基于Unity3D的虚拟维修人体建模与运动仿真方法

基于Unity3D的虚拟维修仿真系统研究作者：吴旭琤来源：《科技视界》2019年第17期【摘要】为了提高虚拟维修仿真真实性及仿真功能的可扩展性，采用Unity3d作为仿真系统开发平台，搭建虚拟维修场景，使用Humanoid Avatar系统进行虚拟人运动控制，使用物理引擎实现物体间的碰撞检测，开发了可用于维修可达性、操作空间、舒适性分析的虚拟维修仿真系统。

【关键词】虚拟维修;Unity3D;运动控制;维修性分析中图分类号： TP391 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）17-0029-001DOI：10.19694/ki.issn2095-2457.2019.17.012Research of Virtual Maintenance Simulation System Based on Unity3DWU Xu-cheng（Shanghai Aircraft Design and Research Institute， Shanghai 201210，China）【Abstract】To improve the authenticity of virtual maintenance simulation and the scalability of the simulation function， Unity3d is used as the simulation system development platform to build the virtual maintenance scene. The Humanoid Avatar system is used for virtual human motion control，and the physics engine is used to realize collision detection between objects. A virtual maintenance simulation system is developed that can be used to analyze accessibility， operating space， and comfort.【Key words】Virtual maintenance; Unity3D; Motion control; Maintainability analysis虛拟现实技术使设计人员可以在虚拟环境中，对产品可视性、可达性、操作空间以及人体舒适度等进行分析[1]，可以在没有实物样机的情况对产品维修性进行分析验证，是产品设计过程中确保问题能早期发现早期解决的有效方法，从而减少设计问题导致的设计返工和零部件报废，减少研发时间和降低研发成本。

基于Unity3D的虚拟现实仿真系统构建与优化虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）技术是一种通过计算机技术模拟出的三维虚拟环境，使用户可以沉浸在其中并与之进行交互。

随着科技的不断发展，VR技术在各个领域得到了广泛的应用，如教育、医疗、娱乐等。

而Unity3D作为一款跨平台的游戏开发引擎，也被广泛应用于虚拟现实仿真系统的构建与优化中。

1. 虚拟现实仿真系统概述虚拟现实仿真系统是利用虚拟现实技术对真实世界进行模拟和再现，使用户可以在虚拟环境中进行体验和互动。

这种系统通常包括硬件设备（如头戴式显示器、手柄等）和软件平台（如Unity3D引擎），通过二者的结合实现对虚拟环境的构建和控制。

2. Unity3D在虚拟现实仿真系统中的应用Unity3D作为一款强大的跨平台游戏引擎，具有良好的图形渲染能力和物理引擎支持，非常适合用于构建虚拟现实仿真系统。

在Unity3D中，开发者可以通过编写脚本、导入模型和材质等方式，快速构建出逼真的虚拟环境，并实现用户与环境的交互。

3. 虚拟现实仿真系统构建流程3.1 确定需求在构建虚拟现实仿真系统之前，首先需要明确系统的需求和目标。

这包括确定要模拟的场景、用户的交互方式、系统的性能要求等。

3.2 环境建模利用Unity3D中的建模工具和资源库，开发者可以快速构建出虚拟环境所需的场景、物体和角色模型。

在建模过程中，需要注意保持模型的逼真度和性能优化。

3.3 添加交互功能通过编写脚本，在Unity3D中添加用户交互功能，如手柄控制、碰撞检测、物体抓取等。

这些功能可以增强用户在虚拟环境中的沉浸感和参与度。

3.4 调试与优化在构建完成后，需要对虚拟现实仿真系统进行调试和优化。

这包括检查场景是否流畅、性能是否稳定、用户体验是否良好等方面。

4. Unity3D在虚拟现实仿真系统中的优化策略4.1 图形优化通过减少多边形数量、合并网格、使用LOD（Level of Detail）技术等方式，优化场景中的模型和纹理，提高图形渲染效率。

基于Unity3D的虚拟维修人体建模与运动仿真方法虚拟维修人体建模与运动仿真是一项近年来备受关注的研究领域，它可以应用于医疗、运动训练、娱乐等多个领域。

本文将介绍基于Unity3D的虚拟维修人体建模与运动仿真方法，包括建模、运动捕捉、物理仿真等方面的技术原理和应用实例。

一、虚拟维修人体建模虚拟维修人体建模是指利用计算机图形学技术对人体进行建模和表现。

而在Unity3D 中，我们可以利用其强大的建模工具和资源库来进行人体建模。

我们可以利用建模工具对人体各个部位进行建模，包括头部、身体、四肢等。

然后，可以利用贴图和材质来进行细节的表现，使得虚拟人体更加逼真。

Unity3D还支持骨骼动画，可以对虚拟人体进行动作设计和表现，使得人体在虚拟环境中可以自然地进行运动。

二、运动捕捉在虚拟维修人体建模与运动仿真中，运动捕捉是非常重要的环节。

运动捕捉是指利用传感器或摄像头等设备采集真实世界中的运动数据，然后将这些数据应用到虚拟模型中，使得虚拟人体可以模拟真实人体的运动。

在Unity3D中，可以利用其内置的动作捕捉工具来进行运动捕捉，也可以通过第三方设备和软件来进行更加精细的运动捕捉。

通过运动捕捉，可以使得虚拟人体在运动时更加自然和真实，为后续的运动仿真做好准备。

三、物理仿真物理仿真是虚拟维修人体建模与运动仿真中的另一个重要环节。

物理仿真是指对虚拟环境中的物体和人体进行物理性质的模拟，包括重力、碰撞、摩擦等。

在Unity3D中，可以利用其内置的物理引擎来进行物理仿真，也可以通过编程和脚本来进行自定义的物理仿真。

通过物理仿真，可以使得虚拟人体在运动过程中受到逼真的物理影响，更加真实地模拟人体的运动状态。

虚拟维修人体建模与运动仿真可以应用于多个领域。

在医疗领域，可以利用虚拟维修人体进行手术模拟和训练，帮助医生进行手术操作的练习和提高手术成功率。

在运动训练领域，可以利用虚拟维修人体进行运动模拟和训练，帮助运动员进行运动技能的提高和训练效果的评估。

国防科学技术大学研究生院博士学位论文图３．１中国成年男子０ｌ、０５、ｌＯ、５０、９０、９５、９９百分位人体模型对比图３．２给出的是中国男子５０百分位人体模型和Ｊａｃｋ提供的美国男子５０百分位人体模型对比图，左侧是中国人体模型，右侧是美国人体模型。

图３．２中，美男子５０百分位人体模型对比从图３．２中可以明显看到东西方人体在身材比例、脸型等方面的差异。

中国人体模型上身较长，四肢较短：美国人体模型上身较短，四肢较长。

中国人脸偏瘦长，美国人脸偏胖圆。

同等百分比下，西方人明显比中国人要壮实一些，高一些。

这些因素是由于东西方的生活起居和饮食习惯引起的。

国防科学技术大学研究生院博士学位论文所提方法具有普遍意义，可以用于任意关节或关节链的插值计算。

不仅可以用于手部关节控制，实现手势姿态的调整；同样可以用于全身关节的控制，实现身体姿态的调整；或者用于头部关节，实现观察姿态的调整。

３．３．１关节化手掌模型上一节中，我们将人体模型大致划分为５类关节链，但是并没有涉及到手掌部分。

实际上，手掌部分通过ｒｉｇｈｔ／ｌｅ越点单独连接到手臂上，是一个相＿ｐａＪｍｂａｓｅ对独立的部分，并不参与上肢关节链的运动。

因此，需要单独针对手掌部分进行几何造型和运动建模。

在前面提到的基于ＧＢｌ００００．８８实现的本土化人体模型中，手掌部分由１６个段和１５个关节构成，共２０个自由度，并以ｒｉｇｌｌｔ／ｌｅｆＩＩｘｄｍ．ｂａｓｅ点作为手掌部分的基点。

虚拟手掌的实体模型与线框效果如图３．４所示。

图３．４虚拟手掌的实体模型与线框效果图手掌部分通过腕关节与上肢关节链连接，手掌部分的５条关节链彼此之间相互独立，共同以腕关节为父节点构成了５条相互独立的子关节链。

将关节看成点，将关节之间的骨骼看成是链，就可以按照运动关系将各肢体链接起来，从而可以用树形结构来表达手掌模型的层次关系。

大舞指★指中指无名指小手指图３．５手掌部分的树形结构层次关系图其中，曰为两个四元数ｇｏ和９７之间的距离，。

基于Unity3D的虚拟维修人体建模与运动仿真方法随着医学科技的不断进步，在医疗领域中，虚拟人体仿真技术正起着越来越重要的作用。

在医学教育、手术规划、康复训练等方面，虚拟人体仿真技术都能够提供更高效、更安全、更直观的解决方案。

基于Unity3D的虚拟维修人体建模与运动仿真方法具有良好的应用潜力，本文将探讨这一领域的技术发展和应用前景。

Unity3D是一款跨平台的游戏开发引擎，而在虚拟人体建模与仿真中，利用其强大的图形渲染、物理引擎和动画技术，可以实现高度真实的人体模型和动作仿真。

Unity3D支持多种主流的操作系统，如Windows、Mac OS、Linux等，且可以轻松移植到手机、平板等移动设备上，具有很好的可扩展性和通用性。

Unity3D拥有一套完整的开发工具和社区支持，具有较低的学习门槛和较高的灵活性，可以满足不同应用场景下的需求。

在虚拟人体建模与仿真领域，Unity3D还有许多优秀的插件和资源可以加速开发，例如人体建模工具、动作捕捉系统等，进一步提升了开发效率。

基于Unity3D的虚拟维修人体建模与运动仿真方法具有技术基础扎实、开发成本较低、应用范围广泛等优势，为虚拟人体仿真技术的发展提供了有力支持。

二、虚拟维修人体建模技术1. 三维建模虚拟维修人体建模是虚拟人体仿真的基础，而在Unity3D中，可以利用其强大的建模工具和插件进行人体建模。

一般来说，三维人体建模可以通过扫描现实中的人体模型、手工建模和使用人体建模软件进行建模。

在建模过程中需要考虑人体的外表形状、肌肉和骨骼结构、身体比例等因素，以便后续的动作仿真和运动分析。

2. 纹理贴图虚拟人体的外表质感对于仿真效果至关重要，而在Unity3D中，可以通过材质系统和纹理贴图来实现人体模型的真实感和逼真度。

利用纹理贴图可以模拟肌肤的细微纹理、肤色、光泽等特征，使得虚拟人体更加逼真。

3. 动作捕捉虚拟维修人体的建模不仅需要考虑静态外表，还需要考虑动态的动作。

基于Unity3D的虚拟康复机器人实时动态演示作者：刘方全林泽磊刘伟尧李景涛来源：《科学与财富》2020年第13期摘要：选取已完成的上肢康复机器人本体为研究对象，使用SolidWork软件对上肢康复机器人进行三维建模，使用3DsMax对模型附加材质调整坐标轴等。

将调整好的三维模型导入Unity3D软件当中，并且用MFC建立康复机器人的控制面板。

控制面板上各电动机的转动参数一方面同过串口下发给康复机器人本体，控制其运动。

另一方面通过Socket通信传递给Unity3D，控制康复机器人模型的运动。

通过康复机器人模型的运动实时展现机器人本体的运动状态。

关键词：上肢康复机器人;Unity3D;Socket通信1 三维模型的建立1.1 上肢康复机器人模型的建立上肢康复机器人是比较复杂的机械系统，为了保证仿真结果与真实接近，所有的零件都按照电子版图提供的数据进行1：1建模，使用SolidWork软件建立各个零件的实体模型，并将生成的零件装配成总体，生成stl文件格式，导入到3DsMax中，在对各个零件添加材质和贴图。

1.2 人物模型的建立为使上肢康复机器人的模拟动画能真实的体现上肢康复机器人本体的运动状况，人物模型的尺寸应充分考虑到康复机器人模型的尺寸，应使人物模型的腕关节、肘关节、肩关节与康复机器人的各关节相对应，尽量保证人物模型与康复机器人的各关节同轴，这样能使展示效果更加逼真。

人物模型分为对头部和身体的建模，在3DsMax中采用多边形建模方法，建立人物的初步模型，然后对人物模型添加平滑组，这样可以增加模型的光滑度，然后为人物模型添加材质和贴图形成最终的效果图。

1.3 骨骼和绑定的添加与调整人物模型必须绑定骨骼才能实现模型的运动，首先用biped建立一个骨骼系统，在运动命令面板，点击biped卷展览的figure mode。

在各视图中，使用旋转缩放位移的方式，调整骨骼的位置与模型的位置，让二者对齐，调整好其中的一部分之后，复制到另一半上。

基于Unity3D的虚拟维修人体建模与运动仿真方法随着科技的发展，虚拟现实技术在医学领域的应用越来越广泛。

在医学诊断、手术模拟、康复治疗等方面，虚拟现实技术的应用为医生和患者带来了很多便利。

虚拟维修人体建模与运动仿真技术在医学方面具有重要的应用价值。

本文将介绍基于Unity3D的虚拟维修人体建模与运动仿真的方法，以及该技术在医学领域的应用前景。

一、虚拟维修人体建模在医学领域，人体建模是虚拟现实技术的重要应用之一。

通过将人体进行三维建模，可以实现对人体结构和功能的模拟和展示。

基于Unity3D的虚拟维修人体建模，首先需要对人体进行三维扫描，获取人体的数据。

这可以通过CT、MRI等设备进行扫描，得到人体的三维数据。

然后，使用专业的建模软件对这些数据进行处理和分析，生成人体的三维建模。

将这些三维模型导入到Unity3D中进行渲染和展示。

通过这种方法，可以实现对人体内部结构的模拟和展示，帮助医生和学生更好地理解人体结构和功能。

除了人体建模，虚拟维修人体运动仿真也是虚拟现实技术在医学领域的重要应用之一。

通过运动仿真，可以模拟人体在不同运动状态下的姿势和动作，帮助医生和研究人员更好地理解人体运动的规律和特点。

基于Unity3D的虚拟维修人体运动仿真，需要首先对人体的骨骼结构和肌肉分布进行建模，然后使用物理引擎对这些模型进行仿真，模拟人体在不同运动状态下的姿势和动作。

通过这种方法，可以实现对人体运动的高度仿真，为医学研究和临床实践提供有力的支持。

基于Unity3D的虚拟维修人体建模与运动仿真方法在医学领域有着广泛的应用前景。

在医学教育方面，可以将这种技术应用于医学院校的教学实践中，帮助学生更好地理解人体结构和功能，提高教学效果。

在临床诊断方面，可以将这种技术应用于医疗影像的分析和诊断中，帮助医生更准确地判断疾病和制定治疗方案。

在康复治疗和手术模拟方面，也可以将这种技术应用于康复训练和手术模拟中，帮助患者更好地进行康复训练和医生更好地进行手术模拟和实践。

基于Unity3D的虚拟维修人体建模与运动仿真方法随着虚拟现实技术的不断发展，虚拟人体建模与运动仿真技术也逐渐成为一个备受关注的研究领域。

在医学领域，虚拟人体建模与运动仿真技术可以被应用于手术模拟、康复训练、人体姿势分析等领域。

本文将针对基于Unity3D的虚拟维修人体建模与运动仿真方法进行研究与探讨。

虚拟维修人体建模是指通过计算机图形学技术，对人体进行三维建模，实现对人体各部位的精确建模和组织结构的模拟。

而虚拟维修人体运动仿真则是在虚拟人体建模的基础上，实现对人体运动的仿真与模拟。

基于Unity3D的虚拟维修人体建模与运动仿真方法，其具体实现过程主要包括人体建模、骨骼动画、物理引擎等多个方面。

基于Unity3D的虚拟维修人体建模与运动仿真方法的第一步是人体建模。

在Unity3D 中，可以使用专业的建模工具（例如Blender、Maya等）对人体进行建模。

建模的过程中，需要对人体各部位进行精确的建模，确保模型的真实性和精细度。

还需要考虑到人体的肌肉、骨骼、皮肤等组织结构，以及不同的姿势和动作，在建模过程中需要考虑到这些因素，保证建模的精确性和真实性。

在虚拟维修人体建模与运动仿真中，骨骼动画是一个非常重要的环节。

在Unity3D中，可以使用骨骼动画技术对人体进行动画的表现，通过对骨骼进行动画的关键帧设置和曲线调整，实现对人体运动的仿真和模拟。

在建模的过程中，需要考虑到人体不同部位之间的连接关系和动态变化，以及骨骼的自由度和限制条件，在动画设计中需要保证运动的自然流畅和真实性。

物理引擎也是虚拟维修人体建模与运动仿真的重要组成部分。

通过Unity3D的物理引擎组件，可以实现对人体的物理运动的模拟与仿真。

在虚拟维修人体建模与运动仿真过程中，物理引擎可以模拟人体不同部位之间的相互作用关系，例如骨骼之间的约束关系、肌肉之间的拉伸和收缩等，以及在不同环境条件下的运动效果。

通过物理引擎技术，可以使虚拟人体的运动仿真更加真实和精确。

基于虚拟现实技术的人体运动轨迹分析与仿真随着科技的发展，虚拟现实技术已经普及到每个人的生活中。

在医疗、军事、娱乐等领域都有着很好的应用。

其中，基于虚拟现实技术的人体运动轨迹分析与仿真技术备受关注。

这项技术可以为人们提供更加精确的运动学分析，以及更加生动的运动仿真效果。

一、人体运动轨迹分析技术人体运动轨迹分析技术是一项基于虚拟现实技术的运动学分析技术，它可以模拟人体在运动过程中的各种姿势变化，并通过大量的数据处理和分析，给出精确的人体运动轨迹分析结果。

这项技术可以应用于很多领域，如运动训练、医疗康复、心理治疗等。

比如在运动训练中，人体运动轨迹分析技术可以帮助运动员准确地分析自己的运动状态，找到自己运动中的不足之处并加以改进，从而提高自己的运动技能和竞技水平。

二、人体运动仿真技术人体运动仿真技术是一项基于虚拟现实技术的仿真技术，它可以模拟人体在运动过程中的各种姿势和动作，并通过智能算法模拟出人体的一系列生理反应和行为表现。

人体运动仿真技术可以广泛应用于体育竞技、职业训练、医疗康复等领域。

比如在体育竞技中，人体运动仿真技术可以帮助运动员根据不同比赛场景，模拟出各种不同的运动状态，从而提高自己的竞技能力和应对能力。

三、运动轨迹分析与仿真技术的优势基于虚拟现实技术的人体运动轨迹分析与仿真技术具有很多优势。

首先，在人体运动轨迹分析方面，它可以准确地分析运动员在运动中的各种姿势变化，找出运动的瑕疵并加以改进。

其次，在运动仿真方面，它可以模拟出各种生理反应和行为表现，帮助训练者更好地掌握运动技巧，提高训练效果。

此外，基于虚拟现实技术的人体运动轨迹分析与仿真技术还可以提高运动员的训练效率。

通过精准的数据分析和科学的仿真演示，运动员可以更好地了解自己的身体状况和运动技巧，从而在更短的时间内提高自己的训练效率。

四、人体运动轨迹分析与仿真技术在未来的应用前景基于虚拟现实技术的人体运动轨迹分析与仿真技术在未来具有广阔的应用前景。

图1Delmia虚拟人上臂外伸自由度U nity3D则可以导入其它建模软件创建的虚拟人模型,在模型的逼真程度上相较Delmia更高。

在导入设置中,将人物模型的Rig选项中的Animation Type选择Humanoid,系统即会根据模型的骨骼结构自动进行绑定。

Unity3D中,人物骨骼模型包含15个必选绑定点和39个可选绑定点,如图2所示,绑定后,在Muscles&Settings选项中出现对应的关节自由度的运动范围设置。

由于Unity3D中的关节自由度的运动范围与实际人体运动极限范围并不一致,需要进行重新设置,Unity3D中对应Delmia中关节运动范围如表1所示主要研究方向为飞机维修性工程。

(不包含手指关节)。

图2Unity3D 人物骨骼绑定对关节运动范围进行修改后,能使虚拟人的关节运动范围与Delmia 中保持一致,从而使创建的姿态符合真实人可以达到的情况,满足工程仿真分析的应用要求,保证了后续运动仿真的真实性。

表1Delmia 与Unity3D 关节运动范围对照表position);}图3逆向运动学姿态控制3总结本文提出了基于Unity3d 的虚拟维修人体建模和运动仿真方法,通过比对Delmia 中的关节运动范围,在Unity3d 中建立满足工程应用需求的虚拟人模型,然后使用逆向运动学方法,实现对虚拟人的姿态控制,从而为在Unity3d 环境下进行虚拟维修仿真建立基础,使仿真的真实性得到提高。

【参考文献】[1]刘佳,刘毅.虚拟维修技术发展综述[J ].计算机辅助设计与图形学学报.2009,21(11):1519-1534.[2]杨壹斌,李敏,解鸿文.基于Unity3D 的桌面式虚拟维修训练系统[J ].计算机应用,2016,36(S2):125-128.[3]赵洪利,胡周兵.基于UNITY 交互式虚拟维修仿真系统的研究[J ].机械工程与自动化,2016(02):88-90.Unity3D 自由度名称Delmia 运动范围(°)Unity3D 运动范围(°)Chest Front -Back -20~56-56~20Chest Left -Right-25~25-25~25Chest Twist Left -Right -77~77-77~77Head Nod Down -Up -18~23-23~18Head Tilt Left -Right -17~17-17~17Head Turn Left -Right -75-75-75~75Shoulder Down -Up -8~53-8~53。