[论文解读] Integration of a Balanced Virtual Manikin in a Virtual Reality Platform aimed at Virtual Prototyping

Antoine Rennuit, Alain Micaelli+6 more|ArXiv.org|Jul 24, 2007

Human Motion and Animation参考文献 13被引用 5

一句话总结

本文提出了一种实时虚拟原型平台，通过在虚拟现实环境中集成一个平衡的虚拟人体模型，并结合动作捕捉与一种新型平衡控制器，实现了逼真的真人运动模拟。其主要贡献在于提出了一种实时平衡控制机制，可防止不切实际的姿势，显著提升了数字人形在虚拟原型设计工作流程中的真实感与可用性。

ABSTRACT

The work presented here is aimed at introducing a virtual human controller in a virtual prototyping framework. After a brief introduction describing the problem solved in the paper, we describe the interest as for digital humans in the context of concurrent engineering. This leads us to draw a control architecture enabling to drive virtual humans in a real-time immersed way, and to interact with the product, through motion capture. Unfortunately, we show this control scheme can lead to unfeasible movements because of the lack of balance control. Introducing such a controller is a problem that was never addressed in the context of real-time. We propose an implementation of a balance controller, that we insert into the previously described control scheme. Next section is dedicated to show the results we obtained. Finally, we propose a virtual reality platform into which the digital character controller is integrated.

研究动机与目标

• 通过实时动作捕捉实现在虚拟原型环境中的逼真虚拟人模拟。
• 解决现有虚拟人体模型系统中缺乏平衡控制的问题，避免出现不切实际或不自然的运动。
• 开发并集成一种实时平衡控制器至虚拟人体模型控制架构中，以提升运动稳定性。
• 在全沉浸式VR平台中验证平衡控制器的有效性，用于工程设计。
• 通过支持人在回路的虚拟原型设计，实现并行工程。

提出的方法

• 设计一种控制架构，将动作捕捉数据与虚拟人体模型集成，实现在VR环境中的实时交互。
• 基于逆运动学与质心稳定化原理实现平衡控制器，以防止不稳定的姿势。
• 将平衡控制器集成至虚拟人体模型的运动处理流程中，确保运动过程中的动态稳定性。
• 开发一种支持虚拟人体模型与虚拟产品之间沉浸式交互的VR平台。
• 采用分层控制结构，实现实时协调动作捕捉输入与平衡校正。
• 通过在虚拟产品环境中模拟类人运动，对系统进行验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何实现实时控制虚拟人体模型，以在虚拟原型环境中模拟自然的人类运动？
• RQ2 现有基于动作捕捉的人体模型控制在平衡性与物理合理性方面存在哪些局限性？
• RQ3 能否有效将实时平衡控制器集成至虚拟人体模型系统中，以防止不切实际的运动？
• RQ4 引入平衡控制后，如何提升虚拟原型模拟的真实感与可用性？
• RQ5 在强制执行动态平衡约束的同时，如何保持实时性能？

主要发现

• 实时平衡控制器的集成显著减少了虚拟人体模型运动中的不切实际或不稳定姿势。
• 所提出的控制架构在复杂运动序列中成功维持了平衡，且未影响实时性能。
• 虚拟人体模型展现出逼真的类人行为，包括在交互过程中动态调整以维持稳定。
• VR平台实现了沉浸式、交互式的虚拟原型设计，具备高保真的人体运动模拟能力。
• 该系统在支持并行工程方面表现有效，可实现产品设计早期阶段的人因因素评估。
• 平衡控制器使此前仅靠标准动作捕捉无法实现的自然人类姿势与运动得以模拟。