● 摘要
真实感虚拟人的建模是计算机图形学领域最具有挑战性的工作之一，人手作为人体的重要器官之一，不但内部组织复杂，其运动方式也很灵活。当人手运动时，肌腱和肌肉对应地运动在皮肤表层下同时带动影响表层皮肤形成一定的视觉效果，而这些效果是跟其具体的运动方式及内部所受的各种力的综合相互关联的。以前的一些力学模拟方法，无论是基于线性力学模型或者固体力学模型都不能很好的适用于人手的模拟，因为人手的运动相对比较灵活，其多种约束条件增加了模拟人手中的肌肉肌腱运动难度。本文针对人手骨骼肌肉变形的几个关键问题，开展了深入研究，并取得了以下研究成果：1. 实现一种高效的生物力学模拟器，可以模拟薄链状的肌肉肌腱在复杂约束下的变形运动。约束的处理是生物力学模拟器中非常重要的部分，主要作用在肌肉肌腱的首尾和中间某些部位以及对肌腱运动轨迹做一些特定的约束。其中约束对象为刚性骨骼和肌肉肌腱。2. 参考生物力学等学科相关资料，研究出基于样条模型的模拟肌肉主动力和被动力的相关映射关系，具体如样条形变对应各自的主动力和被动力的计算方法。整个模拟的肌肉部分的建模采用样条模型为基础的肌肉模型。其中用样条来模拟皮肤表层下的肌腱和肌肉，采用样条构建肌肉模型也是参考了真正的肌肉组织的解剖结构。3. 实现了一个增量算法控制器，可以统一计算动态变形目标的肌肉状态激化水平集合。皮下肌腱和肌肉的运动与其所受的合力大小有关，此外还依赖于这些肌肉是如何被激活的，这里涉及到一个激活程度的计算，对于多块肌肉在一定约束下的同时运动，需要一种增量算法一次性控制计算各个肌肉的激活状态。4. 研究并提供了一种二次叠加变形的思路，方便搭配不同的皮肤表层变形算法。手部肌肉变形可与给定的皮肤表层进行效果集成，即肌肉变形模拟的过程可以独立于皮肤表层的变形。