虛擬人在3D游戲中的仿真實現分析

王媛芳 （重慶工程學院 400000）

虛擬人在3D游戲中的仿真實現分析

王媛芳 （重慶工程學院 400000）

虛擬人是計算機輔助人機設計的前提和有效手段，具體是指人在計算機虛擬環境中幾何特性和行為特性的重要表現。虛擬人的研究起源于計算機圖形學界。想要將虛擬人準確的再現到三維虛擬空間中，不僅需要進一步實現對人體外觀的模擬，而且還需要進行動態化的運動模擬，從而拉近虛擬人和現實人之間的親近感。文章在闡述人機設計中的虛擬人仿真技術實現的基礎上，具體分析虛擬人在3D游戲中的仿真實現和應用。

虛擬人；仿真技術；3D游戲；設計實現

產品人機設計是指在考慮人心理、生理因素需求的基礎上，采用人機工程學理論方法解決各種問題，從而構建完美人機關系的一種設計思想和方法。在社會科技的發展下，有學者提出了數字化人機工程理念，即應用計算機信息技術進行輔助性的人機設計，在相關軟件系統的作用下進行人機設計和評價。在游戲設計的三維場景中應用虛擬人，能夠提升用戶對游戲的沉浸感。而想要實現虛擬人在三維虛擬空間中的準確再現不僅需要對人體外觀進行模擬，而且還需要進行形象化、生動化的模擬。基于人體結構的復雜，怎樣有效模擬人的動作成為未來虛擬人技術的研究發展方向。

一、虛擬人概述

虛擬人是指人才計算機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用在人機交互工程、人機工程、視頻工作、娛樂游戲等多種領域。虛擬人的特征一般體現在兩個方面，一個是交互性，另外一個是自治性。自治性是指虛擬人具有感知外界和針對某種感知做出迅速反應的能力。虛擬人大多采用了擬人化的關節結構，根據抽象的人體模型能夠在不同軟件的應用下生成人體計算機，形成數字化人體模型。虛擬人最簡單的計算機模型是二維、三維線性模型，能夠對人體的關節連接情況進行有效的反映。虛擬人的另外一個功能是在虛擬人行為仿真領域應用人工智能技術。對虛擬對象自主行為進行研究，讓虛擬人充分顯示出智能化和情感化的特點。

二、虛擬人運動技術概述

虛擬人運動技術最早是研究底層運動的控制技術，即通過動作參數的制定來實現對人體運動的控制。早期的虛擬人技術雖然能夠帶來逼真化的人體動畫效果，但是操作程序較為復雜，在進行人體復雜動作和群體控制運動仿真操作的時候，底層運動控制技術無法充分支撐這些研究。在科學技術的不斷發展下，相關人員進一步研究出了高層動作控制技術，也就是行為控制技術。該技術參考了心理學內容，總結出人的行為體現的是一個從感知到決策再到行動的循環過程。在這個過程中，虛擬人能夠充分感知自己所在環境的各種變化。虛擬人在感知周圍環境的同時結合自身發展狀態和掌握的知識，做出適當的反應來和周圍環境適應。虛擬人和行為控制技術結合，通過引入感知、認知、決策等功能，能夠建立一種虛擬化的自主模型，為虛擬人運動高層控制的實現提供重要手段的支持。在形成高層虛擬人運動控制系統之后，動畫師在對虛擬人動作控制的時候只需要描述虛擬人的行為特征就能實現，減少了運動設置不必要的工作環節。

三、3D游戲中的虛擬人

隨著影音游戲行業的深入發展，在影音游戲行業發展中更加強調游戲運動的逼真性、形象性和可操作性。為此，3D游戲中虛擬人的設置要注重對人體運動的控制，實現人體運動的可控性、形象性和實時性。對人體運動虛擬人模型構建的方法包括動力學法、運動學法。這些方法能夠適用的范圍是有限的，應用的背景也是受到限制的。動力學不適合模擬大范圍的人體運動，不具有形象逼真性的特點。關鍵幀插值方法具有操作簡單和實時性的特點，對參數信息的合理控制也能夠保證運動的逼真性和形象性，但是應用具有前提的要求，具體要求能夠有效獲得合理的人體數據信息。這一點加重了工作處理的繁瑣性，在推廣應用上遇到了麻煩。運動捕獲法能夠提升運動的逼真性和形象性，但是在應用的時候往往缺乏對應的數據處理窗口，具體的數據處理過程也不夠完善。

為了保證人體運動的各方面性能，在應用虛擬人建模方法的時候需要做到具體問題、具體分析，對不同類型3D游戲的要求要選擇不同的人體運動建模方法。在應用參數化關鍵幀插值之后能夠實現對動作姿態的有效調整，并通過人機交互對話框和控制臺命令的方式來控制目標姿態和手勢，提升動畫動作的逼真性和形象性。還可以應用逆向運動學方法做出相應的徒手操作和武器操作工作。這些動作的實現需要涉及到游戲操作對象或者游戲武器空間的位置變化，基于目標參數關節鏈的位置參數信息能夠為應用關節鏈驅動方法提供良好的條件支持。運動重定向方法能夠完成人物的直立行走、仰臥爬行等動作，但是在動作操作的時候會涉及到大范圍的動作，逆向運動法是很難滿足人體視覺要求的逼真動作。

四、3D游戲虛擬人的多層次模型構建

虛擬人在3D游戲中仿真實現操作應用最多的是多層次模型。多層次模型也是和人體解剖結構關聯最大的模型，主要是應用骨架來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。在中間層中一個層次就能被定義成概念上的模擬模型，能夠將高層次的參數信息映射到較低層次的的輸出上。在3D動作制作的時候，相關人員制定各個層次之間的結構關系，同時還能夠應用高層控制人體的全局運動。但是受人體外形是由人體骨絡結構附加在骨骼上肌肉運動影響大，人體皮膚的形象也會導致骨骼和骨骼肌肉的發展收縮變化。因而，在一般情況下，通過對人體骨骼層的操作就能讓虛擬人在3D游戲中實現仿真設計。

綜上所述，虛擬現實系統是人類智慧和科學技術發展的重要成果，也是人類歷史發展的重要創造物。虛擬人和動畫設計產品組成了一個低成本的虛擬現實場景，帶來了很強的虛擬真實感，符合國際上對虛擬人的設計應用要求。通過人體關節動畫的仿真能夠實現對虛擬人動作的仿真。虛擬人在3D游戲中的仿真實現為游戲形式的展現帶來了新的面貌。復雜的人機設計還需要注重舒適度分析、疲勞分析等，因而，伴隨動畫技術的發展，虛擬人仿真技術在3D動畫的未來應用時怎樣建立虛擬人物理建模，這也是虛擬人智能性未來發展的重要研究。

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王媛芳，女，出生年月：1991年1月27日，籍貫：河南，工作單位：重慶工程學院，研究方向：游戲設計與開發，學歷：本科。