浅谈虚拟人在3D游戏中的仿真实现

2023-02-22

在各种真实感强的三维游戏场景中加入逼真的虚拟人模型, 将使整个游戏成为真正的三维游戏的同时又增加用户的沉浸感。要实现人在三维虚拟空间 (3D游戏中) 的准确再现不仅要模拟人体外观, 而且要有逼真的运动模拟。人体具有200个以上的自由度, 且能够完成非常复杂的运动。如何模拟这种运动一直是虚拟人技术的主要研究目标之一。

1 虚拟人运动技术概况

早期的研究主要集中于底层的运动控制技术, 即直接指定动作参数控制人体运动。虽然可以实现逼真的人体动画效果, 但是控制手段繁琐。特别是在进行人体复杂运动和群体运动仿真时, 底层运动控制技术无能为力。因此, 研究者开始了高层动作控制技术即:行为控制技术的研究。根据心理学的研究, 人的行为产生过程是一个感知到决策到行动的循环虚拟人可以感知所处环境中的变化、并结合自身状态和已有知识做出决策, 采取适当的反应行动来应对环境变化。行为控制技术通过在运动控制方法中引入感知, 认知, 决策等功能为虚拟人建立自主模型。行为控制技术提供了实现虚拟人运动的高层控制手段。动画师在控制虚拟人动作时, 只需要描述虚拟人行为特征就可以实现虚拟人的复杂运动模拟, 由此摆脱了在每个关键帧中设置运动参数的繁琐工作。

综上所述, 行为控制技术不仅涉及到行为模型的建立, 而且需要感知建模技术和运动控制方法的配合才能实现动作控制。因此, 行为控制技术的研究不仅包含行为建模, 而且涉及与行为模型相适应的感知模型和运动控制方法的研究。

2 在3D游戏中实现虚拟人逼真性

在影音娱乐游戏行业强调运动逼真性, 可控性, 和实时性。因此人体运动应当在可控性、逼真性与实时性之间取得平衡, 尽可能同时满足这三方面的要求。常用的人体运动建模方法包括运动学方法、动力学方法、关键帧插值方法和运动捕获方法。这些方法各有利弊, 分别适用于不同的应用背景。动力学方法虽然能够生成符合物理学规律的人体运动。逆向运动学能够利用少量目标参数实现对关节链上的大量关节的控制, 但是动作的逼真性存在一定问题, 不适合模拟大范围的全身性人体运动。关键帧插值方法具有简单快速的优点, 实时性非常好, 合适的参数控制也能保证运动逼真性, 前提是能够获得正确的参数化人体数据, 而这一点恰恰是难以做到的。运动捕获方法能够保证运动的逼真性, 但是往往缺乏可控参数接口, 而且数据的重用与编辑往往导致复杂冗长的数据处理过程, 但是该方法毫无疑问是最有希望的人体运动建模手段。为了确保动作的可控性、逼真性与实时性, 针对不同类型的游戏动作, 应当分别采用不同的方法进行建模与封装。采用参数化关键帧插值实现了姿态调整类动作与徒手抓握类动作。通过人机交互对话框或控制台命令行方式, 用户可以指定目标姿态或目标手势, 从而为参数化关键帧插值提供了良好的先决条件。内置的姿态与手势来源于捕获数据, 从而可以保证运动的逼真性。可以采用逆向运动学方法实现了徒手操作类和武器操作类动作。这些动作往往涉及到操作对象或游戏武器的空间位姿变化, 位姿参数为基于目标参数的关节链驱动方法提供了良好的前提条件。由于此类动作一般只涉及上肢关节链的操控, 逼真性能够满足要求。应当采用运动重定向方法实现诸如直立行走、匍匐前行、仰卧爬行等平面移动类动作。此类动作由于涉及到全身关节的大范围运动, 采用逆向运动法很难生成符合人体视觉要求的逼真运动。因此, 提出了一种基于路径变换的运动重定向方法。算法是基于捕获数据实现的, 仿真出的人体动作逼真可信, 符合人体生理视觉;同时, 提供了一定的运动参数控制接口, 保证了运动的可控性, 有效性。

3 多层次模型

游戏中采用的最多的是多层次模型。多层次模型是最接近人体解剖结构的模型, 通常使用骨架支撑中间层和皮肤层, 虚拟人皮肤逼真变形方法的研究与实现也考虑衣物层, 其中中间层包含骨骼、肌肉、脂肪组织等模拟人体体积。一个层次可义为概念上的模拟模型它将较高层的输入参数映射为较低层的输出。动画制作人指定层次之间的各种约束关系, 并能够由高层控制人体的全局运动。通常层次模型由骨骼层、肌肉层和皮肤层组成。由于人体的外形主是由人体的骨骼结构和附着在骨骼上的肌肉运动决定, 而皮肤的形变则骨骼的弯曲和肌肉的伸展与收缩变化, 这样只要对骨骼层操作就可以现逼真的虚拟人运动仿真。

4 结语

虚拟现实系统是人类智慧的结晶, 也是特定历史发展阶段的人类创造物。随着人类发展创新, 相信虚拟人在3D游戏中会将表现迥然不同的新面貌。

摘要：虚拟人是人在计算机生成空间 (虚拟环境) 中的几何特性与行为特性的表现。虚拟人相关的研究工作要追溯到二十世纪七十年代的计算机图形学界。而要实现人在三维虚拟空间的准确再现, 不仅要模拟人体外观, 而且要有逼真的运动模拟, 逼真的动作模拟能给人以亲近感。如最近的3D游戏《永恒之塔》中的虚拟人物的逼真的头发动画, 肌肤处理, 动作等, 都给人们留下了很深刻的印象, 本文就着重来谈虚拟人物在3D游戏中的动作模拟行为。

关键词：三维,虚拟人,真实