图形学技术在角色群组仿真的应用

虚拟现实（Virtual Reality，VR）技术^[1，2]能够模仿人的视觉、听觉、触觉等感知功能，使人可以体验虚拟现实环境，并能与该环境相互作用。虚拟现实的最终目的是提高人的认知能力，促进人与环境的交流，更深入地开发人类的智慧。目前，虚拟现实技术是一个热门研究课题，在许多领域已经得到了成功的应用，如军事领域中的虚拟演练、虚拟装配、武器装备的先期验证、武器性能评估、武器系统仿真等。

计算机生成角色仿真是虚拟现实与图形学领域的一个热点研究方向，而电影特效的发展以及电子游戏的需求正强力推动着这一方向的研究。当人们沉醉于这些动人心弦的画面时，其实已经不知不觉地与计算机图形学有了亲密接触。如今特效的应用越来越普遍，已经成为一种必不可少的手段，而计算机图形仿真技术的价值也渐渐被人们所重视。

近年来，虚拟现实技术逐渐向大众化应用发展，尤其包含运动角色的仿真技术已逐渐扩展到模拟训练、教育教学等领域，虚拟现实技术与社会应用的结合也越来越多，利用虚拟现实技术实现的社会活动模拟、紧急事件演习、虚拟文艺表演等应用开始崭露头角。在2008年北京奥运会开幕式上，采用数字表演和仿真技术开发的虚拟编排系统，为节目的创意呈现和组织排练做出了开创性的贡献，极大地缩短了演员之间的协调训练时间，这些应用演绎出了人类无法通过直观思考获得的虚拟世界，为虚拟现实技术打开了一个新的应用之门。

人、物以及其他各种运动角色是虚拟世界中的重要表现内容，而如何客观真实地表现这些角色是虚拟现实研究的一个核心问题。角色群组仿真，也称为大规模运动角色仿真，是指在计算机生成空间（虚拟环境）中高效、逼真地展示大规模的角色——尤其是人物角色的运动行为。由于人们在物理、感知和交互等方面的基础性和主导性，使得对这些角色的运动仿真成为这个领域中的重要研究课题之一。

与其他虚拟现实领域中的仿真应用相比，计算机角色群组的仿真所需的场景规模大、涉及的角色数量多，从而造成计算量大、仿真困难等问题，这些困难具体体现在如下几方面：(www.xing528.com)

（1）目前的变形算法大多适用于单个模型的变形，随着变形角色数量的增多，大量角色的实时变形计算无法实现；

（2）真实感运动数据获取比较困难，人物以及动物等角色具有最复杂的动作和最不确定的行为模式，而目前的动作数据格式各不相同，不同途径获得的动作数据共享性差；

（3）场景中角色绘制的实时性难以保障，随着角色数量的增多，角色的绘制总时间迅速增大，这对可实时仿真的角色规模造成很大的限制。

由于上述困难，如何快速、便捷地使大量角色较真实地动起来成为一个难题。针对这些困难，本书以二维和三维角色模型的快速变形技术为中心开展研究，探讨大规模运动角色的实时仿真方法，为各类大规模动态场景的绘制提供可用的技术支持。本书的主要研究内容包括快速的二维角色变形方法、快速的三维角色变形方法、真实感动作驱动方法和大规模角色的快速绘制技术。