（计算机应用技术专业论文）基于图像的人群绘制技术研究.pdf

摘要 摘要 传统计算机图形学，涉及到建模、消隐、投影、裁剪和光照明等计算，对于 人群这样的大规模场景，现有的计算机硬件无法实现几何场景的实时绘制。基于 图像的绘制技术目前已在图形学领域引起了极大的关注，它在图像合成方面的 强大优势给传统基于几何绘制技术带来了另一种选择。随着对虚拟人绘制真实感 和实时性要求的不断提高，基于图像的人群绘制也成为了一个研究热点。 基于布告板( b i l l b o a r d ) 的绘制系统有着广泛的应用，因此本文首先对此技 术做了介绍并实现了一个基于布告板的人群绘制系统，实验结果证明基于布告板 的绘制在对于视点较远时能得到较好的绘制速度，但与此同时，由于人群的群聚 性，当视点连续变化时绘制的真实感不能得到保证。 基于渲染到纹理( r t t r e n d e rt ot e x t u r e ) 的绘制技术在解决大规模场景绘 制有着广泛的应用，因此本文对此技术做了介绍，基于此技术实现了一个基于渲 染到纹理的人群绘制系统，实验结果证明这种技术在人群绘制上可以和基于几何 的人群绘制达到同样的真实感，但是由于此技术是基于两遍绘制，因此绘制速度 会下降一半，因此如果能结合l o d ( 细节层次) 和g p u ( 图形处理单元) 那么这种技 术在大规模人群绘制有着很好的应用。 基于深度图像的几何模型绘制从另一个角度弥补了传统基于几何绘制技术 的不足，它绘制速度更快、与模型复杂度无关而且对资源要求更少，因而对于大 数据量几何模型的简化和实时三维仿真具有重要的研究价值。因此本文将深度图 像的绘制技术引入到人群绘制中，可以使得在漫游时得到真实的全方位的人群图 像。针对基于深度图像绘制技术领域的3 d w a r p 算法，介绍了透视投影下的 3 d w a r p 算法，实现了一个球面投影采集系统并且成功将3 d w a r p 算法移植到 了g p u 中，实现了一个基于此算法的g p u 版人群绘制系统。 关键词布告板；渲染到纹理；细节层次；图形处理单元；3 d w a r p a b s t r a c t a b s tr a c t t l et r a d i t i o n a l c o m p u t e rg r a p h i c sp i p e l i n e ，i n v o l v i n gm o d e l i n g ，h i d d e n ， p r o j e c t i o n ，c l i p p i n ga n dl i g h t i n gc a l c u l a t i o n se t c ，f o rs u c hal a r g e - s c a l ec r o w ds c e n e s ， t h ee x i s t i n gc o m p u t e rh a r d w a r ec a nn o ta c h i e v er e a l t i m e r e n d e r i n g i m a g e b a s e d r e n d e r i n gt e c h n o l o g yh a sb e e ng r e a tc o n c e r ni nt h eg r a p h i c s i ti sa i la l t e r n a t i v ec h o i c e a sp o w e r f u li m a g es y n t h e s i sa d v a n t a g e st ot h et r a d i t i o n a lg e o m e t r y b a s e dr e n d e r i n g t e e h n o l o g y w i t ht h er e a l i s t i cr e n d e r i n go fv i r t u a lh u m a n sa n dr e a l - t i m er e q u i r e m e n t s ， l a r g e s c a l ec r o w dr e n d e r i n gb a s e d - o ni m a g eh a sb e c o m ear e s e a r c hh o t s p o t b a s e d o nt h eb i l l b o a r dr e n d e r i n gs y s t e mh a saw i d er a n g eo fa p p l i c a t i o n s ，t h i s p a p e rf i r s ti n t r o d u c e dt ot h i st e c h n o l o g ya n da c h i e v eac r o wr e n d e r i n gs y s t e mb a s e d o nb i l l b o a r d ，e x p e r i m e n t a lr e s u l t sp r o v et h a tt h eb i l l b o a r dc a ng e tab e t t e rr e n d e r i n g s p e e dw i t ht h em o r ed i s t a n tv i e w p o i n t ，b u ta tt h es a l d _ et i m e ，a st h ec r o w dg a t h e r e d ， a n dw h e nt h ev i e wc h a n g e sc o n t i n u e st h er e a l i s t i cr e n d e r i n gc a nn o tb eg u a r a n t e e d r 订( r e n d e rt ot e x t u r e ) h a saw i d er a n g eo fa p p l i c a t i o n so nr e n d e r i n gt h e l a r g e s c a l es c e n e s ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e dt h i st e c h n o l o g ya n db a s e do nt h i st e c h n o l o g y a c h i e v ear 1 v rc r o w dr e n d e r i n g s y s t e m ，e x p e r i m e n t a l r e s u l t sp r o v et h a tt h i s t e c h n o l o g yc a na c h i e v et h es a m er e a l i s t i cw i t ht h ec r o w dr e n d e r i n gs y s t e mb a s e do n t h eg e o m e t r y , b u tb e c a u s et h et e c h n o l o g yi sb a s e do nt h er e n d e r i n gt w o p a s s ，s o r e n d e r i n gs p e e dw i l lb eh a l v e dt ob i l l b o a r dc r o wr e n d e r i n gs y s t e m i t sag o o di d e a li f w ec a ni n t e g r a t el o d ( l e v e lo fd e t a i l ) a n dt h eg p u ( g r a p h i c sp r o c e s s i n gu n i t ) w i t h t h er t t t e c h n o l o g y b a s e d - o nt h ed e p t hi m a g eg e o m e t r i cm o d e lf r o ma n o t h e rv i e w p o i n tt o r e p l a c e f o rt h et r a d i t i o n a lg e o m e t r y b a s e dr e n d e r i n gt e c h n o l o g y , i t sf a s t e rr e n d e r i n gs p e e d ， i n d e p e n d e n tt h em o d e lc o m p l e x i t ya n df e w e rd e m a n d so nr e s o u r c e s ，w h i c hf o rl a r g e a m o u n to fd a t aas i m p l i f i e d g e o m e t r i cm o d e la n dr e a l t i m et h r e e - d i m e n s i o n a l s i m u l a t i o ni sa ni m p o r t a n tr e s e a r c hv a l u e t m sp a p e rt h e r e f o r er e a l i z ec r o w d r e n d e r i n gs y s t e mb a s e do nd e p t hi m a g et e c h n o l o g y , u s e rc a nr o a m i n ga l l r o u n dc r o w d i m a g e 。i n t r o d u c e dt h ep e r s p e c t i v ep r o j e c t i o no f3d w a r pa l g o r i t h m ，r e a l i z a t i o no fa h a l f - s p h e r i c a lp r o j e c t i o na c q u i s i t i o ns y s t e ma n dt h es u c c e s so f3 d - w a r pa l g o r i t h m w i l lb ep o r t e dt ot h eg p u ，a n dt h er e a l i z a t i o no fc r o w dr e n d e r i n gs y s t e mb a s e d - o n g p uv e r s i o n3 d w a r pa l g o r i t h m k e y w o r d sb i l l b o a r d ；r t t ；l o d ；g p u ；3 d w a r p i i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个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，也不包含为获得北京工业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了谢意。： 签名：拉鳖堡日期：竺! 拿! 皇：2 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：茎丕堑焦 导师签名； 日期：上咀t 弓 第1 章绪论 第1 章绪论 图形学的快速拨擂撇计算机能够将人们在自然界看到的、假想的景物，借助于中 央处理器和图形处理器在内的计算机硬件，逼真地模拟、或j 恿过创造再现展示在人们面 前。人在计算机生成空间( 虚拟环境) 中的几何特性与行为特性的表示主要用于医学、体 育、新闻报导等方面，成为虚拟解剖对象、运动分析的对象和主持 的替代者。逼真性 要求不高的单个虚拟人的实时显示，随着制造技术的进步和研究者的努力在当今的计算 机上已经微不足道。由于人的社会性，大规模人群一直是人们研究与分析的重点。大规 模虚拟人群的显示则是这种研究与分析的有力工具，有助于三维可视化地分析剧院、博 物馆、体育场馆、战场、商业区等场所中的人群运动规律。然而，由于现黼机软硬 件条件的限制，虚拟人的大规模显示直受到制约，并已严重影响了其应用范围【l j 。 大规模虚拟人的显示在技术方面存在的难点，主要是由场景规模和虚挖f 的逼真等 特i 生的要求，包括个体的独立性、运动陛、场景的规模、逼真性和实时性要求等共同决 定的，它们导致传统方法在应用上存在不同程度的问题，这些都是人群绘制研究的起点 和基础。基于图像的绘制技术已在图形学领喊引起了极大的关注，它在图像合成力面的 强大优势给传统基于几何绘制技术带来了另种选择。基于深度图像的1 何模型绘制则 从另个角度弥补了传统基于几何绘制技术的不足，它绘制速度更快、与模型复杂度无 关而且完全可以移植到g p u 中等特性，因而对于大数据量门何模型的简化和实时三维 仿真具有重要的研究价值。 1 1 研究背景及意义 电影泰坦尼克号中船体触冰后的场面至今让人记忆犹新，其中从5 0 英尺高的 船身跳往水中的动作，对于普通人来说是非常危险的，因此，影片中通过预先捕获的运 动数据和大量虚拟 体角色，模拟了这类场景，从而创造了令人震撼的效果。大规模虚 拟人体的显示不光用于影视，也可用于古遗迹的恢复。瑞士联邦技术研究所的虚拟现实 实验室做过欧洲项目e r a t o 的一部分，用于恢复位于罗马帝国l y d i a 省的省会 a p h r o d i s i a c 城的剧院o d e o n ，o d e o n 建于公元2 世纪而于4 世纪毁于场地震。作为文 化遗产的部分，为生动地恢复出当时的场景，需要模拟出为数众多、且非常活跃而不 愿沉默的古罗马观众；同现在剧院里的情况类似，他f f 侑着丰富的动作，如鼓掌，欢呼， 奚落演员，跺脚，尖叫，同邻座不停地交谈等。如此丰富的场景也是大规模人群绘制技 术的用武之地。此外，紧急疏散模拟也需要具有一定规模的虚拟人：荷兰v s t e p 公司 的个用于技能训练的产品中，为向接受培训的学员提供逼真阼! 掾，模拟出个起火时 北京i 业 学i 学硕 位x 乘客逃逸的场景巳工设身处地的方式激发学员的操纵意识。著名足球游戏f i f a 在场景 中也逼真地模拟出了球员和数量众多的观众，提高参与者的热情和场景的逼真雕”。 由此可见，大规模虚捌 场景的绘惰着非常广泛的应用，具有很高的应用价值和 很好的应用前景。 ( a ) 古罗马o d e o n 剧院的恢复 a n c 毓r o m e t h e 删。n h e 恤折c 咖n 著名足列械f a 中的逼真场景 l 如啡e 瑚如m f a m o u s f 讽g m e 圈人群绘制系统自猢 f 1 目北1 - 1a p p i 跏0 n o f a d w d 嘲讪抛g 咖 国外的人群绘制技术的发展较国内早得多，尤其列a 群疏苛中”1 的仿真已有2 0 多年 第1 覃绪论 的历史了，而且已开发出了相对成熟的 君事膜捌的软件，其中应用比较广泛的有英国格 林威治大学火灾安全工程研究室的s m r t f i r e 和b u il d i n g e x o d u s 等。这两个软件都是 模拟人群疏散的软件，但是这些软件中的人体模型十分粗糙，并且人体的动画缺少真实 感。而国内在这方面的研究则出现相对较晚，对大规模的人群绘制的研究还处于起步阶 段，而且没有个产品化的成果应用到实际中。下面简要介绍下入群模拟绘制技术的 发展过程吲。 1 9 8 7 年，r e y n o l d 4 1 等 提出了模拟动物和鸟的群体动画，他分析了群体动画的行 为特征，根据这些行为来梗挠秀镌勿群体。这种力、法的算法简单，模拟出来的 群效果比 较真实，后来的很多方法都是基于这种方法的。1 9 9 4 年，m a t a r i c n 等人，在模拟人群 动画时，让单个虚拟人体有学习的能力，能够通过以往的经验做出同样的动作。这种方 法使得人群模拟更加智能化。1 9 9 7 年b o u v i e r 6 等人提出了粒子系统，将人群中的每个 人看成是个粒子，然后根据物理学中动力学的方法来分析每个 的速度，方向，位置， 这种方法虽然能够模拟出较为逼真的人群动画，但是计算量很大。同年，b r o g a n l 7 1 等人 也对这种方法进行了研究。2 0 0 1 年，s o r a i a t s 等人提出了分层的人群系统模型，将人群 分为人群，团队，单个人体的行为。主要分析团队的行为来模拟整个 、群的行为。这种 方法模拟的人群效影亘真，并目绘制速度快。2 0 0 3 年，a o r i a n a n 等 模拟了在紧急人 群疏散中，人与a 2 _ 间的交互行为以及团队之间的行为，这种力怯只适合模拟人群紧急 疏散的隋景。同年，h e i g e a s i o 】等人，提出了个模拟紧急人群疏散的系统，他用物理 学中动力学的方法模拟了人群的一些特有行为，模拟了单个人群有秩序地行走和两群人 相交的情形。这种用动力学模拟出来的人群效果是逼真的，但是计算量很大。 随着图像技术的发展，图像建模技术越来越成熟，人们开始思考使用图像技术绘制， 人群的方法，并最终于2 0 0 2 年伦敦大学计算机科学系的图形研究员f m c ot e c c h i a 【l l j 等 成功实现了基于i b r 的人群绘制方法，该方法是使用二维图像替代虚拟场景中的三维虚 拟人，绘制效率大大提茬护5 1 。 在实际应用中， 群绘制技术主要使用细节层次法和基于图像绘制法两种，这两种 技术都能绘制较为真实的人群，他们也是现今人群绘制方法的研究热点。下面将对细节 层次法和基于图像的绘制法技术分别作介绍。 1 2 1 细节层次法 由于般的三维网格是非常复杂的，绘铝i 上速度非常慢，为了达到实时性，同时考虑 到人的视觉特性距视点越远物体的细节越容易被人眼忽视，于是人们提出了细节层 次法( l e v e lo fd e m f l ，简称l ( ) d ) 。它最初是针对八j 伺物体的实时绘制提出的，后 在实时的人体动画系统中推广使用，形成了基于动作细节层次的实时人体动画j j 5 i 术。由 北京工业大学工学硕士学位论文 曼曼曼曼曼曼曼曼鼍曼鼍曼曼曼曼鼍曼i i i i 皇曼! 曼曼曼! 鼍曼! 皇曼鲁曼曼鼍曼曼鼍曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼鼍 于组成人群的基本单位是单个虚拟人，这种技术很快应用到三维人群的绘制。在19 9 4 年，h e c k b e r t l l 2 j 等人提出细节层次法，用简化的方法从复杂的几何模型生成简单的几何 模型，根据一定的规则调用不同的几何模型，从而提高了绘制速度。这种方法适用于大 型场景的实时绘制。图1 2 显示了不同的细节层次，从左到右细节层次依次上于p 。 图l - 2 层饮细节法 f i g u r e1 - 2l e v e lo f d e t a i l 1 9 9 5 年，j o h n 1 3 j 等人把细节层次法用到了人体动画中，通过删减关节点从复杂的动 作信息生成简单的动作信息，从而提高绘韦啦被。他的动画系统适用于人体实时动画仿 真，但要通过多台计算机分布式处理。1 9 9 7 年，c a d s o n 【1 4 j 等人提出了单腿物体的动画细 节层次法，他综合了包括动力学和运动学等几种经典的方法，根据他们的复杂度不同， 形成不同的细节层次。这种方法适用于简单骨骼模型的实时动画，如单腿物体，但对人 体这样复杂的骨骼模型没有提出很好的解决方法。2 0 0 0 年，( ；i 锄寸1 5 j 等人继承了c a s l s o n 1 6 j 的方法并提出了人体动画自适应细节层次的方法。他综合了动画细节层次法和几何细节 层次法。这种方法适用于人群动画，但依然没有很好的实现实时l 生。2 0 0 2 年，c a r o l 等 人继承了g i a n g 的方法，在吼鹕的基础上引入入体行为细节层次，为每个虚拟 舔加 了个性行为。这种方法增加了人体的个性，适用于个性 群的仿真，但是对实时性没有 改进。而d m l m a n n 【1 7 1 81 9 2 0 1 领导的小组在2 0 0 1 年开发的v i c r o w d 系统是此方法的个 成功的案例。下面简要介绍j 下该系统。该模型是个分层模型，该分层模型由实时仿 真群人的群、组和个体构成，在同组内的个体有相同的路径规划。每组都有由用 户指定的般行为，但是个体的行为由随机过程通过组行为创造。这就意味着在同组 内的所有个体有共享的趋势( 倾向) ，因为它们有预先制定的_ 般行为。组行为可以被 定义为到达某个目标，这个目标可能是个区域，或一条线段，或动作，也可能是关键 帧序列等。该系统的优点在于对虚拟人的行为控制能力强，它给虚抱l 定义了很多的特 性，如：知识、信仰等等，使得虚拟 和真实的人的行为很相近。缺点是系统复杂，绘 制效率不高，不适用于绘制大规模 群( 该系统在达到实时绘制的情况下，场景中的虚 拟人最多只能在2 0 0a j a x , ) 。图l _ 3 是v i c m w d 系统结果截图。 122 基于图像的绘制 图1 - 3v i c t o 州系统 f 岫i - 3v i c r 口州掣m 随着虚拟环境的复杂度越来越高，人们对虚拟场景中虚拟人的要求不再只是绘带0 几 个棒0 设计的虚拟人了，而是要求绘制大规慎具有较强真实感的人群且要求达到实时 绘制。而传统的使用三维网格模型和细节层移滗靠蚶爿始制的虚拟人群虽然招有放好的 真卖| 生和立体效果，但它很难达到实时绘制大规模 群的要求。为此人们提出了将基于 图像绘制( 懈b a 刚r 口d 谢n g ，简称i b r ) 技术用于 群绘制9 2 趔，并最终在2 0 世 纪9 0 年代束发展并逐渐成熟起来。基于图像的绘带岐术利用二维的图像信息来表达、 绘伟蝉易景，以达到比较好的真实感和实时性。由于它脱离了对象的3 d 结构，所以绘制 时与场景的复杂度是无关的，它能在绘制复杂的场景和大规模人群时达到较好的实时 性，同时还具有一定的真实感。伦敦大学计g n n 学- 系的图形研究员f r a n c ot e c e h i a 、 y i o r g o s c h r y 女l n t h o u 和c e l i n e l o s c o s 为创建人口密集的城市环境开发了个实时系统， 该系统正是使用该技术绘制人群动画的卟典型实例，该小组发表了多篇相关学术论 文参见斟”捌。该系统睫用基于图像绘制的技术来保证绘制的实时性和一定层度的真 实感，并用基于硬件的冲凳俭出来避免虚拟 之间，咀及虚拟 与环境( 该系统要求虚 拟环境为2 5 维，即二维平面图加上高度场) 中的物体之间的相互碰撞。该系统的优点 北京i 业大学i 学坝镕女 在于能达到实时绘制( 在绘制1 0 0 0 2 0 0 0 个虚捌 时能完全达到实时，而在绘制i t 3 0 0 0 个虚拟凡时也能达到1 1 1 3m 如秒) 、人群规模大( 能达到1 0 0 0 0 个虚拟人以上) 、对硬件 要求1 氏( 在普通的兼容机上就能实现) 。但该系统的缺点也很明显人群的行为控制 能力差，不能为虚拟人设计行进路线，自啦c 群t 殳有感知能力，和真实的 群差别较大。 图1 _ 4 是该系统的幅结果截图。 图1 4 基于图像的人黼嵊统i 垂彳试图 f i g u r e l 4 s r 。p s h m 缸_ 1 1 l d 副略目s 晒nb a 抽h a g e 123 基于几何与图像的混合模型简化 基于几何与图像的混合模型简化方法( m o d e ls i m p l i f i c a t i o n 血l 】gi t t ”铲a n d g e o m e t r y - b a s e d m 商唧由乔治亚大学计算机 4 学系的p e t e r l i n d s t r o m 于2 0 0 0 年1 1 月 在其博士论文中提出。p e t e r l i n d s 打0 m 的方、法是，首先对几伺模型进行1 2 个方向的绘制， 得到1 2 幅图像，然后由这些图像剞亍3 d w a r p 算法的w 叩变换，最后进行图像合成。 p e t e r l i n c h t a o m 的建模方法由于对模型趟亍较高密度的采样其绘制精度高于o h v e i m i z 8 1 的方法，但是，其建睫蛾时间复杂度也同时升高，并且当几何模型本身铰为简单时， 该煮岳电同样得至1 2 幅图像，其图像绘制时间将高于几何模型绘制时间，因此，p e t e r l i n d s t m m 的建模方法更适于具有较大模型复杂度的几何模型，而对具了简单复杂度的几 何模型，该方法刚氐了绘制效率。 基于几何与图像的混合建模与绘制算法及系统表明，基于刖可与图像的混合黻与 第1 章绪论 绘制技术已取得了一定的进展，并正成为个晰的研究热点。随着该领晦蚵院的深入必 将产生更有意义的成果。 1 3 本文的研究内容 本论文主要研究基于图像的大规模人群的实时绘制技术，因此本文采用了基于深度 图像绘制的人群绘制技术，以达到大规馍 群的实时绘制。 中本文主要研究以下几方面的工作： l ：传统的基于图像的人群绘制技术研究国萌乏方法、纹理切换、i m p o s t o r 、b i l l b o a r d 等技术) 。 2 ：基于深度图像的绘制技术研氟深度图像获取、3 i - w a r p 吨、空洞分类) 。 3 ：基于深度图像的绘制技术平滑的迁移到g p u 中来。 1 4 本文的组织安排 第二章介绍了虚拟人模型结构和现今流行的三种虚拟 群绘制技术。 第三章介绍图像绘制的理论和技术背景，给出了3 d - w a r p 的相机模型，正向映射 的推导，介绍了3 d - w a r p 算法可能产生的空洞分类，推导了计算所需要的普遍视差。 第四章介绍了本文实现的人群绘制系统所使用的技术，包括b i l l b o a r d ，翮r r ，深度 缓冲区，采集系统等技术。 第五章首先介绍人群绘制系统的开发环境和系统框架结构，然后介绍了系统的主 要功能及其实现，最后分析了本文实现的人群绘制系统的绘制结果。 结论与展望中总结了本文深度人群绘制系统所采取的基于深度图像的人群绘制方 法的优缺点及应用价值，并且针对人群绘制系统中需要进步改进的部分对将来的工作 进行了展望。 第2 章虚拟人群仿真的关键技术 第2 章虚拟人群仿真的关键技术 要绘制出真实感的虚拟人群，需要涉及到很多领域的技术，如：虚拟人几何 模型的创建，单个虚拟人的运动控制，人群的生成技术，人群行为的控制技术， 碰撞检测及碰撞响应技术，虚拟人群的快速绘制技术等等，其中虚拟人模型创建 和虚拟人群快速绘制是人群绘制系统中最为核心的技术。下面就详细介绍这两种 技术。 2 1 虚拟人模型 虚拟人( v i r t u a lh u m a n ) 是指人在计算机模拟空间( 虚拟环境) 中的几何特 性和行为特性的表示。这个定义展示了虚拟人应该具备的两个最基本的特征：几 何模型和行为动作。其中，几何模型是对虚拟人进行三维显示的基本要素。在建 模的初始阶段是依据需要为虚拟人建立一个静态模型，用于表示虚拟人的外在特 征和身体结构，如性别、年龄、体型、种族等。然后运用一定的动作控制技术让 虚拟人运动起来，通过完成特定的行为动作来表现其行为特性。根据虚拟人对计 算机的依赖程度的不同，可以将其分为以下两种：当虚拟人的行为完全由计算机 程序控制时，它被称为“代理”( a g e n t ) ；当虚拟人的行为和动作是由真人进行 交互控制时，它被称为“化身”( a v a t a r ) 。根据虚拟人的自治程度( l e v e lo f a u t o n o m y ) 也可以将其分为三类【2 9 】：引导型( g u i d e d ) 、程控型( p r o g r a m m e d ) 和自治型( a u t o n o m o u s ) 。 从虚拟现实的发展过程来看，人体建模是由简单到复杂逐步发展的过程，早 期对三维人体进行建模时常采用的表示方法主要有棒模型、表面模型和体模型 1 3 0 。这些模型复杂度也是越来越高的，但他们总的特点就是模型较简单，容易实 现，但精细程度不够，真实感差，无法满足当今对虚拟人动画的各种要求。因此， 为了绘制出具有较高真实感的虚拟人，出现了三维人体分层表示方法，这也是目 前较常用的一种虚拟人模型表示方法。它综合了上述三种方法的一些优点，可以 满足不同层次的逼真性要求。在这种分层表示模型中，一个虚拟人模型由基本骨 架( a r t i c u l a t e ds k e l e t o n ) 、肌肉层( m u s c l e ) 和皮肤层( s k i n ) 剐组成，有时也 加入一层服饰层，用于表示虚拟人的头发、衣饰等人体装饰物品。其中，基本骨 架由关节确定其状态，它决定了人体的基本姿态；肌肉层决定了人体各部位的变 形情况；皮肤的变形受到肌肉层的影响，最后由皮肤层确定虚拟人的显示外观。 这种人体建模方法体现了人的生理构造，因此，能够逼真地模拟人体运动时的皮 北京工业大学工学硕士学位论文 肤变形。同时，对虚拟人的运动进行控制时只需以人体骨架为操作对象即可，简 化了运动控制算法。另一类常见人体建模方法是基于图像的建模的方法，该方法 使用一个或多个贴有合适纹理的透明矩形来表示虚拟人。这类人体建模方法较三 维人体分层法要简单得多，运算量少，因而具有绘制速度快的特点；另外，这种 方法使用了纹理，因而具有定的真实感。它的缺点是绘制的虚拟人过分依赖于 纹理，因而虚拟人的动作种类有限，很难表现一些人体动作细节【3 5 1 。 2 1 1 三维人体模型 为虚拟人建立骨骼系统的目的在于方便的对虚拟人进行动作控制，虽然仅绘 制骨骼的运动也可以表现虚拟人的各种动作，但是，由于骨架的运动所能够表现 出来的细节非常有限，且模型非常粗燥，其真实感非常差。因此，在绘制时一般 在已有骨骼框架的基础上为虚拟人添加一层三维网格模型【3 6 】【3 。7 1 ，从而大幅提高 虚拟人动画效果的真实感。为虚拟人建立三维人体模型一般包括两个部分：一是 形体建模，另一个是纹理映射。形体建模是通过一定的技术手段描述三维物体的 内在构成和外在形状。在对虚拟人进行建模时通常采用的以下三种方法进行： ( 1 ) 线框造型法。这是虚拟人形体建模方法中最简单的一种。它是在骨骼框 架的基础上通过简单的几何图形描绘虚拟人肢体形状。常用的几何图形是曲线， 包括折线、b e z i e r 多项式和b 样条等。用这种方法构造的虚拟人形体模型仅仅表 现了虚拟人身体各部分的基本形状，并没有对其进行必要的色彩填充，一般不需 要考虑消隐，绘制速度非常快，但是三维效果比较差，对真实感的提升力不强。 ( 2 ) 体元造型法。这是对第一种方法的改进。它将身体分解为一些基本的元 素，称为体元。通过建立体元的几何表示方法并将其填充到虚拟人身体对应的部 位就形成了一个完整的虚拟人形体模型。常用的体元表示方法有圆柱体、球体和 椭球体等。与第一种方法相比，这种方法对真实感的表现力度较强，但是，由于 人体的外形比较复杂，用单一的体元模型无法构造出较真实的模型，因此，对虚 拟人实体进行建模时需要一套较完整的体元模型，然而，对于一些比较复杂的曲 面实体( 如人的脸部) ，建模的难度较大，而且效率不高。除此之外，这种造型 技术的计算量相对较大，对计算机硬件的性能有较高的要求，因此，不适于普通 用户在p c 上进行实现。 ( 3 ) 曲面造型法( 蒙皮技术) 。这种方法是通过曲面将骨骼框架包围起来，依 据不同的要求可以把虚拟人构造成各种各样的形象。常用的曲面有代数曲面、放 样曲面、c o o n s 曲面、b e z i e r 曲面和b 样条曲面等。由于曲面生成和编辑技术在 计算机图形学中已经比较成熟，而且已经有许多功能强大的软件支持图形用户界 面和可视化的操作接口( 如m a y a ，3 d m a x 等) ，因此，即使虚拟人的外形较 第2 章虚拟人群仿真的关键技术 为复杂，构造起来也并不是非常困难。用这种方法建立的虚拟人模型，其数据量 和计算量都较适中。可以满足各种细节精度的要求，并且数据的存储格式已经标 准化，国际通用，因此，这是目前广泛采用的造型方法。在许多成功的影视作品 ( 如日本s q u a r e - e n i x 公司制作的最终幻想电影版系列) 和电脑游戏( 如 美国b l i z z a r d 公司开发的网络游戏魔兽世界w o r l do f w a r c r a n ) 中，这种造型 方法都已经得到了充分的应用和发挥，创造出了各种逼真的卡通形象和人物角 色。 21 2 基于图像的模型 该方法的基本思想是使用二维图像来替代复杂的三维人体模型，从而大大简 化了虚拟人模型，满足大规模人群绘制和实时绘制的要求。 该方法首先使用第三方软件建立三维人体模型，然后获取该模型在不同高度 不同角度的影像( 如图2 - 1 所示) 将获取的图像按不同高度、不同角度存贮， 以方便绘制时寻找合适的图像。绘制时使用一个或多个透明矩形来表示虚拟人的 边界框，再在此矩形上映射上合适的人体纹理，从而达到绘制虚拟人的目的。 基于图像模型按照构成虚拟人模型的i m p o s t e r ( 所谓i m p o s t e r 是指贴有纹 理的透明矩形) 的个数，又分成单个i m p o s t e r 和多个i m p o s e r 虚拟人模型。i _ 单 i m p o s t e r 模型口8 i 。单个i m p o s t o r 的虚拟人建模( 见图2 2 ( a ) ) 由于使用一个透明 矩形，因此控制简单，较容易实现。但虚拟人的动作完全依赖于i m p o s t e r 的纹理， 虚拟人的动作种类一般比较少。2 多i m p o s t e r 模型例。多个i m p o s t e r 的虚拟人 建模( 见图2 - 2 ( b ) ) 由于使用一个i m p o s t e r 来实现虚拟人的一个部分，可以控制 各个部分的i m p o s t e r 来生成不同的动作，从而实现虚拟人动作的多样化。但它的 缺点也很明显，就是控制复杂，特别是在多个i m p o s t e r 的边界处容易产生接缝”“。 图2 - 1 m p o s t e r 模型的数据采集 f i g u r e2 - ls a m p l e x t u mf o ri m p o s t e rm o d e l ( 砷虚拟人由一个i m p o s t e r 构成 ( 吣v i a u a lh u m a ni sc o n s t i t u t e ds i n g l ei m p o s t e r ( b ) 虚拟人由多个i m p o s t e r s 构成 ( b ) v i r t u a lh u m a ni sc o n s t i t u t e db y m u l t i - i m p o s t e r s 图2 2 虚拟人由i m p o s t e r 构成 f i g u r e2 - 2v i a u a lh u m a ni sc o n s t i t u t e db yi m p o s e r 22 虚拟人群的绘制技术 尽管目前计算机硬件更新换代的速度非常快，但是还是无法满足人们用计算 机实时地模拟逼真的大规模复杂场景的要求。由于绘制由成大量虚拟人组成的虚 拟环境需要非常强的几何处理能力，在人群规模很大时，很难达到实时绘制。为 了达到复杂场景的实时绘制，人们提出了多种快速绘制方法。常见的快速绘制技 术包括可见性判断、层次细节、基于图像的绘制技术。下面将分别介绍这三种技 术。 2 21 可见性判断方法 可见性判断方法4 。1 1 4 1 1 的原理足剔出当前视点不可见的面片。不可见面剔除 ( v i s i b i l i t yc u l l i n g ) ，是一类快速判断不可见性的重要算法，该类算法是在进行 第2 章虚拟人群仿真的关键技术 曼曼曼! 曼! 曼曼曼鼍皇詈毫i 。i 一一一一一_ 一i 一一i ! 曼! 曼皇曼! 曼曼量皇曼曼曼曼曼! 曼曼寰 真正消隐之前，通过估计一个绘制元素或绘制元素组的可见性或不可见性来快速 拒绝那些显然不可见的绘制元素，从而得到一个可能可见集( p o t e n t i a l l yv i s i b l e s e t ，p v s ) ，这里可能可见集是指全部或绝大部分的可见绘制元素和一些不可见的 绘制元素。不可见面剔除的研究目标是利用场景中几何对象的空间关系，对对象 之间的遮挡关系进行估计。可以简单分为三大类( 如图2 3 所示) ：背面剔除 ( b a c k f a c ec u l l i n g ) 、视域剔除( v i e wf r u s t u mc u l l i n g ) 和遮挡剔除( o c c l u s i o n c u l l i n g ) 。在绘制时只绘制可见面，从而达到快速绘制的目的【3 5 】。 图2 3 不可见面剔除 f i g u r e2 - 3i n v i s i b l ep l a i nc u l l i n g ， 。， ： ： ： ， ：，7 挡剔除 2 2 2 基于层次细节的方法 基于层次细节( l e v e lo f d e t a i l ，简称l o d ) 【4 2 】【4 3 】的方法是基于人的视觉特 性当物体远离视点时人们注意到物体的细节就会减少，而提出的一种快速绘 制方法。该方法在绘制时只绘制必要的细节，而丢弃不必要的细节来实现快速绘 制的目的。通常，可以将层次细节分为静态层次细节和动态层次细节两大类。 1 基于静态l o d 的绘制技术。静态层次细节是一组具有不同复杂度和相 似度的模型，每个模型对应一个简化后的三角网格模型。该技术主要是根据不同 的误差标准，在尽可能保持三角网格模型外形的前提下，预先自动生成不同精细 程度的简化三角网格模型，在绘制过程中根据视点的位置选择相应的三角网格模 型进行绘制。 2 基于动态l o d 的绘制技术。动态层次细节是一种紧凑的模型表示方法， 它没有显式的分层的表示形式存在，在绘制过程中，根据绘制算法所规定的某一 准则自动生成相关层次的简化的模型，可生成任意多个不同分辨率的三角网格模 型。 2 23 基于图像绘制的方法 第一篇基于图像绘制的论文是在1 9 7 6 年由b l i n n 等人发表】，他们将 c a i m u l l 在1 9 7 5 年提出的概念c 4 川1 正规化，将纹理映射到物体的表而上。他们还 提出了环境贴图的概念，用来模仿弯曲和经过抛光后的曲面对周围的反射。这些 思想中都用到了预先计算场景的显示图片，从而允许处理复杂的场景。l i p m a n 拓展了这种环境贴图 4 q ，把整个场景表示为一系列图像的组合：在他的论文里， 对一个城镇的三维显示是由离散移动的视点和各视点的全景图构成。c h e n 在其 基础上再添加了构造两个视点连线之间任一点的全景图1 4 “，使用的方法是被称为 m o r p h i n g ( 平滑过渡) 的操作缺陷是不能够构造出连线外的其它角度的图像。 c h e n 也开始使用图像来表示单个物体”，并随后实现了一种称为“物体的影片” ( o h j e c t m o v i e s ) 的系统，使用相同的方法构造同一个物体其它视角的图像。重 构出其它视角图像的另外一种方法是将生成的图片通过纹理映射到一个长方形 上，再从不同的视角显示这个长方形，即所谓的“i m p o s t e r s ”。a u b e l 等人也使用 了这种思想，并完成了1 2 0 个人群的实时显示。但是，这类方法要求物体的变 化及摄像机移动不能够非常剧烈，否则会导致图片的缓冲失效而与传统的几何显 示方法相当。 , q c i o i s e l ，f o n n i 川“、r a l e ”m o t i o n 图2 4a u b e l 通过对基于几何模型的显示结果进行缓冲的方法，完成的1 2 0 波形人群图，帧 速2 4 f r a m e s e c o n d f i g u r e 4b a s e d r o n g e o m e t r i c m o d e ld i s p l a yo f t h er e s u l t so f t h e m e t h o do f b u f f er ，c o m p l e t e p o p u l a t i o n o f l 2 0 “w a v e m o t i o n ”2 4p r a t l l e s e c o n d 完全使用i m p o s t e r 来进行较大规模人群的实时绘制是从t e c c h i a 等人开始的 1 5 。 l s t 9 5 ”，t e c c h i a 假定观察者处于空间半球当中，对半球进行8 个不同高度的采 样同一高度又分成1 6 个不同方向，然后，对每个人体模型的每个姿态，从这1 2 8 镕2 章n 拟 群仿真的关键技术 个方向进行采样并同视角一起保留。实时显示时，根据观察者的实际位置和人体 运动选取其中一幅并使用纹理贴图的方式完成最终的成像。该方法效率非常高， 能够支持大规模的实时显示但是，显示质量很差，特别是预生成的图片在屏幕 上的分辨率大于其原始分辨率时尤其如此，因此使用该方法做出的系统中，个 体般都处在相对较远的位置，尽管如此，显示质量仍然不能够令人满意。此外， 该方法主要面向城市环境，个体的运动限制在路平面上，观察者也只处于上方而 不能够从任意一个三维位置进行观察。因此针对广泛的应用存在不同程度的问 题。 0 ) m