淺談三維虛擬人體模型的構建與應用

高巍

計算機輔助人機工程分析軟件目前正成為設計師手中的利器。三維虛擬人體模型正是這些軟件的科學基礎。本文主要介紹了構建人體模型的科學依據、建立方法及應用現狀，以期能對其進行科學地選用、維護和再開發，不斷推進人機工程學的實踐應用研究。

一、前言

近年來，隨著計算機輔助工業設計技術的飛速發展，人機工程學分析模塊成為了各種軟件的熱門開發方向。設計師可以方便地使用軟件中提供的人體模型庫、姿勢庫等對產品的人機效應進行直觀驗證，大大提高了設計效率。三維人體模型在這個過程中發揮著巨大的作用，了解這些模型的構建原理與應用現狀，有助于設計師對其進行科學地選用、維護和再開發，不斷推進人機工程學的實踐應用研究。

二、構建三維虛擬人體模型的科學依據

三維虛擬人體模型的構建必需基于經過科學采集并處理的數據以及人體結構原理。這樣的人體模型才能對設計進行明確有效的指導。

1.人體測量數據的采集與統計

（1）人體測量數據的采集。

人體的數據受來源不同的影響，有很大的差異性，主要影響因素包括地區、年齡、性別、民族、工作以及氣候等。建立人體模型首先要找準特定的目標部族，有的放矢地測量和整理人體數據，從數據中尋找線索，幫助設計師開展科學的設計。

人體測量數據大體可分為四類：靜態數據、運動區域數據、生理數據和力學數據。其中靜態數據是指人在靜止不動的狀態下測量獲得的形態數據，其主要內容是人體規格（體型、身高和體積等），可采用站立、靜坐、跪下和躺臥四種姿態；運動區域數據是指人在運動狀態時四肢的有效作用范圍，主要分析兩種：一種是肢體的活動角度范圍，一種是肢體所能達到的距離范圍；生理數據是指人體的主要生理指標，主要內容有：皮膚面積、各器官體積、耗氧量、心率、疲勞度和反應度等；力學數據主要考量人體的主要力學指標。如人體的重量與重心位置、各轉動器官的慣量、受力與出力等。

（2）人體測量數據的統計。

人體測量所針對的是一個群體而非個人。基于人與人之間差異性的考量，個別或少數的人體測量數據不能作為建立三維虛擬人體模型的依據。比較科學高效的做法是，首先測量群體中少量、部分的個體樣本，這些數據是離散的隨機變量，再根據概率論與數理統計理論對測量數據進行統計處理，從而獲得所需特定群體的數據。常用的統計特征參數有平均數、方差和百分比等。

（3）我國國家標準規定的成年人人體結構尺寸。

我國人體的尺寸參數受地域、民族的影響與其他國家差異較大，針對我國的人體測量數據，建立符合國情的數據標準并指導開展人機工程學的應用是必然的要求。我國成年人人體尺寸的國家標準 GB10000-88于 1998年 7月開始實施，該標準給出了我國成年人身體尺度的通用數據，可以運用在各類產品、建筑裝修和軍工裝備等各個設計領域。該標準列明了 47項人體尺寸通用數據，共分為 18～ 25歲（男、女），26～ 35（男、女），36～ 60（男）、55（女）三個年齡層次。

2.人體測量數據與人機分析的聯系

基于科學數據建立的人體模型常被用于視野分析、觸及范圍分析及疲勞分析等。以做視野分析時所依據的數據模型“眼橢圓”為例。

不同身高的操作人員以正常的姿態使用產品時，他們的眼睛位置在產品坐標系中的統計分布圖形呈橢圓形。“眼橢圓”是研究產品視野范圍性能的重要基準，能比較準確地代表幾乎所有人群的特點，圖 1為眼橢圓的三維示意圖。

由于眼橢圓代表了大部分使用者在正常使用時眼睛在產品坐標系中的分布。因此，眼橢圓是指導和評價產品設計視野范圍是否符合人機工程學要求的關鍵要素。在 CAID軟件中，眼橢圓樣板庫可以通過二次開發得到，如圖 2所示為樣板庫中生成的眼橢圓模型。這些模型在進行定位后可以精確直觀的進行視野分析。

三、三維虛擬人體模型的構建方法

被肌肉和表皮覆蓋的骨架構成了外觀上的人體模型。在對人體進行三維虛擬建模的時候，需要綜合考慮骨架模型和外表模型的關系。

1.骨架模型

骨架模型可以描述人體軀干與各個主次肢體間的位置聯絡與運動聯系，可以表達人體肢體段的數目、肢體的長度和聯接關系，在三維軟件中更可以進一步對各聯接關節的自由度和活動范圍進行設定。頭、軀干、上肢和下肢是外型上人體的四大組成結構，每部分結構又可以再做進一步的細分，如上肢還包括上臂、下臂和手等。在實際設計過程中，三維虛擬人體的骨架應忠實于實際情況以保障不丟失重要分析數據，又應同時考慮適當簡化不必要的部分以減少使用難度。以 Creo軟件為例，其提供的人體模型骨架一共被簡化為 14個關節，每個關節都使用了正確的約束，如腰關節為了模擬真實的腰部運動定義了球面副和移動副的組合約束關系，而轉動副則被用于膝關節的約束。人體模型一共設置了 33個自由度，如圖 3所示。

2.外表模型

外表模型表述了皮膚、毛發和穿著等外在因素，精確的外表模型可以提高人體模型的真實性。隨著計算機圖形技術的發展，人體模型的曲面精度和質量以及渲染效果都在不斷提升，越來越精致的人體模型開始被應用到產品設計中，如圖 4所示為 Creo軟件所提供的人體模型。

四、三維虛擬人體模型的人機應用

三維虛擬人體模型已被各大軟件廠商付諸實踐，形成了各具特色的計算機輔助人機分析模塊，以美國 PTC公司產品 Creo所附帶的 Manikin模塊為例。

Manikin允許設計人員將虛擬人體模型添到產品的裝配場景中，同時定義該模塊提供的精確人體特征和力學特征，例如體態、視野、運動類型、力和舒適度等?？梢葬槍σ欢ㄐ詣e和人種的基本數據對模特進行自由定義與操縱，幫助設計人員更好地了解產品與人（包括用戶、銷售者、安裝者和維修者等）之間的關系。

Manikin共包含人體模型放置、運動、視效、人機分析和任務分析五大功能模塊，均與三維虛擬人體模型有著直接的聯系，如圖 5所示。

（1）人體模型放置：該功能可以將虛擬人體模型插入裝配環境中，并根據人體庫的數據定義性別、種族、體型及其他關聯可變因素。根據相關國家標準，Manikin提供了人體模型庫供設計師調取使用，從而簡化了人機功率設計的步驟，提高了設計效率。如圖 6所示。

（2）運動：允許設計者定制人體模型的附件和姿勢，可以深入地調整模型身體骨節的位置和角度，并提供了包括2D拖動、體節拖動和旋轉等直觀的操作方式，用于幫助生成真實的人體方案。同時也可以快速訪問包含標準姿勢（站立、蹲坐和下跪等）和手型（握拳、指向和并緊等）的全套姿態庫，便捷設置體態姿勢。而其中的包絡工具可幫助確定模特的有效作業區域。

（3）視覺：通過生成視野窗口，模擬仿真用戶能夠“看到”對象的范圍，這一范圍的主要表現形式是視野圓錐，它可幫助設計人員了解該尺度的人能看到的外圍、雙眼視野以及最佳視野等。

（4）人機工程學分析：允許從性質和體量兩個維度分析人的多樣化姿態。校驗分析的結果通過與舒適性數據庫中的標準進行比較 ，得出舒適度分析結論。這一功能可以幫助設計者快速發現有問題的區域，重新做出設計調整。

（5）任務分析：可以模擬、傳遞和優化常見的手工處理任務，例如舉起、放低、推、拉和攜帶。

五、結語

三維虛擬人體模型為計算機輔助工業設計的開展奠定了基礎，設計師能夠更加直觀、科學地進行人機分析及產品改進，創造出更宜人宜用的產品。放眼未來，三維虛擬人體模型將在包括醫學、建筑和服裝等諸多領域大顯身手。endprint