（机械制造及其自动化专业论文）面向人机工程的三维人体尺度模型.pdf

摘要 计算机辅助人机工程设计的目的是研究人体各类特性，并把这些特性应用于 人机工程分析与设计中。建立参数化三维人体模型以及分析人体各类尺度，对于 人机工程设计、人体关节运动控制和人体模型的碰撞检测研究都具有重要的意义。 然而多关节的人体运动难以描述，三维人体尺度还没有有效地应用于人机工程设 计中。 本文在综合现有国内外研究成果的基础上，对用于人机工程的虚拟三维人体模 型进行了研究。首先结合人机工程统计数据建立了简化的三维人体模型，并研究 了参数化人体模型变形方法；其次探讨了多关节且关节转角受限制的三维人体尺 度模型：然后介绍一种针对运动捕获数据的人体关节运动编辑和重定向方法，并 将其应用于操作动作仿真。最后结合实例，通过人体视觉空间尺度、活动空间尺 度的实时模拟，进行人机工程的可见度和可及度检测。结果表明：该人体尺度模 型和运动仿真方法简单实用，生成的空问模型直观准确，能较好地辅助人机工程 设计。 关键词：人机工程设计三维人体模型空间尺度运动编辑 a b s t r a c t c o m p u t e ra i d e de r g o n o m i c sd e s i g ni n t e n d s t o i n v e s t i g a t eh u m a nf i g u r e s a n d a p p l y t h e mt oe r g o n o m i c sa n a l y s i sa n dd e s i g n ad i g i t i z e d3 dh u m a nb o d ym o d e la n d a na n a l y s i so fi t s r e a c h s p a c ea r ei m p o r t a n tt oe r g o n o m i cd e s i g n ，m o t i o nc o n t r o lo f h u m a n j o i n ta n dc o l l i s i o nd e t e c t i o no fh u m a n m o d e li nv i r t u a le n v i r o n m e n t b u ti ti s d i f f i c u l tt od e s c r i b er e a l i s t i cm u l t i - j o i n th u m a nm o t i n n ，s o3 dh u m a nr e a c h s p a c eh a s n o tb e e na p p l i e dt oe r g o n o m i c sd e s i g ne f f e c t i v e l y b a s e do f ft h ec o m p l e t e l ys y n t h e s i z i n gt h ea v a i l a b l er e s e a r c hr e s u l t s ，t h i sp a p e r c o n c e n t r a t e so ne r g o n o m i c sb a s e d3 dv i r t u a lh u m a n b o d ym o d e l f i r s t ，ar e a l i s t i c3 d h u m a nb o d ym o d e lw h i c hi n t e g r a t e s 、i t l la n t h r o p o m e t r i cd a t aa n dam e t h o do f3 d h u m a nb o d ym o d e l i n ga n dd e f o r m a t i o na r e r e s e a r c h e d s e c o n d l y , ac o r r e s p o n d i n g r e a l i s t i c3 dm u l t i - j o i n tr e a c h s p a c em o d e lw i t hl i m i t e dj o i n tr o t a t i n ga n g l e si sp r e s e n t e d t h e n ，am o t i o ne d i t i n ga n dm o t i o nr e t a r g e t i n gm e t h o dw h i c ha i m sa tm o t i o nc a p t u r e d a t ai sa p p l i e dt oaw o r km o t i o ns i m u l a t i o ni nt h i sp a p e r e v e n t u a l l y ，ae x a m p l eo fa i d e d e r g o n o m i c sd e s i g nb ys i m u l a t i n gv i e w - s p a c ea n dr e a c h s p a c ei sa d o p t e dt ov e r i f yt h e e f f e c t i v e n e s so ft h ep r o p o s e dm o d e la n d m e t h o d e x p e r i m e n t a lr e s u l t sd e m o n s t r a t e t h a t t h er e a l i s t i cm o d e la n dm o t i o ns i m u l a t em e t h o dc a nb eb u i l tu dw i t hal i t t l ec a l c u l a t i o n a n dt h er e s u l ti sf a i r l yg o o d b y o u rm e t h o d s k e y w o r d ：e r g o n o m i c sd e s i g n 3 dh u m a n b o d ym o d e l r e a c h 。s p a c e m o t i o n e d i t i n g 声明 y 5 8 3 6 6 5 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：i 茎3 五塑i ! 日期2 堂垒。z ：2 ： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文 在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在_ 1 2 年解密后适用本授权书。 本人签名 导师签名 f 司翱睁 日期蘸塑竺! ! ：羔 日期塑笙：l ：生 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 在以往的产品设计中，过多的注重于产品的功能，而忽视了使用产品的人的 因素，从而造成了一些产品功能很完善但却不方便使用。9 0 年代以来，随着以计 算机技术为支柱的信息技术的发展，工业产品由传统的机械产品向机电一体化产 品、信息电子产品方向发展，技术含量大为增高：社会的消费观念也不断发生变 化，产品的功能已不再是消费者决定购买的最主要因素，产品的创新性、外观造 型、宜人性、环保性等因素愈来愈受到重视，在竞争中占据突出地位。这使得以 产品的宜人性为主要标志的人机工程设计在产品概念设计阶段占据越来越重要的 地位。 人机工程学( e r g o n o m i c s ) 是2 0 世纪4 0 年代后期跨越不同学科和领域，应用 多种学科的原理、方法和数据发展起来的一门新兴的边缘学科。它形成于2 0 世纪 4 0 年代，到6 0 年代已经成为推动工业发展的技术动力之一，在工业发达国家受到 普遍重视。人机工程学在我国7 0 年代末逐渐兴起，虽然由于其效果呈现的间接性 和习惯的阻碍作用，使其发展和应用受到一定的影响，由于学科的先进性和适用 性，经广大专业工作者的不懈努力，已逐渐为人们所认识，近几年在理论研究和 实际应用上得到了发展。目前人机工程学在国防、宇航、工业、交通运输、医学、 农业和教育等各个领域得到了十分广泛的应用，尤其在电子机械产品，如车辆和 飞机设计领域更是突出。 目前人机工程学有以下几种定义【l 】 2 【3 】： ( 1 ) 著名的美国人机工程专家w e w o o d s o n 认为：人机工程学研究的是人与机 器相互关系的合理方案，亦即对人的知觉显示、操纵控制、人机系统的设计及其 布置和作业系统的组合等进行有效的研究，其目的在于获得最高的效率和作业时 感到安全和舒适。 ( 2 ) 国际人机工程学会( i e a ) 的定义为人机工程学是研究人在某种工作环境中 的解剖学、生理学和心理学等方面的因素，研究人和机器及环境的相互作用，研 究在工作，生活时怎样统一考虑工作效率、健康、安全和舒适等问题的学科。 ( 3 ) 前苏联学者将人机工程定义为研究人在生产过程中的可能性、劳动活动方 式、劳动的组织安排，从而提高人的工作效率，同时创造舒适和安全的劳动环境， 保障劳动人民的健康，使人从生理和心理上得到全面发展的一门学科。 尽管各国学者对人机工程学所下的定义不同，但在下述两方面却是一致的： 面向人机二i ：= 程的三维人体尺度模型 ( 1 ) 人机工程学的研究对象是人、机、环境的相互关系。 没有机器的帮助人们几乎不能达到自己的目的。但没有人的操作，机器也 不能工作。广义的人机系统是指人为了达到某种预定目标，针对某种特定条件， 利用已经掌握的科学技术，组成的人、 环境系统。人机系统的外延相当广泛， 机、环境共存的体系，也称为人一机一 工人用车床加工零件，构成了工人一车 床人机系统；人与工具、人与桌椅等都是人机系统。人机系统之所以能够不断 发展，是由于人机系统中人与机器能够互相补偿各自的不足。因此，任何一个 人机系统都需要解决人与机器的合理分工问题。既然人与机器在完成系统目标 上有分工，随之而来的就是人与机器的信息交换问题人机界面问题。为了 使系统达到预期目标，人机之间的信息交换必须保证准确、迅速。人机系统的 改善，很大程度依赖工程技术人员对机器进行改进，使机器更适合于人体因素。 ( 2 ) 人机工程学研究的目的是如何达到安全、健康、舒适和工作效率的最优化。 在人机工程研究中，人的生理、心理特性和能力限度是人机系统设计的基 础。以人为中心，需要研究人在工作过程中的生理、心理特征，包括：人的形 体参数、人体力学、人的技能特征、人的作业能力与疲劳、人的自然倾向和可 靠性等。从而为与人体相关的机电设备、工具、作业以及人机系统提供有关人 的数据资料和要求。人的行为特性十分复杂，大多与人体的自然形态有关。比 如人的眼、耳、四肢都适于向前看、听、活动，人在工作、劳动时手臂前伸比 较方便，前伸向下活动比较省力，前伸上举比较费力，这类动作、行为特点都 是人机工程设计所必须充分注意的。人的技能是有一定限度的。手臂、手指的 长度有限度，活动范围有限度，手脚的相互配合也有限度。比如桌子太低了， 写字不方便；工作椅太高了，坐上去两脚不沾地就坐不稳；汽车方向盘的尺寸、 位置、操纵杆的活动方向，脚踏器的高低等都得精心设计，使得司机的手脚动 作配合协调而不费力才好。另外，人是在一定的工作场所，如工作空间、座位、 工作台或操纵台中工作的，工作场所设计的是否合理，将对人的工作效率产生 直接的影响。只有使作业场所适合于人的特点，才能保证人以无害于健康的姿 势从事劳动，既能高效地完成工作，又感到舒适和不致以过早地产生疲劳。 综上所述，在人机工程研究中，人是最核心要素。因此，研究人体各类特 性，并把这些特性应用于人机工程分析与设计中成为一个关键问题。建立三维 人体尺度模型以及分析人体关节运动，是解决上述问题的有效方法。 1 2 计算机辅助人机工程设计的研究现状及意义 1 2 1 计算机辅助工业设计 计算机辅助工业设计( c a i d c o m p u t e r a i d e di n d u s t r i a ld e s i g n ) ，即在计算 第一章绪论 3 机及其相应的计算机辅助工业设计系统的支持下，进行工业设计领域的各类创造 性活动。c a i d 是c a d 的一个分支，涉及到人工智能技术、多媒体技术、虚拟现 实技术、优化技术、模糊技术、人机工程学等信息技术领域。与传统的工业设计 相比，c a i d 在设计方法、设计过程、设计质量和效率等各方面都发生了质的变化。 早在7 0 年代初期，美国就在航空领域应用了计算机辅助工业设计，当时主要 是用于飞机的外形设计。此后这一技术迅速推广，设计师们以人机工程理论为依 据，不仅从工业设计方面对飞机驾驶舱进行合理布局，而且从系统论方面对人一 机一环境系统做出科学的分析，以保证驾驶员在最佳的舒适状态下充分发挥出人 的能动性，提高效率，减少误差。 1 2 2 虚拟人体模型在人机工程设计中的应用 所谓人机工程分析与设计，指的是研究、分析、预见和评估人们在特定工作 环境中的工作绩效、舒适程度、视觉观察、肢体可达范围以及其它的操作任务， 即在工程设计过程中考虑人的因素的问题。传统的人机工程分析中，通过建构实 体模型来分析工作环境的设计，采用真实的物体来完成操作任务，然后报告对设 计的满意度。这种方法固然直观，但有很多不足。最主要的是设计者在工作过程 中很难避免设计的思维惯性。实物模型是一个具有特定目标的综合系统，对其中 任何局部的修改都可能涉及整个摸型的匹配问题。我们不可能在事前周密地考虑 到所有可能发生的问题。另一方面，等到模型建成后发现问题再做更改，则无论 在经费还是时间上，都必须付出庞大的开销。倘若在设计的早期阶段引入虚拟人 体模型，设计者在建立实体模型前可以避免许多功能和匹配方面的问题【4 1 。 ( 1 ) 工作现场空间设计与预期的操作者的匹配问题。设计者根据有关工作群体 的人体测量资料，设计与之相适应的工作空间。例如，飞机舱门的大小及 手操纵杆或脚蹬的定位，都牵涉到肢体活动空间和操作可靠性问题。 ( 2 ) 可视区域分析。为确保驾驶安全，怎样才是最佳视角? 当注意后视镜的时 候，应怎样协调驾驶动作? 此类问题的研究，如果完全用实物模型来建构 工作环境，所需费用必定惊人；更为棘手的是，当从事交通事故研究时， 很难直接进行事故的模拟，这时候虚拟人体模型是必不可少的。 ( 3 ) 利用人体模型进行作业动作分析，以提高作业效率。如针对具体的作业( 如 举重) 任务要求，构建适当的人体模型，据以判定举物空间的大小，示出 人体所能胜任的重量极限，分析备关节承受的载荷，并设法减小作用于各 关节的力矩，等等。 ( 4 ) 操纵杆设计中，其尺寸、形状、颜色、磨擦阻力大小等都会影响工效。例 如，操纵握柄尺寸过小，对一双大手来说，无疑会影响操纵的灵活性：如 果握柄过大，操纵起来可能就会比较困难。 由此可见，采用计算桃辅助设计手段薏簪剐怒采用虚拟人体模型系统后，使 4面向人机程的三维人体尺度模型 工程设计人员获得巨大的帮助。其优点如下： 1 ) 节约时间。无论在概念设计阶段还是详细设计阶段，采用虚拟人体模型系统比 用传统方法节约5 0 9 0 的时间。 2 ) 使设计过程中人机工程分析的早期介入成为可能。设计者可在设计的开始就从 人机工程学分析和设计的观点模拟完成设计任务。 3 ) 交互式设计。人机工程分析的早期介入有利于建立一个交互式的设计系统，从 而使更为广泛深入地探索各种不同的设计方案成为可能。 4 ) 改进的人机交互手段。计算机图形功能提供了一种优越的表征人机工程学信息 的手段，有助于设计者对构思的表达、理解、验证。 1 2 3 虚拟人体模型研究现状及意义 用于人机工程设计的人体模型主要分为三类【3 】： 1 分析用人体模型为了研究和分析人体动作范围、作业姿态和作业区域等， 用数学方法对人体尺寸与相对位置进行描述的模型，称为人体数学模型，即 分析用人体模型。 2 设计用人体模型由于人体各部分的尺度因人而异，而且人体的工作姿势随 着作业对象和工作情况的不同而不断变化，因而要从理论上来解决人机相关 位置问题是比较困难的。但是，若利用人体结构和尺度关系，将人体尺度用 各种模拟人来代替，通过“机”与人体模型相关位置的分析，便可以直观地 求出人机相对位置的有关设计参数，为合理布置人机系统提供可靠条件。国 外研究人机工程时间较长的国家研制开发了成套的标准模拟人，主要有二维 人体模扳，也有少量的三维人体模板。在过去较长的一段时间，在设计机械、 作业空间、家具、交通运输设备，特别是设计各种运行式机械，对车身型式 的选择、驾驶室空间的确定、显示与操纵机构的布置、驾驶座以及乘客座椅 尺寸等方面的设计参数，都是以人体模板作为依据的。如图1 1 。 图1 1 二维a 俸搏型甩于汽蕞蔫碑寒的避计 ； 第一章绪论 5 3 试验用人体模型试验用人体模型要求与真实人体有相似的动力学模型，测 试其重量分布、各肢体受负荷时变形特征、加速度等。一般用于汽车碰撞、 弹射座、降落伞等试验。 在工程设计和人机工程学分析领域内，曾广泛采用二维人体模板作为辅助设 计和分析的工具。庞兴华等通过用计算机模拟汽车驾驶员操作，提出二维h 点动 态模型，用于汽车驾驶员的视野设计、手伸界面的验算【5 】。由于二维人体模板缺乏 三维空问信息，不仅造成理解和使用上的不便，更因缺乏实时交互修改的特性而 降低了其应用价值。目前，越来越多的注意力集中在建立参数化三维人体模型上。 毛恩荣等采用面向对象的继承方法模拟肢体与整个人体模型的关系，建立了一个 完整的三维人体模型【6 】，但该模型没有融入人机工程设计参数。袁泉等建立了适用 于人机系统仿真的三维人体多体系统模型，并用来进行汽车碰撞响应和体育运动 分析等方面的仿真研究【7 j 。唐毅等提出了数字运动员的概念，结合举重运动员的抓 举动作介绍了一种基于知识的数字化运动员模型的仿真系统，主要用于解决关节 空间的冗余参数的优化问题【8 】。这些模型多是针对某一个具体领域的试验用人体模 型，不具有通用性。近年来主要工业化国家，如英国和美国，已经开始了参数化 人体模型的设计及其应用研究。英国的人体数据公司研制了一个p e o p l e s i z e 系统， 它对人体的各部分的主要尺寸及比例关系进行了比较详细的研究，但由于它只是 一个静态的基于平面线框图的人体数据模型，所以远远不能适应动画制作和产品 人机设计的要求。美国的d e n e b 公司和t r a n s o m 公司在最近两年也相继推出了 e r g o 及j a c k 人体模型系统。j u n g 开发了一个三维人机交互模型，并着重从可 见度和可及度方面进行了人机工程分析【9 j 。p o r t e r 等描述了s a m m i e 系统辅 助人机交互仿真系统，该系统可提供简捷而有效的人机工程分析手段和强大的工 作场所建模功能i l 。f e r n a n d e z 开发了一种人机工程c a d 系统来设计工作空间】。 它们都具有三维功能及多自由度，能够适应许多工业设计的需要。但是，如果要 将他们用于针对中国市场的产品设计，还有以下问题：它们的人体模型数据是基 于西方人体结构统计数据，而西方人的人体结构与中国人的人体结构有较大的差 别。即使是同一国家和地区，也还有比较特殊的人群，如男人与女人的结构就不 完全相同，不同年龄段大人、小孩的上下身比例可能也不相同；另外，它们是针 对大型机械产品而开发的，缺乏细节特征。 我国在面向人机工程设计的三维虚拟人体模型的研究还不成熟。目前，人机 工程在设计过程中的应用基本上还是对人机数据库进行检索，或在设计过程后期 作一些人机评价，有的甚至还停留在样本实地验证阶段。因此开发一个具有中国 人体特征、能够适应现代产品设计要求的参数化人体模型有着十分重要的意义。 面向人机工程的三维人体尺度模型 1 3 本文研究工作 本文开发了一个计算机辅助人机工程设计系统。该系统建立了适用于人机工 程设计的三维参数化人体尺度模型及其关节运动控制。结合人体标准数据库，该 人体模型可以通过改变其尺寸参数而具有不同的身体尺度，具有很好的通用性； 具有与真实人体相同的关节约束，提高仿真过程的真实感；能完成简单的动作， 更好的适用于仿真的需求。最后，结合实例，通过计算机模拟实验法，在三维虚 拟环境( 由v r m l 建构) 中仿真人与产品的布局关系，给产品设计及其人机工程评 估提供可视化的系统界面。 本文完成的工作如下： ( 1 ) 查阅了大量的国内外资料，全面研究和总结了三维人体模型建模和关 节运动控制现有理论和方法。 ( 2 ) 对三维人体模型几何和运动建模进行了研究，建立了简化的三维人体 模型。并提出适合人机工程仿真的一种人体模型变形方法，可用于快 速定制三维人体模型。 ( 3 ) 主要针对虚拟人体模型在人机工程中的应用，结合人体静态和动态测 量数据，探讨了多关节且关节转角受限制的三维人体尺度模型。 ( 4 ) 介绍一种基于坐标变换和时空约束的关节运动重定向方法。通过对捕 获运动数据的编辑和重定向，可以生成逼真的人体动作，进而实现操 作运动仿真。 第二章基予h a n i m l 1 标准的三维人体建模 第二章基于h a n i m l 1 标准的三维人体建模 在进行人体尺度描述之前，必须建立合适的三维人体模型。人体建模技术的 研究开始于6 0 年代初，四十年来取得了引人注目的成果。随着计算机图形学理论 的逐步深入和完善，特别是三维造型技术、真实感图形生成技术的发展，利用计 算机可以生成非常逼真的视觉效果。近年来的人体建模技术主要围绕着人体曲面 的光顺性和人体动作的逼真性展开。如：j e g o u r r e t 等人采用大量图元，利用有限 元理论的数值计算法；k o j ik o m a t s u 通过众多的特征点利用b e z i e r 曲面拟合法来绘 制人体。然而，这些方法计算量十分庞大，不适合人机工程设计的实时仿真。 用于人机工程设计的人体模型应有如下要求： 1 ) 人体模型应该有合理的外观。建模可对骨骼形状、关节类型以及关节接触面 进行简化，但必须保证各躯体段之间相互作用的正确性和运动外观的逼真性。 2 ) 人体模型的运动和反应的逼真性。应该有与人体相似的生物动力学的合理性， 应该与真实人体在相似的条件下的经验数据相一致。 3 ) 人体模型应该具有精确而有效的人体测量学数据。可采用数据库系统进行管 理，以满足人机工程学分析的需要。 4 ) 人体模型应该具有相应的虚拟环境。例如工作场所的房间、光照、工作台、 座椅、工具等等，可依需要而交互地进行建立、修改。 5 ) 应提供对模型的行为或作业进行人机工程学分析的能力。利用计算机的信息 处理功能，显示出模型的运动和操作。 2 1h a n i m l 1 人体建模标准 2 1 1 现有的人体建模软件比较 随着人体动画技术的飞速发展，出现了不少优秀的人体建模软件或工具，如 p o s e r 、3 ds t u d i om a x 、s o f t i m a g e 3 d 、m a y a 等。 一3 ds t u d i om a x l 4 4 】 3 ds t u d i om a x 是集建立模型、材质设置、摄影灯光、场景设计、动画制作、 影片剪辑于一体的三维造型和动画设计软件。在三维人体建模上有以下特点： 1 支持多种几何体：多边形网格、n u r b s 曲线和曲面、b e z i e r 面片和样条曲线。 2 支持组合物体：布尔运算、适度变形、连接、放样、变形、分散和型合并等。 3 支持n u r b s 曲线曲面建模、样条曲线建模和网格建模。 二p o s e r 4 5 1 p o s e r 是优秀的三维人物造型设计与动画制作软件。它的功能非常强大，可以 s面向人机工程的三维人体尺度模型 快速制作各种人体模型并创作出关于人物、动物的各种三维场景，创作出舞蹈、 行走、奔跑等姿势的生动人物形象。其在三维人体模型造型上有以下特点： 1 提供了极为丰富的造型库( 造型、姿势、表情、发型、手势、道具、光源与摄 像机等) ，并且提供了直接的预览效果，使快速造型极为方便。 2 提供了非常真实的人体组织结构，可以细致地编辑人物的面部表情以及双手的 动作特写。 3 交互界面友好，可通过简单拖动鼠标快速改变人体肢体大小、姿势等，具有完 全的可定制性。 4 同时，它的缺点也比较明显，体现在曲线曲面造型方面功能很弱。 三m a y a 【4 6 】 m a y a 是功能强大的专门角色建模软件。其在三维人体建模方面主要通过三种 建模方法实现： 1 n u r b s 建模。适合于光滑的，器官的，可变形的表面。但其表面片必须由四 边形构成。 2 多边形建模。适合于有锐边的刚体结构，方法较n u r b s 简单，表面片可以任 意拓扑。但其生成的表面不够光滑。 3 细分表面建模。结合了n u r b s 建模和多边形建模的优点。生成的表面既可以 像n u r b s 样光滑，又能像多边形建模那样任意拓扑。在创建任何器官模型 时，可以忽略那些沿着接缝连接的部位，而创建一个光滑的、连续的细分表面。 使用m a y a 创建人体模型一般步骤如下：先用n u r b s 创建粗糙外形，再利用 多边形曲面进行扭曲，然后插入详细的细节作为细分表面。 2 1 2v r m l 的h a n i m l 1 标准 综上所述，几种流行的造型软件都可以创建复杂而且精细的人体模型，但存在 共同的缺点： 1 模型文件较大，不适合网上传输和实时显示； 2 对硬件系统要求很高： 3 没有提供与其他应用程序的图形接口： 4 不能实时渲染和实时交互，沉浸感不强。 上述这些缺点限制了以上软件创建的三维人体模型在人机工程仿真设计中的 应用，而v r m l 可以弥补这些缺点。 一v r m l 4 3 1 v r m l ( v i r t u a l r e a l i t ym o d e l i n gl a n g u a g e ，虚拟现实建模语言) 是描述虚拟 环境中场景的一种标准，利用它可以在i n t e m e t 上建立交互式的三维多媒体的境界。 v r m l 的基本特征包括分布式、交互式、平台无关、三维场景、多媒体集成、逼 真自然等，被称为“第二代w e b ”，其应用范围相当广泛。 第二章基于h a n i m l 1 标准的三维人体建模 9 v r m l 本质上是一种用于造型的脚本语言。用v r m l 可以很方便的建立三维 场景的几何模型。v r m l 中有大部分的几何形体结点，从基本的立方体b o x 到构 建海拔栅格的e l e v a t i o n o r i d 结点。另外，v r m l 提供了一些非常灵活的结点通过 使用点、线和面来构造复杂曲线曲面模型：利用p o i n t s e t 结点中的点集，可以画出 分散的点；利用i n d e x e d l i n e s e t 结点中的线集，可以画出直线、曲线和网格；在 i n d e x e d f a c e s e t 结点内安排邻近的面，就可以构造出具有复杂表面形状的面。利用 许许多多微小的面，可以非常近似地模拟出任何平滑的表面，如创造出诸如一部 跑车流线型的车身，风景画中起伏的高山，或是其他类似的造型。 用v r m l 还可以很方便的建立三维场景的运动模型。v r m l 提供了很方便的 造型坐标变换结点。通过t r a n s f o r m 编组结点和它的t r a n s l a t i o n 、r o t a t i o n 、s c a l e 域， 能够将造型和造型组放在空问的任何地方、进行任何方向的旋转以及改变形体比 例：另外，v r m l 提供了坐标系嵌套功能，可以在最高层的世界坐标系下，创建 子坐标系，从而创建任意多层的坐标系树。这些功能给人体关节运动建模带来了 很大的方便。 v r m l 支持关键帧动画。通过触发器触发造型的变化，这种变化可以是一个 坐标系位置的变化，从而引起在一个时间过程中，坐标系和它之中创建的一组物 体从一个地方移动到另一个地方。当然这种改变同样可以是坐标系的方向和比例 的改变。我们所需做的仅仅是确定每个关键帧时坐标系的t r a n s l a t i o n 、r o t a t i o n 和 s c a l e 域值。 二h a n i m l 1 标准 h u m a n o i da n i m a t i o nw o r k i n gg r o u p 制订了v r m l 的三维人体建模标准 h a n i m l 1 标准，使快速创建人体模型和以不同的方法如关键帧或逆运动学产 生人体动画成为可能。该标准实现了人体模型的兼容性，即在一种造型工具下创 建的人体模型可以通过另一种工具实现动画。 在h a n i m l 1 标准中。人体是由肢体和连接这些肢体的关节组成的。其实现人 体动画的原理是在关节转角限制范围内改变关节转角。个人体模型包含许多的 关节节点( j o i n t ) ，这些节点组成整个人体层次结构。每个节点都可以包含别的关 节节点和与这些关节节点相连接的肢体节点( s e g m e n t ) ，也可以被它们包含。每 个肢体节点有一些位置节点( s i t e ) ，这些位置包含了该肢体的位置信息，可以用 来在肢体上附加一些物体，如衣服、项链等；也可以用来确定末端执行器的位置。 人体肢体一般是由多边形网格形成，我们可以通过改变网格顶点的坐标而获得不 同的肢体外形。般的，我们将一个部位的所有网格点组成一个组( g r o u p ) ，以获 得整体的变形。 本文参照h a n i m l 1 标准，创建了三维人体模型。 0面向人机工程的三维人体尺度模型 2 2 几何建模 2 2 1 几何建模方法 现有的人体建模方法主要有三种：线框建模( w i r ef r a m em o d e l i n g ) ，实体建 模( s o l i dm o d e l i n g ) ，曲面建模( s u r f a c em o d e l i n g ) 1 1 2 】 1 3 l 。 一线框建模 线框建模是采用点、直线、圆弧、样条曲线等构造三维物体的图形表示技术。 线框建模只用点、线的信息表示一个形体，数据量少，定义过程简单，对其编辑、 修改非常快。很多复杂的形体设计往往先用样条勾画出基本轮廓，然后逐步细化。 使用线框建模的方法对人体建模时，它是将人体轮廓用线框图形和关节表示，由 于包含的信息有限，因此该建模方法在对人体建模时存在着如下严重的缺陷： 1 模糊性和歧义性：不能够无二义性地表达三维人体； 2 无法实现三维人体模型的自动消隐及真实感人体模型显示； 3 无法进行剖面操作； 二实体建模 使用实体建模的方法对人体建模时，由于它增加了三维人体的实心部分表达， 使其信息更加完备，从而使得三维人体得到无二义性描述。并且实体建模方法提 供了人体几乎所有的几何和拓扑信息，因此它可以支持对表达人体的消隐、真实 感图形显示。目前，实体建模系统中对人体的表达方法主要有3 种。 ( 1 ) 基于体素( v o x e l ) 分解的表达方法 体素分解表达方法是将复杂的人体层层分解，并将其逼近表示成为一簇基 本体素的集合，分解后的复杂人体表示成一棵八叉树。该方法简单易行，但对人 体的表达是近似，因而很难反映出人体的宏观几何特征，并且由于体素间的集合 运算涉及大量面与面之间的求交运算，难免出现奇异的情况，有时计算精度有限 带来的几何数据误差，还会造成体素之间拓扑关系的紊乱，从而使运算不能进行 下去。因此在实际应用中会受到很大的限制。 ( 2 ) 构造实体几何 构造实体几何方法是通过简单形体( 如圆柱体、椭球体、球体等) 的交、 并、差集合运算来表达复杂人体外形，该表达方法可以用一棵二叉树描述。构 造几何表达方法的特点如下： 1 能够清晰地表达复杂人体的构造过程： 2 能直观地描述人体的宏观几何特点。 但是该表达方法存在着多种构造人体的表达方案，表示的人体模型也不够 逼真，很难表示人体的动态特性。同样，由于存在集合运算，因此其计算量大， 第二章基于h a n i m l 1 标准的三维人体建模 i i 计算稳定性差。 ( 3 ) 多面体建模 多面体建模是从构造多面体开始，对多面体的任意一个面、棱边、顶点进 行局部修改，从而构造一个与实体外形相似的多面体( 即基本立体) ，然后通过 类似于磨光的处理，自动产生自由曲面的控制顶点并拼接成所需的形状。用 多面体建模可以灵活地进行人体形状设计，步骤如下： 1 首先它将产生一个由直线和平面所组成的基本立体，作为人体形状的原型； 2 由基本立体产生曲线模型； 3 曲面的产生：在曲线模型的基础上，用参数曲面进行拟合。 、 三曲面建模 曲面模型是c a d 和计算机图形学最活跃、最关键的学科分支之一。目前，曲 面模型的研究主要分为两个方面：一是曲线曲面的表示、设计、建模显示等，二 是与曲面设计方法相关的算法研究，如求交、等距、过渡、拼接、光顺以及局部 操作等。使用曲面模型的方法对人体建模时，曲面模型能提供三维人体的表面信 息，并进行隐藏线消除和真实感三维人体模型显示。但曲面模型方法也存在着缺 陷，由于没有明确定义三维人体的实心部分，因此曲面模型不能进行剖面操作。 最初的三维人体模型采用了b e z i e r 曲面模型，虽然只需移动控制顶点就可以方便 地修改曲线的形状，而且形状的变化完全在预料之中，但是b e z i e r 方法不具有局 部特性，在设计复杂的人体曲面的过程中，存在着拼接方面的困难。b 样条方法不 但继承了b e z i e r 方法的优点而且还具有独特的局部特性，使得设计者能方便地 对b 样条曲线曲而进行局部修改。主要有以下两种具体的建模方法： ( 1 ) 特征化的曲面建模 根据人体的整体结构，将人体模型划分为几个基本的结构特征。再根据不 同结构特征不同的几何特征，选择具体不同的建模方法。该方法的优点在于： 它使得人体模型的曲面建模更加灵活，可以针对人体模型不同部位的几何特征， 选择最适合的曲面建模方法，而不必拘泥于某一种曲面表达方式。 ( 2 ) 参数化的曲面建模 参数化建模又称为变量建模，它采用几何约束来表达人体模型的形状特征， 从而获得一簇在形状上或功能上相似的设计方案参数化建模是基于传统的几 何建模方法上的一种更为抽象化的建模方法，它以抽象的特征参数表达复杂人 体的外部几何特征，依托于常规的几何建模方法。使设计人员能够在更高更抽 象的层面进行人体设计。目前，参数化作为一种新的几何建模发展方向，受到 越来越多的重视。 2 2 2 几何模型的建立 根据以上建横方法的优缺点和用于人机工程设计的人体建模要求，我们采用 面向人机工程的三维人体尺度模型 曲面建模的方法。人体的外形主要是由人体的骨髂结构和附着在骨骼上的肌肉皮 肤决定的，所以人体几何建模要考虑两个部分：骨骼模型和皮肤模型。 一骨骼模型 人体由各肢体和连接这些肢体的关节组成，骨骼模型就是各肢体和关节关系 的简化模型，描述了人体肢体的运动关系。人体可划分成头、躯干、上肢、下肢 四个部分，其中躯干包括颈、胸、腹和背部分：上肢包括上臂、下臂、手部分： 下肢包括大腿、小腿和脚部分。模型若太简单则会丢失一些重要的运动细节信息， 太复杂则增大了应用和求解的难度。我们将人体骨架模型简化为1 4 个关节： n e c k ( 3 1 、w a i s t ( 6 ) 、s h o u l d e r ( 3 ) 、e l b o w ( 2 ) 、w r i s t ( 2 ) 、t h i g h ( 3 ) 、k n e e ( 1 ) 、a n k l e ( 1 ) 。 对关节约束的选择是正确仿真的关键，其中腰关节采用球面副和移动副的组合， 膝关节和踝关节采用转动副，其余关节均采用球面副，整个人体模型的自由度为 3 3 ( 上面每个关节后括号内为自由度) ，如图2 1 所示。 r 5 h o u l d e r r e l b o w r _ t h i g h rw r i s t rk n e e ra n k l e 图2 1 人体骨架模型 二皮肤模型 n e c k l _ s h o u l d e r l _ e l b o w w a i s t l - i t i i g h lw r i s t 图2 2 三维人体模型 皮肤模型描述了人体外观，它的精确性决定了人体模型的真实性。我们所采 用的曲面建模方法，用三角或矩形网格生成面片，只要网格点足够多，已经可以 把人体表面细分得足够小，也不需考虑各面片的拼接、连续问题，这便大大简化 了复杂性。另外，本文不考虑肌肉和皮肤在运动中的变形。 由面片构成人体三维模型的首要工作是对物体表面进行网格化。用三角形网 格作基元面构成物体表面的算法最为常用，其表达曲面细节能力强，但顶点拓扑 复杂；而矩形网格划分简单，顶点拓扑清晰，适合曲面变形部分的描述。根据各 躯体的特点，对不同的躯体采用不同的网格划分，对四肢和头部等细节要求较高 部分，采用三角形网格划分；对主躯体，由于细节要求不高，且考虑到后面将要 实现的人体变形方法，故采用矩形网格划分。我们用v r m l 构造网格。v r m l 的 五镣 e k 毗 岫 绯 m l k 第二章基于h a n i m l 1 标准的三维人体建模 i3 i n d e x c d f a c e s e t 结点通过指定网格点的坐标和索引可以方便的构造网格和自动生 成面片，且通过c r e a s e a n g l e 属性可以完成面片集的光顺处理，而不需要设计者实 现光照、消隐、真实感显示等算法。由于不考虑皮肤在运动中的变形，我们对关 节作了简化，如图2 2 。( 模型尺寸以男性第9 5 百分位数依据g b l 0 0 0 0 。8 8 中国 成年人人体尺寸而建) 2 3 运动建模 为建立人体运动模型，必须对人体模型中相连各肢体和这些肢体之问的运动 连带关系进行描述。将关节看成点，关节之间骨骼看成链，就可以按照运动关系 将各肢体链接起来。可以采用一种层次化的人体运动模型，把人体模型看成一棵 树。如图2 3 所示，树的根节点r o o t 对应整个人体，其他节点对应人体模型的各个 关节点。整个人体的运动可以看成是由平移和旋转组成的，即根节点的平移和旋 转以及树上各节点绕父节点的旋转。根节点的平移决定人体模型的位置，旋转决 定人体模型的方向，其他各节点的旋转是在以父节点为坐标原点的局部坐标系下 的旋转，决定人体模型的运动姿态。这样，采用两类坐标系描述人体各肢体的运 动：固定在人体根节点处的固定坐标系和附在各关节点处的运动坐标系，后者是 随肢体运动而运动的局部坐标系。 了 u r 了“i + r _ s 严 “。 q “埘” 呷” + 妯? 。 i re l b o w l e l b o w1 0 | r1 | e 幽2 3 人体关节运动层次结构 各个关节点的位置可以根据骨架长度和旋转向量求出，如图中的节点 r _ a n k l e ，其位置与旋转平移向量的对应关系为： 岛一a n k l e ( x ，y ，z ) 2 f r o o , r ，d 0 ，靠一t h i g h r r 一, h i e , h t r h r r k n e e _ a n k l e r r a n k t , t o ( x ，y ，z ) 式( 2 1 ) 其中，珞。肫( x ，y ，z ) 表示世界坐标系，岛( x ，y ，z ) 表示初始位置时关节点ra n k l e 1 4面向人机工程的三维人体尺度模型 在以父节点r k n e e 为原点的相对坐标系下的相对坐标；i ( i = r o o t ，rt h i g h ， r k n e e ， ra n k l e ) 表示节点i 从当前坐标系平移到父节点坐标系下的平移向量： 岛表示节点f 绕父节点的旋转向量。 2 4 人体模型变形方法 不同性别、年龄等的人体体形会有很大的差异，比如与成年人相比，儿童的 头长在身高中所占比例较大。老年人与成年人时相比，头长未减而身高渐减。身 高不再增长的青年，体宽会逐渐变化，体形出细瘦型变成标准型或肥胖型。虽然 人体尺寸数据有统计规律( 下章将会介绍) ，但只适合于标准体态的人体模型。若 想制作特殊体态的参数化人体模型并依此进行产品设计时，就必须对大量这一体 态的被测量者身体各部分的尺寸进行测量与统计平均。人体结构尺寸相当多，单 独制作具有某种具体身体尺寸的参数化人体模型显然是非常费时费力的，并且也 不符合工业产品批量生产的特点。所以找到一种实用的人体变形方法是很有必要 的。 对人体变形方法的研究，国内外学者进行了有益的探索。在面部变形方面， b l a i l z 和v e t t e r i h 强过控制已存在的面部模型的面部特征来获得一个可变形的人脸 模型。由于使用多边形网格描述人脸模型，不同人脸的每个网格点的坐标和颜色 都不同，但是它们的语义定义是相同的，比如说，其中一个人脸模型鼻尖上的网 格点在所有人脸模型都位于鼻尖上，不管它的坐标有无变化。因此，构建可变形 模型的最主要的问题是重新参数化人脸模型，使它们有相同的拓扑结构。该文从 2 0 0 个扫描人脸模型得到原型，加以线性组合，生成新的人脸。使用手工分配的特 征来定义形体和纹理向量，增加或删除其中一些向量就可以控制人脸特征。 w o n - s o o kl e e ! j 使用两张二维相片重建三维面部模型，并在此基础上产生基于三 角面片重心坐标( b a r y c e n t r i ec o o r d i n a t e ) 的纹理变形。