高巍

計算機輔助人機工程分析軟件目前正成為設計師手中的利器。三維虛擬人體模型正是這些軟件的科學基礎。本文主要介紹了構建人體模型的科學依據(jù)、建立方法及應用現(xiàn)狀，以期能對其進行科學地選用、維護和再開發(fā)，不斷推進人機工程學的實踐應用研究。

一、前言

近年來，隨著計算機輔助工業(yè)設計技術的飛速發(fā)展，人機工程學分析模塊成為了各種軟件的熱門開發(fā)方向。設計師可以方便地使用軟件中提供的人體模型庫、姿勢庫等對產(chǎn)品的人機效應進行直觀驗證，大大提高了設計效率。三維人體模型在這個過程中發(fā)揮著巨大的作用，了解這些模型的構建原理與應用現(xiàn)狀，有助于設計師對其進行科學地選用、維護和再開發(fā)，不斷推進人機工程學的實踐應用研究。

二、構建三維虛擬人體模型的科學依據(jù)

三維虛擬人體模型的構建必需基于經(jīng)過科學采集并處理的數(shù)據(jù)以及人體結構原理。這樣的人體模型才能對設計進行明確有效的指導。

1.人體測量數(shù)據(jù)的采集與統(tǒng)計

（1）人體測量數(shù)據(jù)的采集。

人體的數(shù)據(jù)受來源不同的影響，有很大的差異性，主要影響因素包括地區(qū)、年齡、性別、民族、工作以及氣候等。建立人體模型首先要找準特定的目標部族，有的放矢地測量和整理人體數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)中尋找線索，幫助設計師開展科學的設計。

人體測量數(shù)據(jù)大體可分為四類：靜態(tài)數(shù)據(jù)、運動區(qū)域數(shù)據(jù)、生理數(shù)據(jù)和力學數(shù)據(jù)。其中靜態(tài)數(shù)據(jù)是指人在靜止不動的狀態(tài)下測量獲得的形態(tài)數(shù)據(jù)，其主要內(nèi)容是人體規(guī)格（體型、身高和體積等），可采用站立、靜坐、跪下和躺臥四種姿態(tài)；運動區(qū)域數(shù)據(jù)是指人在運動狀態(tài)時四肢的有效作用范圍，主要分析兩種：一種是肢體的活動角度范圍，一種是肢體所能達到的距離范圍；生理數(shù)據(jù)是指人體的主要生理指標，主要內(nèi)容有：皮膚面積、各器官體積、耗氧量、心率、疲勞度和反應度等；力學數(shù)據(jù)主要考量人體的主要力學指標。如人體的重量與重心位置、各轉動器官的慣量、受力與出力等。

（2）人體測量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計。

人體測量所針對的是一個群體而非個人?；谌伺c人之間差異性的考量，個別或少數(shù)的人體測量數(shù)據(jù)不能作為建立三維虛擬人體模型的依據(jù)。比較科學高效的做法是，首先測量群體中少量、部分的個體樣本，這些數(shù)據(jù)是離散的隨機變量，再根據(jù)概率論與數(shù)理統(tǒng)計理論對測量數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計處理，從而獲得所需特定群體的數(shù)據(jù)。常用的統(tǒng)計特征參數(shù)有平均數(shù)、方差和百分比等。

（3）我國國家標準規(guī)定的成年人人體結構尺寸。

我國人體的尺寸參數(shù)受地域、民族的影響與其他國家差異較大，針對我國的人體測量數(shù)據(jù)，建立符合國情的數(shù)據(jù)標準并指導開展人機工程學的應用是必然的要求。我國成年人人體尺寸的國家標準 GB10000-88于 1998年 7月開始實施，該標準給出了我國成年人身體尺度的通用數(shù)據(jù)，可以運用在各類產(chǎn)品、建筑裝修和軍工裝備等各個設計領域。該標準列明了 47項人體尺寸通用數(shù)據(jù)，共分為 18～ 25歲（男、女），26～ 35（男、女），36～ 60（男）、55（女）三個年齡層次。

2.人體測量數(shù)據(jù)與人機分析的聯(lián)系

基于科學數(shù)據(jù)建立的人體模型常被用于視野分析、觸及范圍分析及疲勞分析等。以做視野分析時所依據(jù)的數(shù)據(jù)模型“眼橢圓”為例。

不同身高的操作人員以正常的姿態(tài)使用產(chǎn)品時，他們的眼睛位置在產(chǎn)品坐標系中的統(tǒng)計分布圖形呈橢圓形?！把蹤E圓”是研究產(chǎn)品視野范圍性能的重要基準，能比較準確地代表幾乎所有人群的特點，圖 1為眼橢圓的三維示意圖。

由于眼橢圓代表了大部分使用者在正常使用時眼睛在產(chǎn)品坐標系中的分布。因此，眼橢圓是指導和評價產(chǎn)品設計視野范圍是否符合人機工程學要求的關鍵要素。在 CAID軟件中，眼橢圓樣板庫可以通過二次開發(fā)得到，如圖 2所示為樣板庫中生成的眼橢圓模型。這些模型在進行定位后可以精確直觀的進行視野分析。

三、三維虛擬人體模型的構建方法

被肌肉和表皮覆蓋的骨架構成了外觀上的人體模型。在對人體進行三維虛擬建模的時候，需要綜合考慮骨架模型和外表模型的關系。

1.骨架模型

骨架模型可以描述人體軀干與各個主次肢體間的位置聯(lián)絡與運動聯(lián)系，可以表達人體肢體段的數(shù)目、肢體的長度和聯(lián)接關系，在三維軟件中更可以進一步對各聯(lián)接關節(jié)的自由度和活動范圍進行設定。頭、軀干、上肢和下肢是外型上人體的四大組成結構，每部分結構又可以再做進一步的細分，如上肢還包括上臂、下臂和手等。在實際設計過程中，三維虛擬人體的骨架應忠實于實際情況以保障不丟失重要分析數(shù)據(jù)，又應同時考慮適當簡化不必要的部分以減少使用難度。以 Creo軟件為例，其提供的人體模型骨架一共被簡化為 14個關節(jié)，每個關節(jié)都使用了正確的約束，如腰關節(jié)為了模擬真實的腰部運動定義了球面副和移動副的組合約束關系，而轉動副則被用于膝關節(jié)的約束。人體模型一共設置了 33個自由度，如圖 3所示。

2.外表模型

外表模型表述了皮膚、毛發(fā)和穿著等外在因素，精確的外表模型可以提高人體模型的真實性。隨著計算機圖形技術的發(fā)展，人體模型的曲面精度和質(zhì)量以及渲染效果都在不斷提升，越來越精致的人體模型開始被應用到產(chǎn)品設計中，如圖 4所示為 Creo軟件所提供的人體模型。

四、三維虛擬人體模型的人機應用

三維虛擬人體模型已被各大軟件廠商付諸實踐，形成了各具特色的計算機輔助人機分析模塊，以美國 PTC公司產(chǎn)品 Creo所附帶的 Manikin模塊為例。

Manikin允許設計人員將虛擬人體模型添到產(chǎn)品的裝配場景中，同時定義該模塊提供的精確人體特征和力學特征，例如體態(tài)、視野、運動類型、力和舒適度等?？梢葬槍σ欢ㄐ詣e和人種的基本數(shù)據(jù)對模特進行自由定義與操縱，幫助設計人員更好地了解產(chǎn)品與人（包括用戶、銷售者、安裝者和維修者等）之間的關系。

Manikin共包含人體模型放置、運動、視效、人機分析和任務分析五大功能模塊，均與三維虛擬人體模型有著直接的聯(lián)系，如圖 5所示。

（1）人體模型放置：該功能可以將虛擬人體模型插入裝配環(huán)境中，并根據(jù)人體庫的數(shù)據(jù)定義性別、種族、體型及其他關聯(lián)可變因素。根據(jù)相關國家標準，Manikin提供了人體模型庫供設計師調(diào)取使用，從而簡化了人機功率設計的步驟，提高了設計效率。如圖 6所示。

（2）運動：允許設計者定制人體模型的附件和姿勢，可以深入地調(diào)整模型身體骨節(jié)的位置和角度，并提供了包括2D拖動、體節(jié)拖動和旋轉等直觀的操作方式，用于幫助生成真實的人體方案。同時也可以快速訪問包含標準姿勢（站立、蹲坐和下跪等）和手型（握拳、指向和并緊等）的全套姿態(tài)庫，便捷設置體態(tài)姿勢。而其中的包絡工具可幫助確定模特的有效作業(yè)區(qū)域。

（3）視覺：通過生成視野窗口，模擬仿真用戶能夠“看到”對象的范圍，這一范圍的主要表現(xiàn)形式是視野圓錐，它可幫助設計人員了解該尺度的人能看到的外圍、雙眼視野以及最佳視野等。

（4）人機工程學分析：允許從性質(zhì)和體量兩個維度分析人的多樣化姿態(tài)。校驗分析的結果通過與舒適性數(shù)據(jù)庫中的標準進行比較 ，得出舒適度分析結論。這一功能可以幫助設計者快速發(fā)現(xiàn)有問題的區(qū)域，重新做出設計調(diào)整。

（5）任務分析：可以模擬、傳遞和優(yōu)化常見的手工處理任務，例如舉起、放低、推、拉和攜帶。

五、結語

三維虛擬人體模型為計算機輔助工業(yè)設計的開展奠定了基礎，設計師能夠更加直觀、科學地進行人機分析及產(chǎn)品改進，創(chuàng)造出更宜人宜用的產(chǎn)品。放眼未來，三維虛擬人體模型將在包括醫(yī)學、建筑和服裝等諸多領域大顯身手。endprint