基于层次模型的虚拟人皮肤变形技术的研究与实现

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雅宝题库解析：
虚拟现实系统中一个重要应用就是对虚拟人的模拟和仿真，而人体皮肤变形是表征虚拟人形态的重要形式，并广泛应用于虚拟现实各个领域中。人体皮肤变形主要研究在特定的虚拟人模型基础之上，如何建立有效的皮肤变形机制，得到运动时人体皮肤的变化状态。随着技术不断发展，人们对于人体皮肤变形的真实感和实时性提出了更高的要求。除了传统的视觉真实感，还关注了更接近于真实世界的物理真实感。按基于的虚拟人模型分，皮肤变形技术可分为基于面模型的方法、基于体模型的方法和基于分层模型的方法。按皮肤变形机制分，可分为基于几何的变形方法和基于物理的变形方法。前者计算速度快、容易达到实时性，但无法获得物理真实感；后者加入了人体的物理属性以建立更为精确的物理模型，可同时获得良好的视觉和物理真实感，但模型建立复杂、数据量大、计算过程耗时长，难以达到实时要求。本文以国家863计划课题“支持移动终端的多人协同虚拟环境及开发工具研究”为背景，重点研究了虚拟环境中的虚拟人皮肤变形技术，以实现真实感和实时性的良好平衡。本论文的具体研究内容包括：（1）基于层次模型的虚拟人建模方法层次模型是一种更接近真实世界中人体结构的建模方法。本文提出了一种三层虚拟人模型，各层分别对应虚拟人仿真中运动控制、物理变形、几何绘制三个方面的需要。其中，采用逆向运动学相关理论进行虚拟人运动姿态的控制，提高了交互性。（2）基于物理的虚拟人皮肤变形技术本文采用了质点弹簧模型的基本理论，形成了基于物理的虚拟人皮肤变形技术。同时借助于层次模型机制，降低了物理变形的数据量和计算时间。最后通过层次间的映射关系，将物理变形结果合理地扩散到用于绘制的精细网格上。（3）虚拟人步行模拟系统的设计与实现最后，本文详细介绍了一个运用皮肤变形的虚拟人步行模拟系统的设计与实现，该步行模拟系统具备实时性和真实感，较好地表现了三维虚拟人步行过程和姿态。