随着计算机图形学技术和虚拟现实技术的日趋成熟,符合生物动力学的三维虚拟人技术已经广泛地应用到人们的日常生活中,如:影视娱乐、动画卡通、新闻广告,电子游戏等。除此以外,在军事、医疗、产品设计以及体育锻炼等领域,也发挥了重要的作用。因此,虚拟人的建模和运动控制已经成为一个具有重要意义的研究课题。　　 在实时虚拟环境中,刚性模型具有绘制简单与更新速度快的特点,被研究人员广泛采用。但是,这种模型没有考虑人体运动过程中的皮肤变形,从而导致外形逼真度较差,不容易产生逼真的模拟效果；另一方面,当人体运动幅度较大时,关节处容易产生断裂失真。此外,该模型忽略了人体解剖结构和人体的运动约束,导致了虚拟人的运动存在着比较大的失真。　　 针对这些问题,本文探索了使用多边形网格建模人体皮肤,提出了三维虚拟人的层次化建模方法和分组多边形皮肤变形算法,有效地解决了关节断裂问题,取得了比较逼真的模拟效果。同时,本文系统分析了人体运动的内在约束,并提出利用正向运动学方法控制虚拟人运动,有效地解决了虚拟人运动失真的问题。　　 本文的主要工作和创新点包括:　　 重点研究了虚拟人几何建模方法,提出了三维虚拟人的层次化建模方法。该方法以生物动力学为基础,把虚拟人分成骨架层、动力学层和皮肤层,并根据人体关节的运动特征对虚拟人进行分层表示。　　 在SSD(sub-space Deformation)算法基础上,提出了多边形分组皮肤变形算法。该方法将组成人体皮肤层的多边形网格分成平面多边形和曲面多边形。曲面多边形跟随骨架的运动产生变形；平面多边形跟随骨骼运动,不产生变形,从而在保证皮肤变形效果的前提下,提高了虚拟人运动的处理速度。　　 针对肢体的嵌套结构,相邻肢体运动相互关联的特点,系统地分析了人体运动的内在约束和虚拟人运动控制方法,提出利用正向运动学虚拟人运动进行控制算法。该方法使用肢体段和关节来建模肢体的嵌套结构,结合人体运动的内在约束和正向运动学方程,由传感器数据实时驱动虚拟人的运动。