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虚拟人体模型研究综述 1 vr系统组成 虚拟现实（rv）是一种新兴的计算机技术，将现实世界中的虚拟环境应用于人类。它汇集了计算机图形学、多媒体技术、人工智能、人机接口技术、传感器技术、高度并行的实时计算技术和人的行为学研究等多项关键技术。VR系统的组成形式见图1。 从20世纪60年代起,国外就在虚拟现实领域展开了研究。到80年代中后期,由于图形显示技术能够满足视觉耦合系统的性能要求,液晶显示(LCD)技术的发展使得生产廉价的头盔显示器成为可能,VR技术得以快速发展。作为虚拟现实的一个重要组成部分的虚拟人体模型,也得到了很大的发展。下面就从医用人体模型、工程上常用的人体的物理模型以及根据工程上常用的人体的物理模型建立的人体运动数学模型这三个方面来详细论述当前的发展状况。 2 虚拟人体模型 八十年代后期发达国家兴起的科学计算可视化,促使美国国家医学图书馆的科学家于1986年开始实施一项称为虚拟人体计划(Virtual Human Plan,简称VHP),该计划的目的是建立一个医学图像库,并提供用像检索获取其它医学文献同样的方法来获取这些图像。该计划进行得很顺利,到目前为止 VHP已经建立了人体的CT、MRI和解剖的图像数据集。 基于VHP数据集,德国汉堡 Eppendorf大学医院的医学数学及数据处理研究所 (IMDM)制作完成了一个称为 VOXEL-MAN的虚拟人体。这个虚拟人体的数据量十分庞大,仅头部就由一千万个体素组成。应用这个虚拟人体可以做到任意选择视角观察虚拟人体,包括内窥检查和立体视角;任意剖切虚拟人体,可以模拟解剖、外科手术或穿刺等;可以模拟进行放射成像,不受观察点和定位方向的限制;可以立即得到命名、解剖分类、描述以及组织结构信息;测量距离等等。应用这个虚拟人体模型,可以方便地进行手术前的模拟训练,提高手术的成功率。 此外,由欧洲多个组织共同承担的CHARM(Comprehensive Human Animation Resource Model)计划也着重于虚拟人体模型在医学领域中的应用。该计划旨在应用VHP的数据建立一个结构化的虚拟人体动力学模型。结构化是指骨骼、肌肉和皮肤等都是单独分割进行表面重建 ,并且增加了它们之间的内部关系和力学特性 ,也就是构成了一个拓扑模型。而这个模型的动力学特性则表现在重建的器官可以移动和变形,同时保持它们相互之间的力学联系 ,这样就可以更真实地反映人体的行为。 目前,国内该领域的研究工作开展得如火如荼。清华大学、四川大学的虚拟中国人研究计划已经取得了很大的进展。 3 机界面模型 当前已经建立的人体模型可以归纳为三个种类:人体测量学模型、生物力学模型和人机界面模型。工程上常用的人体物理模型在总体上属于人体测量学模型。这种模型只考虑人的姿态控制而不考虑人的力量控制,注重将现代多刚体力学的分析方法引入到人的运动的研究中,而不考虑人在特定环境中的生理和运动功能的特点,即缺乏人的特性。 3.1 人体物理模型 目前,应用于人机工程领域的比较典型的人体物理模型见表1。 在上述诸多人体物理模型中,比较先进的是ESA的DYNAMAN模型和NASA的JACK模型。下面对这两个模型进行详细的说明。 3.2 在航天服和气动下的应用 DYNAMAN模型是ESA为了仿真航天员的活动过程,于1991年开发的一套具有交互性的图形仿真软件包。 DYNAMAN包括人体模型的运动学仿真,允许实时地在屏幕上仿真和检测模型与环境的相互作用。在DYNAMAN的数据库中,ESA建立了不同体格的航天员的三维图形模型,包括零重力和正常重力下的情况,还有用于EVA仿真的穿航天服的模型。它的典型应用有:航天员运动和路径的研究、可居住性和工作环境设计及验证、复杂环境中的物体操作、航天服设计的验证及EVA的运动学仿真等。DYNAMAN的局限性是没有考虑动力学,人的行为仿真较浅。手脚和脊椎的模型太简单,主要是缺乏零重力环境中的人体数据所造成的。ESA正着手改进,包括将虚拟现实(VR)技术融进DYNAMAN的用户界面系统。DYNAMAN在Hermes航天飞机和航天服设计、航天员的操作、EVA出舱过程仿真中的应用也很广泛。 DYNANMAN 软件包开发完成后,在航天员系统的设计中起着重要的作用,很多设计问题和任务规划都由它仿真的结果来验证。特别是在设计的早期阶段,这种仿真往往是检验设计中重大问题的唯一手段,如可居性、可达性、工效、可见性与操作时间流水线等。ESA曾用它进行过太空微型实验室的可居住性分析,以及出舱活动(EVA)过程仿真。 3.3 嘴唇效应的应用 JACK是由NASA/JSC,NASA/Ames,Lockheed公司等单位资助,宾夕法尼亚大学计算机与信息科学系Balder教授主持,历经十多年的时间开发的软件系统。JACK软件是基于