摘 要

汽车虚拟驾驶的发展让使用者可以在虚拟的环境中获得接近于真实路面驾驶的体验，在汽车驾驶培训、汽车试验、汽车设计开发中均有应用意义。为完善汽车虚拟驾驶系统，除构建汽车、汽车行驶的道路及场景外，还需考虑构建人物模型，提高虚拟驾驶系统的真实性，为虚拟驾驶系统中对人机工程、人机交互的研究提供可能。本文主要研究汽车虚拟驾驶中的车辆与人物模型构建，分别完成具备车身和内饰的车辆模型和人物模型的构建，主要内容如下：

1. 构建具有车身和内饰的车辆模型。

具有车身和内饰的汽车模型，作为人物建模和实现人机工程的研究基础。

1. 探索构建人物模型的方法。

本文使用人物建模软件makehuman构建人物模型。为使构建的人物模型符合中国人的比例特征，对照收集的人物正视图和侧视图进行面部及身体的比例调节，得到不同性别和特点的人物模型。

1. 研究实现人物动画的路径。

为实现人物动画，尝试使用3dsmax软件的CAT motion功能和MotionBuilder软件分别进行动画制作。测试发现CAT motion具有输入输出局限性，而MotionBuilder与前、后处理软件配合顺利，故选择使用MotionBuilder作为主要的动画制作软件。输出的动画片段整合到Unity中，完成虚拟驾驶软件中的人物模型构建。

本文使用不同软件完成了三维人物的构建、蒙皮绑定和动画制作，并测试不同软件的优缺点，制定合理的方案，最终导入Unity中实现汽车虚拟驾驶场景中的可控制人物动画，实现简单的人机交互。

关键词：人物建模；虚拟驾驶；人机交互

Abstract

The development of Virtual Driving Simulation enables users to experience similar road driving in virtual environment. It is significant in automobile driving training, automobile testing and automobile design. In order to improve the virtual driving system of automobiles, besides building roads and scenes of automobiles and automobiles, it is necessary to add character models to improve the authenticity of the virtual driving system, and to provide the possibility for the research of human engineering and human-computer interaction in the virtual driving system. This paper mainly studies the construction of vehicle and character models in virtual driving of automobiles, and completes the construction of vehicle model and character model with body and interior respectively. These are the main contents:

1. Build a vehicle model with body and interior. the vehicle model with body and interior is constructed as the research basis of ergonomics.

2. Explore the method of building character model. Makehuman is used to build a character model. In order to make the constructed model accord with the proportion characteristics of Chinese people, the proportion of face and body was adjusted by comparing the collected face view and side view, and the character models with different gender and characteristics were obtained.

3. Study the path of realizing character animation. In order to realize character animation, we try to use the CAT motion function of 3dsmax software and Motion Builder software to make animation respectively. Tests show that CAT motion has input and output limitations, while Motion Builder and pre-and post-processing software can smoothly cooperate, so MotionBuilder is chosen as the main animation production software. The output animation fragments are integrated into Unity to complete the construction of character model in virtual driving software.

This paper uses different software to complete the construction of three-dimensional characters, skin binding and animation production, and test the advantages and disadvantages of different software, formulate a reasonable plan, and finally import it into Unity to realize the controllable character animation in the virtual driving scene of automobile, and realize simple human-computer interaction.

Key Words：human moderling; Virtual Driving Simulation; human-computer interaction

目录

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 研究的背景及意义 1

1.2.1 研究的背景 1

1.2.2 研究的意义 1

1.3 国内外研究现状 3

1.4 本文的主要研究内容 3

第2章 研究的理论基础 5

2.1 动画基础理论 5

2.2 人物骨骼构成思路 5

2.3 正向运动学与反向运动学（FK/IK）对运动控制的影响 6

2.4 人物动画的运动学原理与动画的节奏把控 7

第3章 研究的软件基础 9

3.1 使用建模软件3dsmax完成建模、简单动画 9

3.2 使用makehuman完成快捷人物建模 9

3.3使用MotionBuilder制作和剪辑动画 10

3.4 导入引擎软件Unity3D 11

第4章 模型的构建与导入 12

4.1 设计目标 12

4.2 汽车模型的构建 12

4.3 人物模型的初步构建 13

4.4 人物模型的蒙皮绑定 13

4.5 人物动画的制作 14

4.6 人物模型的导入 16

第5章 结论与展望 17

参考文献 18

第1章 绪论

1.1 引言

得益于高速发展的计算机技术，人们可以使用汽车虚拟驾驶系统模拟真实的驾车体验。目前的汽车虚拟驾驶系统已经不局限于单一的计算机软件，而是可以连接方向盘、踏板等外接设备，甚至与VR虚拟现实技术配合，带给使用者全方位、具有真实感的模拟驾车体验的综合系统，愈发真实的体验是汽车虚拟驾驶系统所一直追求的目标。随着对汽车虚拟驾驶体验感的要求逐渐提升，在构建汽车虚拟驾驶系统时，除构建尽可能逼真的车辆与场景模型外，还需在虚拟场景内加入行人、驾驶员等角色，得到更贴近现实路况的虚拟环境。本文介绍了对3D人物建模的研究背景，介绍了研究人物模型对提升汽车虚拟驾驶系统真实性的意义和其对人机工程、人机交互研究的意义，介绍了国内外对人物建模的研究情况，然后在人物动画理论知识的支持下对人物建模和动画制作、引擎软件进行探索，总结了探索人物动画最终导入Unity3D实现简单交互的收获。

1.2 研究的背景及意义

1.2.1 研究的背景

汽车虚拟驾驶能够为使用者提供接近真实的驾驶模拟体验。为提升虚拟驾驶系统的真实度，需要对驾驶模拟涉及车辆、环境进行全方位的精细考虑。其中，人物角色作为环境中的一部分是不可或缺的。真实路况中的人物分为驾驶员和行人两种角色，创建三维动画实现行人的走路等动作和驾驶员在车内的动作，能够很大程度的增强汽车虚拟驾驶系统的真实感。实现三维人物动画的一般路线是：在使用建模软件得到具有骨架系统的人物模型后，经蒙皮绑定建立起内部人物骨架与表面皮肤网格之间的联系，开始制作人物动画。人物动画的制作主要分为两类，一类是通过关键帧制作得到动画，一类是通过动作捕捉，将现实中录制的动作捕捉文件赋予动画人物。关键帧制作动画具有很高的灵活性，能够实现现实中难以记录的动作；采用动作捕捉则能得到更加流畅自然的动画。融合两种方式，在输入动作捕捉文件的基础上采用关键帧修正动作，能够兼具两种方式的优点，得到自然灵活的动画。

1.2.2 研究的意义

随着三维人物动画的发展，市面上的很多软件都能够实现三维人物动画的功能。在动画的不同阶段选择合适的软件，有利于精确快速地实现人物动画。本文在学习了基本的人体构造理论和动画基础理论后探索了人物动画从建模、蒙皮绑定到实现动画的三个步骤中可选用的不同路径，为人物建模的路径选择提供参考。研究的侧重点为人物运动仿真，因此在初期人物模型建立上选择操作便捷的makehuman软件。根据收集的正视图、侧视图，参照中国人的五官、身体比例特点对模型进行调整，得到具有国人特征的人物模型。中期尝试使用3dsmax的CAT骨架系统进行蒙皮绑定，调整蒙皮以得到符合现实肌肉运动的动画效果。运用makehuman软件自带骨架尝试动画测试，得到更加流畅自然的效果。后期动画实现上，分别使用两种方法进行测试。第一种方法是使用3dsmax的CAT motion功能，对CAT骨架进行动画处理。第二种方法是使用MotionBuilder软件，对外来骨架进行统一认证后，进行动画处理。经尝试发现对于人物动画，MotionBuilder在输入输出上更具优势，有利于与前后处理软件的衔接，故使用MotionBuilder作为主要的动画制作软件。而3dsmax的CAT motion功能在导入导出上具有局限性，更适合制作动物、原创虚构物种等MotionBuilder不可直接识别套用骨架的模型动画和简单的肢体运动。研究中根据汽车虚拟驾驶系统中对人物模型要求的特点，经过对实现动画不同路线的尝试，通过测试多个软件的不同功能，最终采用较为简便的方法实现符合现实人物行走特点的动画，总结出制作三维人物动画的一般路径和各软件的优缺点，能够为人物建模、人物动画的研究提供参考。所得到的带有动画的三维人物模型经导入Unity后，能够增强体验者在使用虚拟驾驶系统时的沉浸感。

在动画制作的过程中，学习了正向运动学FK和反向运动学IK的相关知识，以理解带动肢体运动的方式。FK和IK知识在实现机器人运动上也有参考价值，类比人类的运动，机械手臂同样有正向反向两种运动来源，同样的操作下运用FK或IK会导致不同的动作生成。

另一方面，由于所构建的三维人物模型能够直观反映人物在汽车内的位置、动作等，也可以将人物模型直接应用至概念车的设计开发和展示中。将所设计的概念车模型与参照国标构建的，符合正态分布标准身高、体型的人物共同导入到同一场景中，可以直观地反应所设计概念车内部布置是否合理、是否符合人机工程学设计等。具有车辆和人物的虚拟系统本身也能够成为设计者良好的展示方案。比如在汽车创新配件的设计中，能够直接导入由人物演示的汽车使用动画，效果将大大优于平面的图片展示。结合虚拟现实技术，则能够在作品展示时为展示所面向的对象提供更加真实、沉浸的环境，大幅度提升了展示效果，在汽车设计、汽车营销等环节中均可发挥作用。

本次设计是理论与实践结合的产物。在人体构造理论、动画制作理论的基础上进行人物动画的学习，使用和探索不同软件，通过多样化的路径完成三维人物动画制作的完整流程，选择合适的方案，并顺利将带有不同动画的人物模型导入到Unity中，得到更加完善和真实的虚拟驾驶系统。汽车模拟驾驶系统中人物模型从无到有的实现，不仅是场景的真实度提高，也为汽车人机工程和人机交互的研究开展提供基础载体。

1.3 国内外研究现状

汽车模拟驾驶作为传统汽车领域在计算机技术发展下创新的产物，得到了国内外研究机构和汽车企业的广泛重视。大众、丰田、通用、宝马、捷豹路虎等公司均在推进驾驶模拟的项目，目的在于模拟不同的驾驶条件和交通场景，尤其在自动驾驶模拟上表现突出。在交通场景的模拟中，可运动的虚拟人物模型是构建贴近现实的场景模型的重要部分。虚拟人物模型首次出现于20世纪70年代，其目的是方便飞机和汽车的制造商进行人机工程学研究。中国和美国已经建立起各自标准的虚拟人物模型数据库，在汽车、航空航天、建筑设计等领域提供标准化的虚拟人物模型数据作为重要参考。

动画制作中运用到的动作捕捉技术的前身是动态影像描摹技术，即通过手绘，根据真实的人物动作去制作动画关键帧。随着技术的发展，动画制作者希望更加快捷地借助人物动作，因此逐渐开始进行面部和身体捕捉仪器的开发，机械式和光学式两种不同原理的动作捕捉仪器几乎同时诞生。截至目前，动作捕捉技术已经在动画制作、电影制作、人体工程学研究等多个领域得到了广泛应用，动作捕捉设备已发展成为机械式、光学式、电磁式和声学式等四大类。在动画制作和电影的后期制作中，动捕技术被广泛地运用，可以将动作演员表演的动作录制并放置到虚拟角色上。基于动作捕捉所得到的数据进行动画制作，免去了使用反向运动学软件即关键帧方法制作动画的反复调整，同时能得到更真实、符合不同角色特点的动画。

1.4 本文的主要研究内容

本文主要在构建车辆模型的基础上，研究汽车模拟驾驶中的具有动画的人物模型构建。为符合汽车模拟驾驶系统的特点，将人物分为驾驶员和行人两种角色，以构建出更加真实的环境，增强体验者使用驾驶模拟系统时的代入感。同时，对人物模型建立的研究对汽车的设计开发和方案展示具有重要意义，符合国标定义的人物能够展示在不同正态分布指数下的人物特点，从而直观地测试所构建车辆模型的合理性。研究主要分为以下几点：

1. 构建车辆模型。

车辆模型作为驾驶员操作方向盘的基础，需要具有车身和内饰。在此基础上，所构建的人物模型与车辆产生交互，通过驾驶员打方向盘等简单的肢体动作产生动画，实现对动画的控制。

1. 构建人物模型。

构建人物模型是实现人物动画的基础，所构建的人物模型具有内部的骨架系统和外部的皮肤网格。因为设计中偏重于对人物动作的仿真，在选择人物外形建模软件时综合进度考虑选择操作简便的makehuman软件。为使最终形成的角色具有中国人的比例特点，通过搜集图片信息选择具有代表性的人物正视图和侧视图，在makehuman软件中对照进行比例调节，最终得到视觉效果符合国人特点的人物模型，形成风格明确的人物角色。

1. 建立人物骨架和皮肤网格的蒙皮绑定关系。

首先使用3dsmax软件的CAT功能建立人物骨架系统，通过设置极限姿势的方式不断调节蒙皮绑定的效果，以求所得到的动画中肌肉效果贴近真实。经测试发现这种方法需要手工调节极限姿势，耗时较长且效果一般。后尝试采用makehuman自带的骨架系统，在3dsmax中进行UV贴图调整，即可得到动作自然的人物骨架皮肤一体模型。

1. 进行动画制作和剪辑。

首先使用3dsmax软件的CAT骨架，在CAT motion中进行动画制作。此方法下的动画制作采用关键帧法，设置关键动作后借助计算机插值运算形成连贯的动画。后尝试使用计算机软件MotionBuilder进行动画处理。在MotionBuilder软件中，动画可以由关键帧法和导入动作捕捉文件法制作，也可折中采用动捕文件作为基础，后进行动画层调整的融合方式进行动画制作。

1. 将动画导入引擎软件。

将处理好的带动画的人物导入到Unity中，完成汽车模拟驾驶系统中的人物模型构建。通过Unity的动画矩阵算法，可以导入向前、向后、向左、向右对应的行走获奔跑动作，并设置相应的控制按键。在同时按下两个控制按键的情况下，Unity矩阵可以通过差值计算得到一个中间的动作，比如同时按下向前和向左时能够实现向左前方奔跑。所生成动画的精度取决于输入可控制动画片段的数量，即已有矩阵的数目，更精细的动画分类有利于计算时生成更精细的动画。

第2章 研究的理论基础

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