和良好的可扩展性，并能简单完成虚拟人复杂的运动控制。