虛擬人在3D游戲中的仿真實(shí)現(xiàn)分析

王媛芳 （重慶工程學(xué)院 400000）

虛擬人在3D游戲中的仿真實(shí)現(xiàn)分析

王媛芳 （重慶工程學(xué)院 400000）

虛擬人是計(jì)算機(jī)輔助人機(jī)設(shè)計(jì)的前提和有效手段，具體是指人在計(jì)算機(jī)虛擬環(huán)境中幾何特性和行為特性的重要表現(xiàn)。虛擬人的研究起源于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)界。想要將虛擬人準(zhǔn)確的再現(xiàn)到三維虛擬空間中，不僅需要進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)人體外觀的模擬，而且還需要進(jìn)行動(dòng)態(tài)化的運(yùn)動(dòng)模擬，從而拉近虛擬人和現(xiàn)實(shí)人之間的親近感。文章在闡述人機(jī)設(shè)計(jì)中的虛擬人仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，具體分析虛擬人在3D游戲中的仿真實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用。

虛擬人；仿真技術(shù)；3D游戲；設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

產(chǎn)品人機(jī)設(shè)計(jì)是指在考慮人心理、生理因素需求的基礎(chǔ)上，采用人機(jī)工程學(xué)理論方法解決各種問(wèn)題，從而構(gòu)建完美人機(jī)關(guān)系的一種設(shè)計(jì)思想和方法。在社會(huì)科技的發(fā)展下，有學(xué)者提出了數(shù)字化人機(jī)工程理念，即應(yīng)用計(jì)算機(jī)信息技術(shù)進(jìn)行輔助性的人機(jī)設(shè)計(jì)，在相關(guān)軟件系統(tǒng)的作用下進(jìn)行人機(jī)設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)。在游戲設(shè)計(jì)的三維場(chǎng)景中應(yīng)用虛擬人，能夠提升用戶對(duì)游戲的沉浸感。而想要實(shí)現(xiàn)虛擬人在三維虛擬空間中的準(zhǔn)確再現(xiàn)不僅需要對(duì)人體外觀進(jìn)行模擬，而且還需要進(jìn)行形象化、生動(dòng)化的模擬?；谌梭w結(jié)構(gòu)的復(fù)雜，怎樣有效模擬人的動(dòng)作成為未來(lái)虛擬人技術(shù)的研究發(fā)展方向。

一、虛擬人概述

虛擬人是指人才計(jì)算機(jī)虛擬空間中的幾何特性和行為特性總和，能夠被人們廣泛的應(yīng)用在人機(jī)交互工程、人機(jī)工程、視頻工作、娛樂(lè)游戲等多種領(lǐng)域。虛擬人的特征一般體現(xiàn)在兩個(gè)方面，一個(gè)是交互性，另外一個(gè)是自治性。自治性是指虛擬人具有感知外界和針對(duì)某種感知做出迅速反應(yīng)的能力。虛擬人大多采用了擬人化的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，根據(jù)抽象的人體模型能夠在不同軟件的應(yīng)用下生成人體計(jì)算機(jī)，形成數(shù)字化人體模型。虛擬人最簡(jiǎn)單的計(jì)算機(jī)模型是二維、三維線性模型，能夠?qū)θ梭w的關(guān)節(jié)連接情況進(jìn)行有效的反映。虛擬人的另外一個(gè)功能是在虛擬人行為仿真領(lǐng)域應(yīng)用人工智能技術(shù)。對(duì)虛擬對(duì)象自主行為進(jìn)行研究，讓虛擬人充分顯示出智能化和情感化的特點(diǎn)。

二、虛擬人運(yùn)動(dòng)技術(shù)概述

虛擬人運(yùn)動(dòng)技術(shù)最早是研究底層運(yùn)動(dòng)的控制技術(shù)，即通過(guò)動(dòng)作參數(shù)的制定來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)人體運(yùn)動(dòng)的控制。早期的虛擬人技術(shù)雖然能夠帶來(lái)逼真化的人體動(dòng)畫(huà)效果，但是操作程序較為復(fù)雜，在進(jìn)行人體復(fù)雜動(dòng)作和群體控制運(yùn)動(dòng)仿真操作的時(shí)候，底層運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)無(wú)法充分支撐這些研究。在科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展下，相關(guān)人員進(jìn)一步研究出了高層動(dòng)作控制技術(shù)，也就是行為控制技術(shù)。該技術(shù)參考了心理學(xué)內(nèi)容，總結(jié)出人的行為體現(xiàn)的是一個(gè)從感知到?jīng)Q策再到行動(dòng)的循環(huán)過(guò)程。在這個(gè)過(guò)程中，虛擬人能夠充分感知自己所在環(huán)境的各種變化。虛擬人在感知周?chē)h(huán)境的同時(shí)結(jié)合自身發(fā)展?fàn)顟B(tài)和掌握的知識(shí)，做出適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)來(lái)和周?chē)h(huán)境適應(yīng)。虛擬人和行為控制技術(shù)結(jié)合，通過(guò)引入感知、認(rèn)知、決策等功能，能夠建立一種虛擬化的自主模型，為虛擬人運(yùn)動(dòng)高層控制的實(shí)現(xiàn)提供重要手段的支持。在形成高層虛擬人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)之后，動(dòng)畫(huà)師在對(duì)虛擬人動(dòng)作控制的時(shí)候只需要描述虛擬人的行為特征就能實(shí)現(xiàn)，減少了運(yùn)動(dòng)設(shè)置不必要的工作環(huán)節(jié)。

三、3D游戲中的虛擬人

隨著影音游戲行業(yè)的深入發(fā)展，在影音游戲行業(yè)發(fā)展中更加強(qiáng)調(diào)游戲運(yùn)動(dòng)的逼真性、形象性和可操作性。為此，3D游戲中虛擬人的設(shè)置要注重對(duì)人體運(yùn)動(dòng)的控制，實(shí)現(xiàn)人體運(yùn)動(dòng)的可控性、形象性和實(shí)時(shí)性。對(duì)人體運(yùn)動(dòng)虛擬人模型構(gòu)建的方法包括動(dòng)力學(xué)法、運(yùn)動(dòng)學(xué)法。這些方法能夠適用的范圍是有限的，應(yīng)用的背景也是受到限制的。動(dòng)力學(xué)不適合模擬大范圍的人體運(yùn)動(dòng)，不具有形象逼真性的特點(diǎn)。關(guān)鍵幀插值方法具有操作簡(jiǎn)單和實(shí)時(shí)性的特點(diǎn)，對(duì)參數(shù)信息的合理控制也能夠保證運(yùn)動(dòng)的逼真性和形象性，但是應(yīng)用具有前提的要求，具體要求能夠有效獲得合理的人體數(shù)據(jù)信息。這一點(diǎn)加重了工作處理的繁瑣性，在推廣應(yīng)用上遇到了麻煩。運(yùn)動(dòng)捕獲法能夠提升運(yùn)動(dòng)的逼真性和形象性，但是在應(yīng)用的時(shí)候往往缺乏對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)處理窗口，具體的數(shù)據(jù)處理過(guò)程也不夠完善。

為了保證人體運(yùn)動(dòng)的各方面性能，在應(yīng)用虛擬人建模方法的時(shí)候需要做到具體問(wèn)題、具體分析，對(duì)不同類(lèi)型3D游戲的要求要選擇不同的人體運(yùn)動(dòng)建模方法。在應(yīng)用參數(shù)化關(guān)鍵幀插值之后能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)動(dòng)作姿態(tài)的有效調(diào)整，并通過(guò)人機(jī)交互對(duì)話框和控制臺(tái)命令的方式來(lái)控制目標(biāo)姿態(tài)和手勢(shì)，提升動(dòng)畫(huà)動(dòng)作的逼真性和形象性。還可以應(yīng)用逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)方法做出相應(yīng)的徒手操作和武器操作工作。這些動(dòng)作的實(shí)現(xiàn)需要涉及到游戲操作對(duì)象或者游戲武器空間的位置變化，基于目標(biāo)參數(shù)關(guān)節(jié)鏈的位置參數(shù)信息能夠?yàn)閼?yīng)用關(guān)節(jié)鏈驅(qū)動(dòng)方法提供良好的條件支持。運(yùn)動(dòng)重定向方法能夠完成人物的直立行走、仰臥爬行等動(dòng)作，但是在動(dòng)作操作的時(shí)候會(huì)涉及到大范圍的動(dòng)作，逆向運(yùn)動(dòng)法是很難滿足人體視覺(jué)要求的逼真動(dòng)作。

四、3D游戲虛擬人的多層次模型構(gòu)建

虛擬人在3D游戲中仿真實(shí)現(xiàn)操作應(yīng)用最多的是多層次模型。多層次模型也是和人體解剖結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)最大的模型，主要是應(yīng)用骨架來(lái)支撐虛擬人的中間層和皮膚層。虛擬人的中間層具體包括骨骼、肌肉和脂肪組織等。在中間層中一個(gè)層次就能被定義成概念上的模擬模型，能夠?qū)⒏邔哟蔚膮?shù)信息映射到較低層次的的輸出上。在3D動(dòng)作制作的時(shí)候，相關(guān)人員制定各個(gè)層次之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系，同時(shí)還能夠應(yīng)用高層控制人體的全局運(yùn)動(dòng)。但是受人體外形是由人體骨絡(luò)結(jié)構(gòu)附加在骨骼上肌肉運(yùn)動(dòng)影響大，人體皮膚的形象也會(huì)導(dǎo)致骨骼和骨骼肌肉的發(fā)展收縮變化。因而，在一般情況下，通過(guò)對(duì)人體骨骼層的操作就能讓虛擬人在3D游戲中實(shí)現(xiàn)仿真設(shè)計(jì)。

綜上所述，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)是人類(lèi)智慧和科學(xué)技術(shù)發(fā)展的重要成果，也是人類(lèi)歷史發(fā)展的重要?jiǎng)?chuàng)造物。虛擬人和動(dòng)畫(huà)設(shè)計(jì)產(chǎn)品組成了一個(gè)低成本的虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景，帶來(lái)了很強(qiáng)的虛擬真實(shí)感，符合國(guó)際上對(duì)虛擬人的設(shè)計(jì)應(yīng)用要求。通過(guò)人體關(guān)節(jié)動(dòng)畫(huà)的仿真能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)虛擬人動(dòng)作的仿真。虛擬人在3D游戲中的仿真實(shí)現(xiàn)為游戲形式的展現(xiàn)帶來(lái)了新的面貌。復(fù)雜的人機(jī)設(shè)計(jì)還需要注重舒適度分析、疲勞分析等，因而，伴隨動(dòng)畫(huà)技術(shù)的發(fā)展，虛擬人仿真技術(shù)在3D動(dòng)畫(huà)的未來(lái)應(yīng)用時(shí)怎樣建立虛擬人物理建模，這也是虛擬人智能性未來(lái)發(fā)展的重要研究。

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[2]魏高峰，唐剛，付增良，孫秋明，田豐.基于Creator/Vega的中國(guó)力學(xué)虛擬人仿真系統(tǒng)研究[J].生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜志，2010（5）：1039-1043.

[3]盧曉軍.維修仿真中虛擬人動(dòng)作建模與行為控制技術(shù)研究[D].國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2006.

[4]邱世廣，周德吉，范秀敏，武殿梁.虛擬操作仿真環(huán)境中基于運(yùn)動(dòng)捕獲的虛擬人實(shí)時(shí)控制技術(shù)[J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2013（3）：523-528.

王媛芳，女，出生年月：1991年1月27日，籍貫：河南，工作單位：重慶工程學(xué)院，研究方向：游戲設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，學(xué)歷：本科。