（服装设计与工程专业论文）虚拟服装动态展示中模拟模特走秀动作的研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t v i r n l a 】a n a l o gc l o t h i n gd y n a m i cd i s p l a yo f t h ea c t i o nr e s e a r c hm o d e li nv i r t u a l g a r m e n t ss h o w p o s t g r a d u a t es t u d e n t ：l i - j u a nm a os u p e r v i s o r ：z h i m j n gw um a j o r ：f a s h i o nd e s i g n a n de n g i n e e r i n g 晰mt h ep o p u l a r i t yo fn e t w o r ka n dt h ed e v e l o p m e n to fv i r t u a lr e a l i t yt e c h n o l o g y , v i t 叫g a r m e n td e s i g na n dd i s p l a yb a s e do nt h r e e - d i m e n s i o n a la p p a r e lc a dw i l l b e c o m et h em a i nm o d eo fc l o t h i n gp r o d u c ti n n o v a t i o n ，a n dt h ed y n a m i ce f f e c to f3 d d i s p l a yi sa l li m p o r t a n tp a r to fi t c l o t h i n gv i r t u a ld i s p l a yt e c h n o l o g yh a sb e e nw i d e l y u s e di n3 da p p a r e lc a d ，a p p a r e le - c o m m e r c ea n df a s h i o ns h o w , c t ca n di th a sh a da g r e a ti m p a c to nf a s h i o nd e s i g na n dm a r k e t i n g s i m u l a t i n gm o d e l s a c t i o ni nf a s h i o n s h o w , a so n et e c h n o l o g yo fv i r t u a ld y n a m i cd i s p l a y , p l a y sav e r yi m p o r t a n tr o l ei n d i s p l a y i n gd r e s s i n ge f f e c t t k ss u b j e c tr e s e a r c h e dt h em o d e l sa c t i o ni nf a s h i o ns h o w o fc l o t h i n gv h - t u a ld y n a m i cd i s p l a y a c c o r d i n gt ot h ec o m p u t e rg r a p h i c st h e o r y , w i t ht h ea i do ft h eo p e n g lt h r e e d i m e n s i o n a lg r a p h i c sf u n c t i o nl i b r a r ya n dt h ed e l p h ip r o g r a m m i n gl a n g u a g e ，u s i n g o b j e c t - o r i e n t e dp r o g r a m m i n g ( o o p ) t h o u g h t ，f i n a l l y r e a l i z e st h e s y s t e m a t i c i m p l e m e n t a t i o no fv i r t u a lc l o t h i n g v i r t u a l d y n a m i cd i s p l a yf i e l do fv i e wv i r t u a l m o d e l sa c t i o ns h o wi n t e r a c t i v em o t i o nc o n t r 0 1 t 1 1 i sd i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e st h es k e l e t o na n i m a t i o na n dc o n t r o lo fp o s i t i v ea n d n e g a t i v et ot h ek i n e m a t i cs k e l e t o nt h e o r y , d e s c r i b e di nd e t a i lt oe s t a b l i s ht h eb a s i so f t h e s et h e o r i e sa n dt h er e a l i z a t i o no ft h r e e d i m e n s i o n a ls i m u l a t i o no ft h eh u m a n s k e l e t o nm o d e l sa c t i o ns h o w ；t 1 1 i sd i s s e r t a t i o ni nd e t a i lh o wt oo p t i m i z et h eu s eo f g r i dc o m p u t i n gt e c h n o l o g yt oi m p r o v ec o m p u t e rs p e e dt ；u s eo p e n g l 、j l ，i t i ld e l p h it o a c h i e v et h es y s t e m a t i ci m p l e m e n t a t i o no fv i r t u a lc l o t h i n gv i r t u a ld 、删cd i s p l a y f i e l do fv i e wv i l t u a lm o d e l sa c t i o ns h o wi n t e r a c t i v em o t i o nc o n t r 0 1 t h r o u g ht h es t u d yo ft o p i c si nas i m p l ev i r t u a lc l o t h i n gv i r t u a ld y n a m i cd i s p l a y f i e l do fv i e wt oa c h i e v eas i m u l a t i o no fv i r t u a lm o d e l s a c t i o ni nf a s h i o ns h o w ；i na v i r t u a ls c e n e ，v i r t u a lm o d e l s a c t i o ni n f a s h i o ns h o w a n a l o gt e c h n o l o g y i m p l e m e n t a t i o n , t h eg a r m e n t st h r e ed i m e n s i o n a lh u m a nb o d yc a nb cb e t t e rr e a l i z e di n av i r t u a ls c e n eu n d e rd i f f e r e n ti l l u m i n a t i o ne f f e c t ；f o rd e s i g n e r sd e s i g nw o r k , f o rt h e g a r m e n t ss h o we f f e c t ，p r o v i d e st h eb e t t e rt e c h n i c a ls u p p o r t i o n k e y w o r d s ：c o m p u t e rg r a p h i c s ，o p e n g l ，s k e l e t a la n i m a t i o n , t h es i m u l a t i o nt o m o d e l ，sa c t i o ns h o w 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人为获得江南 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 签 名：望风娟 日 期： 理冗名 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定： 江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文， 并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签幺菥两过裔导师签名：逊 日 期： 矿9 。6 体一 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景 我国是服装大国，纺织服装在我国的工业生产中占有重要的地位，近年来， 我国服装业产值约占全国工业总产值的1 3 左右，总产值年平均递增2 1 ，是国 内发展最快的产业之一，占全国创汇总额的i 6 。中国服装占全球服装贸易总额 的i 6 强，雄居世界服装出口第一大国的地位n 1 。 随着信息化应用在整个行业广泛开展，随着计算机技术的不断发展，计算机 在服装生产中的应用越来越广泛，越来越深入。我国的服装业已经走上了智能化、 信息化之路。 服装c a d 是服装业具有相当科技含量的专业技术工具。使用服装c a d 产品能 提升设计工作效率，提高样板精确度，降低人为误差，简化对操作人员的专业要 求等。 近年来，c a d 技术在取得快速发展的同时，也暴露了发展中的问题，主要表 现在过分强调单元技术的发展，过分强调系统的通用性，忽略了面向设计过程的 产品全生命周期设计，忽略了网络技术的应用，忽略了数据库、特征库的发展等 等n 1 。针对这些问题，结合制造业信息化技术的最新发展，c a d 技术的开发商提 出了面向行业和过程( 产品全生命周期) 的三维数字化设计与展示系统，该系统 已成为近年来国内外研究开发的热点，并视为c a d 技术的深化应用、跨越发展的 唯一出路。 虚拟现实在服装c a d 中的应用以及实现3 d 交互设计一直是c a d 发展完善的 又一个层面位钔。虚拟服装设计与动态展示系统的研发，可以使虚拟服装展示不 受物质条件和空间环境的束缚，可以表现出传统表现手段无法比拟的效果；虚拟 服装展示为服装展示的策划和组织者提供具体的实施依据，策划一场服装展示需 要大量前期准备工作，而职业模特的最高收入已达每日2 5 0 0 0 美元，但在一场虚 拟时装展示中数字化人体模型可以用少得多的资金展示最新的设计，而且更便于 组织：应用计算机技术对服装展示诸多影响因素开展研究，能在设计阶段即可淘 汰不好的方案，节约人力物力；虚拟服装展示为服装电子商务提供了技术支撑。 企业可以通过虚拟服装展示进行网络作品( 产品) 展示，根据顾客的建议对服装 进行修改，然后投入生产，实现设计和销售的紧密结合。 近年来，美、法、德、日和瑞士等国开展了虚拟服装c a d 的研究开发，开始 了基于虚拟现实的服装设计与展示的应用研究。 正是基于这一状况，本课题将进行基于虚拟现实的动态展示的探索。 江南大学硕士学位论文 1 2 国内外服装c a d c a m 技术的研究现状与发展方向 1 2 1 服装c a d c a m 相关技术概述及发展历史 服装c a d c a m 是计算机辅助设计( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ) 和计算机辅助 生产( c o m p u t e ra i d e dm a n u f a c t u r e ) 技术的缩写。服装c a d 实现了服装的款式 设计、结构设计、推档排料、工艺管理等一系列设计的计算机化。服装c a d 一般 用于设计阶段，辅助产品的创作过程，而服装c a m 则用于生产过程，用于控制生 产设备或生产系统。c a d c a m 的优势在于可以缩短从设计到投产的时间、降低成 本等。 所谓三维服装c a d 技术是指通过三维人体测量建立起的人体数据模型基础 上，对模型的交互式三维立体设计，然后再生成二维的服装样板，它主要解决人 体三维模型的建立及局部修改，三维服装原型设计、三维服装覆盖处理、三维服 装效果显示特别是动态显示和三维服装与二维衣片的可逆转换等。其主要技术包 括：在交互式服装设计环境中实现三维人体测量、三维人体建模、三维服装设计、 三维裁剪缝合及三维服装虚拟展示等方面的技术。 虚拟服装设计与展示技术h 1 是指在交互式服装设计环境中实现三维服装虚 拟设计与展示等方面的技术。虚拟服装设计与展示系统的功能是将经缝合系统 “缝合”好的三维服装“穿着在虚拟模特上，使我们能够随时考察面料的悬垂 性、质感和设计的整体效果，同时也能观察到改变面料性能时所展示的不同外在 效果和由人体运动所产生的褶皱及光泽变化等效果，其最终目的在于不经制作实 物服装，便可由电子模特在虚拟现实中完成最终着装效果的预先演示，不仅有助 于服装生产率的提高，更有助于服装设计质量的提高。此项技术始源于9 0 年代 兴起的计算机虚拟现实技术( v i r t u a lr e a l i t y ) 又称灵境技术拍儿印口1 ，即通过计算 机图形构成的三维空间或把其他现实环境编制到计算机中，从而产生逼真的“虚 拟环境，使人在感官上产生一种虚拟环境的感觉。它是一门崭新的综合性信息 技术，它融合了数字图像处理、计算机图形学、多媒体技术、传感器技术等多个 信息技术分支。 1 2 2 国内相关软件系统研究状况 我国是服装大国，但在服装的先进技术方面的研究起步较晚。国内在二维服 装c a d 的研究与应用已经相当成熟，但三维服装c a d 的研发方面，虽已取得初步 进展，实现了三维服装c a d 的设计与展示，但离国外的技术水平还有较大距离。 目前只有香港科技和北京长峰科技公司、北京服装学院、中山大学、杭州爱 科公司、深圳盈宁公司等近年来开始了服装三维覆盖模式款式试衣系统的开发， 且仅有部分软件进入了商品化阶段，比如：2 0 0 7 年9 月6 日和炫试衣软件，国 内首个拥有自主独立的知识产权的三维试衣软件研发成功，该软件可以调整三维 2 第一章绪论 人体模型的身体数据，选用各种服装服饰，选择配饰，选择不同试衣场景，自动 调节灯光等。 1 2 3 国际相关软件系统研究状况 国外的服装c a d 发展较早，相对于国内的三维服装c a d 研发，其在三维服装 c a d 产品在技术方面更加成熟。 目前在国外市场上的三维服装c a d 的主要有两类： ( 一) 利用互联网进行远程控制实现的服装交互式试衣系统：主要用于量身 定做，针对特定客户人体的参数测量及其对服装款式的特定要求进行服装设计， 再生成相应的平面服装样片。其中以美、英、法、德、日、瑞士的系统较为先进。 美国的l a n d s e n d 公司在互联网上可建立顾客的人体虚拟模型，通过顾客 的简单操作，可试穿该公司所推出的服装，还可进行立体互动设计，直到顾客满 意为止。 ( 二) 模拟试衣系统t 通过对顾客体型的三维测量，进行互动服装设计，再 生成相应的平面服装样片。 现在国外的一些产品已基本能实现三维服装穿着、搭配设计并修改，反映服 装穿着运动舒适性的动画效果，模拟不同布料的三维悬垂效果，实现3 6 0 度旋转 等功能。其中美国、日本、瑞士等国家研究开发的三维服装c a d 软件比较先进， 如美国c d i 公司推出的c o n c e p t3 d 服装设计系统、法国力克公司的3 d 系统、 美国格伯公司的a m e e s w3 d 系统、加拿大p a d 公司的3 d 系统、日本东洋纺织 公司的3 d 系统等。 1 2 4 服装c a d c a m 技术的发展方向 织物、服装等柔性材料的虚拟三维生成技术要比其他物体难度大得多。不仅 要建立人体模型，还要建立相应的服装模型，既要涉及数学建模，也要考虑织物 力学分析基础上的物理建模，同时，还要涉及织物纹理、图案、光照、纤维特性 等的真实感反映。尽管如此，虚拟现实的三维服装c a d 技术仍是未来服装工业发 展的主要趋势之一，服装工业正朝着个性化、舒适化和高效化的方向迈进。当前 三维服装c a d 技术的研究与开发虽已初见成效，但要真正达到实用阶段还有很长 的路要走，还存在许多急待解决的问题。总结现有三维服装c a d 技术的发展现状， 服装c a d c a m 技术的发展方向有下面三个方向。 ( 一) 人体自动扫描系统的发展 模型数据的三维扫描是实现人体结构参数化设计和网上满意购衣的基础。目 前，三维人体自动扫描系统已能实现准确、迅速而高效的人体扫描，一次扫描只 须几秒钟便可完成，准确度范围在2l am 。遗憾的是现有三维扫描系统不能去除 头发而测得头部各部位尺寸，加之成本高，没有得到广泛应用。 江南大学硕士学位论文 ( 二) 三维立体样衣的快速设计与制版 丰富样板设计手段，有利于完成用平面样板设计方法难以完成的样板设计。 计算机三维立体样衣因其可视性强，同时又不需设计师和打版师制作服装便可展 现设计构思结果，因而既缩短了服装设计周期，又节约了大量的生产成本，符合 服装高效化的发展进程。 ( 三) 虚拟三维模特的动态服装表演 三维服装c a d 技术的最终目的是模拟虚拟现实环境中人在静止和运动时的 着装形态和效果。目前的三维服装c a d 技术主要停留在静态人模和静态织物悬垂 模型上，而模拟走动的人体姿态和由此引起的动态织物悬垂飘逸美感并非易事， 十分复杂，要想真正实现电子模特在虚拟场景中的自动表演，尚需克服和超越许 多限制条件，也还有待于研究者的努力攀登。 1 3 研究的内容与方法 1 3 1 研究的内容 本课题通过对国内外的三维服装动态展示技术的深入分析与总结，对模拟模 特走秀动作进行深入地研究。研究的内容主要包括骨骼动画的实现、蒙皮绑定骨 骼实现、网格的优化、虚拟视场的构建以及实现对虚拟模特进行交互式控制的研 究。 1 3 2 研究的方法 本课题根据计算机图形学原理利用面向对象编程思想，在d e l p h i 编译环境 下利用o b j e c tp a s c a l 编程语言，o p e n g l 三维图形函数库，实现对模特走秀动 作的模拟。 1 4 研究的目的和意义 1 4 1 研究的目的 本课题通过对骨骼动画、蒙皮绑定以及网格的优化等技术的研究，实现在虚 拟空间中对模特走秀动作的模拟，为虚拟服装展示提供模拟模特走秀的技术支 持。 1 4 2 研究的意义 ( 一) 通过本课题的研究，丰富虚拟服装动态展示技术的研发手段。该课题 的研发解决了虚拟服装动态展示中的模拟模特动作的问题，丰富了虚拟服装动态 展示技术在服装c a d 中的作用，为虚拟服装展示系统研发提供模拟虚拟模特走秀 动作技术方面的借鉴。 ( 二) 通过本课题的研究，丰富了计算机技术在服装的应用。虚拟服装动态 4 第一章绪论 展示系统的应用，对丰富服装的设计手段与营销手段起到了一定的促进作用。 扛南丈学硕士学位论文 第二章系统的配置及编程环境 该系统是利用w i n d o w s x pp r o f e s s i o n a l 操作系统，采用d e l p h i 编程语言进 行开发的。我们将统一采用面向对象的分析o o a ( o b j e c t o r i e n t e da n a l y s i s ) 与面向对象的设计( o b j e c to r i e n t e dd e s i g n ) 思想，采用面向对象建模语言 统一建模语言0 扎( u n i f i e dm o d e l i n gl a n g u a g e ) 刚”：，实现面向对象编程 o o p ( o b j e c to r i e n t e dp r o g r a m m i n g ) 软件开发的软件系统蓝图绘制。 2 1 硬件系统配置 车三三圣k 、驻丢副 计茸机 匿2 1 硬件系统配置囤示 f i g2 1 h a r d w a r es y s t e m c o n f i g u r a t i o n i c o n 系统所涉及的硬件由图2 - 1 所示的两部分组成。由于本系统要处理大量的矩 阵运算，对计算机的显卡要求很高，同时对内存也有比较高的要求。本系统在开 发开发过程中，所使用计算机及打印机的配置如表21 所示 表21 计算机和打印机的配王参数 t a b2 lc o m p u t e rh a r d w a r ec o n f i g u r a t i o n 2 2 操作系统及编程语言 本系统的运行平台是w i n d o w sx pp r o f e s s i o n a l 操作系统。 本系统开发所使用的开发工具是d e l p h i ? ，采用的编程语言是o b j e c t p a s c a l 。 d e l p h i 是b o r l a n d 公司研制的新一代可视化开发工具，可以在w i n d o w s 3x 、 第二章系统的配置及编程环境 w i n d o w s 9 5 、w i n d o w s n t 等操作系统下使用，是一种方便、快捷的w i n d o w s 操作 系统下的应用程序开发工具。它使用了m i c r o s o f tw i n d o w s 图形用户界面的许多 先进特点和设计理念，采用了弹性可重复利用的完整的面向对象程序语言 ( o b j e c tp a s c a l ) 、是当今世界上比较快的编辑器、非常领先的数据库技术n 。 对于程序开发人员来讲，使用d e l p h i 来开发应用软件，无疑会大大地提高计算 机编程效率。 d e l p h i 有一个可视化的集成开发环境( i d e ) ，采用面向对象的编程语言 o b j e c tp a s c a l 和基于部件的开发结构框架。d e l p h i 拥有5 0 0 多个可供使用的构 件，利用这些构件，程序开发人员可以快速方便地设计出应用系统。程序开发人 员还可以根据自己或客户的需要修改构件或用d e l p h i 本身编写自己的构件。主 要特点有一下几点： ( 一) 可以方便地直接编译生成可执行的代码，编译速度相当快。 ( 二) 拥有两种方案支持将存取规则分别交给客户机或服务器处理，并且允 许开发人员建立一个简单的构件或构件集合，封装所有的规则，而且可以独立于 服务器和客户机，所有的数据转移通过这些部件来完成。 ( 三) 给程序开发人员提供了很多快速方便的开发方法，使开发人员尽可能 少的重复性工作完成各种不同的应用。 ( 四) 有良好的可重用性和可扩展性。程序开发人员不必再对比如标签、按 钮及对话框等w i n d o w s 的常见构件进行编程。 ( 五) 具有比较强大的数据存取功能。 ( 六) 拥有非常强大的网络开发能力，它内置的i n t r a w e b 和e x p r e s s w e b 使 得对于网络的开发效率超过了其他任何的开发工具，所以能够快速的开发b s 应 用。 ( 七) d e l p h i 同时还使用独特的v c l 类库，v c l 是现在非常优秀的类库，使 得编写出的程序显得条理清晰，同时也使得d e l p h i 在软件开发行业处于一个绝 对领先的地位。用户可以按自己或客户的需求，任意的构建、扩充、甚至是删减 v c l ，以满足不同的需求。 ( 八) 现在的d e l p h i 8 也开始支持n e t 框架下程序开发。 o b j e c tp a s c a l 是一种计算机通用的高级程序设计语言。它于六十年代末瑞 士教授n i k l a u sw i r t h 设计并创立。以法国数学家命名的p a s c a l 语言现在已经 成为使用最为广泛的基于d o s 的语言之一，p a s c a l 语言的主要特点有：结构化 形式严格；数据类型丰富完备；运行的效率高；查错能力强等特点。正因为上述 的几个特点，在描述各种算法与数据结构等方面使用p a s c a l 语言比其它同类产 品更为方便。尤其是对于程序设计的初学者，同时p a s c a l 语言有益于开发人员 培养良好的程序设计风格和习惯。i o i ( 国际奥林匹克信息学竞赛) 把p a s c a l 语言 作为三种程序设计语言之一，n o i ( 全国奥林匹克信息学竞赛) 把p a s c a l 语言定为 7 江南大学硕士学位论文 唯一一个提倡的程序设计语言，在大学中里p a s c a l 语言也经常被用为学习数据 结构与算法的教学语言。 8 第三童骨骼孳皮动面技术的实现 第三章骨骼蒙皮动画技术的实现 3 1 计算机动画的概述与原理 计算机动画在最近几十年来一直是人们研究的热点。在全球的图形学盛会上， 几乎每年都会有计算机动画的论文和专题等。随着m a y a ，3 d s 、i a x 等功能强大的 三维动画设计软件的应用与普及，计算机动画得到了进一步的发展和状太。目前， 计算机动画已形成一个巨大的产业。 计算机动画的研究开始于2 0 世纪6 0 年代，当时的二维动画较为盛行，三维 动画人们触及的较少。6 0 年代动画主要是通过编程语言来实现，技术性相当强， 只能由计算机专业人员来操作。在2 0 世纪7 0 年代初期，提出了“关键帧动画技 术”的技术，这一技术是利用计算机产生某些关键帧画面的图形或图像，由计算 机自动插值计算出中间帧，这就大大的提高了动画制作的效率。到2 0 世纪7 0 年 代末，交互式二维动画系统被研发设计出来，这种系统能够很方便地被使用，因 为这种系统直观、方便、易于操作，而且不需要掌握很多的关于计算机知识。从 2 0 世纪8 0 年代以来，二维计算机动面得到了进一步的发展和完善，这一时期可 利用计算机模拟制作传统的赛尔( c e l ) 动画片，可以用来辅助传统卡通片制作。 随著计算机图形学技术的不断发展，尤其是真实感图形生成技术、三维几何造型 技术的发展，计算机动画具有了非常逼真的视觉效果，动画控制技术也得到了飞 速发展。关键帧动画法、基于物体的动画法等应运而生，加之高速图形处理器及 超级图形工作站的出现，使得三维计算机动画技术得到了不断的发展，三维计算 机动画的应用也日益广泛，己渗透到现实生活中的诸多方面中，圈3 1 为三维计 算机动画。 囤卜1 计算机动画 f i g3 1c o m p u t e a n i m a t i o n 江南大学硕士学位论文 计算机动画是指应用图形与图像的处理技术，借助编程或动画制作软件生成 一系列的景物画面，其中当前帧是前一帧的部分修改。计算机动画把计算机技术 应用于动画的处理和应用，从而能够达到传统动画所达不到的效果。 三维计算机动画实现机制及原理n 副： 关键帧结构序列封装了动画数据，例如时间戳和关键帧的顺序。这些顺序决 定了特定时刻的动画质量，并且这些动画数据可以被多个活动物体共享。 动画轨迹将动画特性中与关键帧结构序列关联，是一组使得动画系统能够直 接刷新的变量。 动画控制器负责控制动画序列的位置、速度等因素。 关键帧结构序列、动画轨迹、动画控制器三者之间的关系，如图3 - 2 所示： 动画 物体 动画 轨迹 动画 轨迹 每一个动画轨迹都可 将动物体的特性( 例如 位置等属性) 和动画控 制器以及关键帧数据 相关联。多个轨迹可能 拥有相同的特性，在这 种情况下，他们产生的 结果将相互融合。 动画控 制器 关键帧 结构序 列 关键帧 结构序 列 定义了动画的活动时间和速 度以及融合权重。往往多个动 - 画轨迹共用一个动画控制器， 这样使多个物体在动画控制 器的作用下融为一体。例如人 的多个部位组成人体，人体的 活动是整体性质的。 一卜、嘉，磊三荨哥竿翥誓嚣蕃 ： 性，并且之间的插值方式， 能够被多个动画对象共用 图3 - 2 计算机动画实现机制及原理 f i g 3 - 2c o m p u t e ra n i m a t i o nt oa c h i e v et h em e c h a n i s ma n dp r i n c i p l e 3 2 实时角色动画的分类 三维角色动画是三维计算机动画技术中一个重要制作动画的技术，也是计算 机图形学的一个分支。三维角色动画是最有挑战性也最有成就感的三维计算机动 画形式之一。角色动画无论是在离线渲染的环境下，还是在实时交互的渲染环境 下，角色动画都得到了相当广泛的应用。在离线渲染的环境下，主要应用于各种 动画电影制作和各类广告的制作。动画数据量大是动画电影制作中所使用的角色 动画技术的一个重要特点，渲染需要耗费大量的时间，因此现在的动画作品必须 预先制作和渲染，然后转化成视频文件来播放。在实时交互的渲染环境下，主要 是应用于虚拟现实，视频游戏，甚至是建模软件，动画制作软件等。当今，随着 计算机硬件技术的不断发展，特别是带有硬件加速功能的显卡性能的不断提高， l o 第三章骨骼蒙皮动画技术的实现 很多曾经只能在离线环境下应用的技术，都转移到实时交互渲染环境中来。其中， 实时渲染的角色动画技术得到了发展且已被广泛的应用于各种领域。目前，实时 的角色动画技术大体可分为三种类型u 副。 第一类是关节动画( s k e l e t a la m i r n a t i o n ) 。在关节动画中，由若干独立的部 分组成的角色。每一个独立的部分对应着一个独立的网格模型，不同的部分按照 角色的特点组织成一个层次结构。比如说，一个人物模型可以由头、上身、左上 臂、左前臂、左手、右上臂、右前臂、右手、左大腿、左小腿、左脚、右大腿、 右小腿、右脚等各节点组成。而某一个节点可能是另一个部分的子节点，同时也 是另一个节点的父节点。比如说上面的人体模型中，右前臂就是右上臂的子节点， 同时也是右手的父节点。而右上臂是上身的子节点，后者则是躯体的子节点。通 过改变不同节点之间的相对位置，比如夹角，位移等等，就可以很容易的实现所 需要的各种动画效果。这类动画的优点也是非常多的。第一，在动画序列的关键 帧中只需要存储节点间的相对变化，所以动画文件占用的空间小。第二，可以实 现很多复杂的动画效果，如果应用程序支持正反向动力学原理还可以动态实现预 先存储的动画序列之外的新的动画效果。当然这种动画类型也有许多的缺点。其 中之一就是在关节动画中，一个复杂的物体是由许多刚性分段组成的，只需分别 为这些段定义运动，即可以组成人体较复杂的运动。这种动画类型的一个致命缺 点是会在段与段之间相连接的地方出现明显的接缝，在做某些动作时会出现段与 段分离的现象。 第二类是渐变动画( m o r p h i n ga n i m a t i o n ) 。这种类型的动画中的角色由一 系列的渐变网格模型组成。在动画序列的关键帧中记录着组成网格的各个顶点的 新位置或者是相对于原位置的改变量。通过在相邻关键帧之间插值来直接改变该 网格模型中各个顶点的位置就可以实现动画效果。相对于关节动画，单一网格模 型动画的角色看上去更真实，也不会有关节动画所面临的接缝问题。由于没有使 用层次模型，获得模型网格顶点在世界坐标中位置的计算量也很小。但是，这类 动画的适应性很弱，角色很难通过实时计算来与环境进行良好的互动，以获得预 先存储的动画序列之外的动画效果。另一方面，由于关键帧要存储网格模型所的 顶点信息，动画文件占用的空间比关节动画所占用的空间大。 第三类是骨骼蒙皮动画( s k i n n e dm e s h ) 。骨骼蒙皮动画就是关节动画和渐 变动画的结合体。骨骼蒙皮动画同时兼有关节动画的灵活和渐变动画的逼真。在 骨骼蒙皮动画中，作为皮肤的单一网格模型和按照一定层次组织起来的骨骼组成 一个角色。骨骼的层次结构也就是描述了角色的结构，就像关节动画中的不同部 分一样，在骨骼蒙皮动画中，骨骼按照角色的特点组成一个层次结构。相邻骨骼 通过关节相连，并且可以作相对的运动。为了实现不同的动画效果，可以通过改 变相邻骨骼间的夹角、位移、组成角色的骨骼就可以做出不同的动作来实现。皮 肤则作为一个网格蒙在骨骼之上，规定角色的外观，也就是骨骼蒙皮动画中所述 江南大学硕士学位论文 的蒙皮。这里所描述的皮肤并不是刚性的网格，而是可以在骨骼影响下变化的一 种可变形网格。组成皮肤的每一个网格顶点都会受到一个或者多个骨骼的影响。 在顶点受到多个骨骼影响的情况下，不同的骨骼按照与顶点的几何关系和物理关 系确定对该顶点的影响权重，这一权重可以通过建模软件计算，也可以通过手工 设置。想要得到该顶点在世界坐标系中的正确位置，就必须计算影响该顶点的不 同骨骼对它影响的加权和。动画文件中的关键帧一般保存着骨骼的位置，朝向等 信息。动画序列中相邻的两个关键帧间插值可以确定某一时刻各个骨骼的新位置 和新朝向。然后按照皮肤网格各个顶点中保存的影响它的骨骼索引和相应的权重 信息可以计算出该顶点的新位置。这样就实现了在骨骼驱动下单一皮肤网格变形 动画。 骨骼蒙皮动画的效果要比关节动画和单一网格动画更逼真，更生动。而且， 随着3 d 硬件性能的不断地提高，越来越多的相关计算可以通过硬件来完成，骨 骼蒙皮动画已经成为各类实时动画应用中使用最为广泛的计算机动画技术。 本论文采用骨骼蒙皮动画技术来实现虚拟三维模特舞台走秀的效果。 3 3 骨骼蒙皮动画技术的实现 模特在舞台上的走秀动作各种各样，都是为了能够更好的展示服装穿着的效 果，现实模特走秀的动作是靠骨骼的运动来完成各种动作，骨骼在人的运动中起 到了至关重要的作用，而用骨骼蒙皮技术来实现虚拟模特走秀动作的模拟，也是 运用虚拟的骨骼运动来实现虚拟三维人体的各种动作，再运用蒙皮绑定的技术来 使得虚拟的模特走秀动作更加逼真。 3 3 1 骨骼动画技术的实现 制作人、动物、昆虫和其他生物动画的一种基本技术是利用关节链形体建模。 关节链形体是由一系列依次相连的刚体连接而成的开链，两刚体的连接点称为关 节，连接两相邻关节的刚体称为链杆，它可抽象为一条直线段。虽然在机器人学 中存在旋转和平移两种关节，在计算机动画中通常采用的是旋转关节。关节链的 起点称为根节点，其自由末端称为末端影响器n 劓。 层次树是一级一级组合起来而形成有层次的一个系统。这种结构可理解为一 棵根部朝上的大树，它由树干和树枝及更小的树叶组成，其中树叶被称为是末端 物体，也就是层次树的最后一级。通过层次树把物体的各部分有机的联系在一起。 需要明确物体间运动的关联及影响，利用层次树结构可较好地建立物体及其各部 分间的连接，使设置动作显得简明而轻松。用层次树结构描述的人体模型的层次 结构如图3 3 所示： 1 2 第三章骨骼蒙皮动画技术的实现 图3 - 3 人体模型的层次结构 f i g 3 - 3t h el e v e lo f h u m a ns k e l e t o nt r e e 通过层次树把人体的各个关节有机地联系在一起。人体的几个骨架简化模型 的关节链是： 躯干链：腰关节胸关节颈关节 上肢链：肩关节肘关节腕关节手关节 下肢链：股关节膝关节踝关节脚趾关节 人体骨架就是运用关节链原理建立的虚拟的人体骨骼如图3 - 4 所示，可以通 过骨骼的平移，旋转等来实现虚拟人体各种动作的模拟。 江南大学硕士学位论文 图3 4 人体骨架圈 f i g3 4 h u m a ns k e l e t o nd i a g r a r i l 在动画控制技术中，正向运动学和反向运动学运用相当广泛，是一种控制虚 拟骨骼关节运动的有效方法。仅仅是通过骨骼的平移旋转来实现虚拟模特走秀的 模拟是很团难的，运用正反向运动学的原理来控制骨骼关节的运动就更为方便， 快捷。运用这中技术来完成虚拟三维模特走秀动作的模拟，能够达到更为逼真的 效果。 ( 一) 正向运动学 1 ) 骨骼正向运动学的概述 骨骼的正向运动是子骨骼跟随父骨骼的运动规律，即在正向运动时，子骨骼 的运动跟随父骨骼运动，而子骨骼按自己的方式运动时，父骨骼不受影响。正向 运动的概念可以理解为：如果模拟制作一只动物活动的动画，将动物的身躯设为 父骨骼，头为子骨骼。当动物躺下时，身躯( 父骨骼) 向下，头( 子骨骼) 也跟 着向下运动；而当头( 子骨髂) 左右转动时，身躯( 父骨骼) 不受影响。 2 ) 骨骼正向运动学的实现 正向运动学的基本问题是得到作为旋转角度函数的末端效应器位置的求解 公式。运动方程通常是非线形方程组，求解过程比较复杂可能产生多重解或无 解。般采用d h 方法建立运动学方程，d h 方法就是建立虚拟人体空间树形关 节运动坐标系： 第三章骨骼蒙皮动画技术的实现 目标状态d o 图3 - 5 上肢链 f i g 3 5u p p e rc h a i l l c 脘关节 以图3 5 上肢链为例，末端关节点是腕关节c ，人体上肢有四个自由度( d ， 口，7 ) ，分别为肩的移动位移关节口、肘转动关节和腕转动关节y ，d 为 手关节不影响操作度。各个关节又有自己的自由度：肩关节旋转自由度( ， 岛) ，肘关节旋转自由度( 幺，岛，皖) ，腕关节自由度( 岛，岛，岛) 。二， 个m_ 一 ，“ 如果设目标矩阵为。g ，1 口，1 ，分别为三个关节的旋转矩阵，i i 为肩关 节到肘关节的变换阵，。2 为肘关节到腕关节的变换阵。每个关节的三个轴上的旋 转角度确定关节的旋转，如，确定了口旋转角，则其欧拉变换矩阵为 足歪么沱芦 c o s z - s i n z0 0 c o s z c o s z00 o o10 0 00l c o s y o s l n 少 0 0 s m y0 1oo 0 c o s y 0 oo1 1o 0c o s x 0s i n s 0o oo s mo c o s x0 o1 工，y ，z 分别表示包，e ，芝。有了这个变换矩阵通式，心，r p ， 变换矩阵都可以表达出来。那么上肢运动链可以表示为： o t = 疋互乃正巧i ： ( 3 1 ) r ，的 ( 3 2 ) 由于骨骼的长度是已知的，因此，变换矩阵中的旋转角度是变量，设审旋转角 度或者关节的位置变化，各个关节的变化过程也就确定了。 ( - - ) 反向运动学 1 ) 骨骼反向运动学的概述 骨骼的反向运动与正向运动刚好相反，是父骨骼跟随子骨骼运动的系统。举 江南大学硕士学位论文 个手臂动画的例子，只移动腕部( 子骨骼) 的目标，整条手臂( 父骨骼) 就会一 起动起来。 2 ) 骨骼反向运动学的实现 通过指定末端关节的位置，计算机自动计算出各中间关节的位置，这种方法 一般称为反向运动。采用反向运动学求解的一个优点是可以对关节的某些关键位 置设定约束。带约束的关节动画常采用逆运动学求解，这相当于从众多的解中选 取一个满足约束的解。 同样以图3 - 5 上肢链为例，由于骨骼的长度是已知的，c ( x ，y ，z ) ，d ( x ，y ，z ) 已知，要控制上肢运动，就需要求解各关节旋转角口，7 。 设末端效应器位置的变化为p = ，则随相应的关节角度y 口的变化为： = 形 ( 3 3 ) ( 3 3 ) 式中，是系统雅可比矩阵。雅可比矩阵是关节位置和关节角度的改 变比率。j 的行长度是r l ，1 2 为空间维数；j 的列长度是3 m ，m 是组成运动链的关 节数。这时，用雅可比伪逆，+ 进行微分运动反解： = ，+ 吆+ 口( ，一+ d 屹 ( 3 4 ) ( 3 4 ) 式中口为比例因子，为单位矩阵，是最小化约束因子。在运算 中，+ 是的伪逆矩阵，设有，= 以，j , 是- - + k l 的矩阵，以是一个1 刀的 矩阵，j + 表示为： + = 片( - ，：扩( ，- 以) 1 0 ( 3 5 ) 反向运动学方法在一定程度上减轻了正向运动学方法的繁琐工作，用户通过 指定末端关节的位置，计算机自动计算出各中间关节的位置。 ( 三) 骨骼动画技术的实现 运用反向运动学来设置末端关节的位置，利用正向运动学的原理来对骨骼的 运动适当做调整，从而使骨骼达到逼真的运动效果，以人走路的运动规律来设置 骨骼，人体骨骼动画如图3 6 所示： 1 6 第三章骨骼蘩皮动画技术的实现 囤3 - 6 人体骨骼动画 f i g , 3 - 6 h t t m a ns k e l e t o na n i m a t i o n 人体的骨骼已经建立，而且运用骨骼动画的技术来模拟人体的各种动作。但 是模拟三维人体光建立骨骼肯定不够的，所以在骨骼外面我们还要添加象皮肤一 样的物体，这层物体叫做蒙皮，蒙皮是由三角形面片组成的。蒙皮覆盖住骨骼， 这样就完成了三维人体的模拟。 3 3 2 网播优化的概速与实现 由于模特走秀的模拟，不只是能够完成模特走秀的各种动作就可以了，服装 的款式多样，所以要完成一个完整的虚拟三维模特的动态服装展示系统，还必须 考虑蒙皮问题。如果蒙皮所包含的三角面片多而复杂，会很大的影响计算机的运 算速度，还有对计算机的显卡等也会有更高的要求。所以必须对蒙皮进行网格优 化，这样可以大大的提高计算机的运算速度。 ( 一) 网格优化的概述 本系统的所提到的蒙皮是由三角网格组成的。 网格优化包括两个主要方面；一是网格简化，很多三维网格模型由大量的三 角形构成，如果不进行优化，在计算机处理中就会占用大量的存储空间，在装载、 处理和阿络传输时也占用大量的