面向三维服装CAD的人体建模与动态仿真技术综述.pdf

84 纺织导报 China Textile Leader 2008 No 2 服装技术 Apparel Technology C A D 领域中的理论和技术应用到服装的设计 生产 产品发展 经营管理等各个环节 形成了一个全新的领域 服装 G C A D 现在的G C A D 正在从二维发展到三维 发展到具有三维人体测量 三维服装设计 三维立体裁剪 三维立体缝合及三维穿衣效果展示等高级功能 其最终目 的在于不经制作服装 便可由虚拟人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 更有助于服装满意率和设计质量的提高 为了达到具有现实世界的穿着效果 在三维G C A D 系 统中实现虚拟人着装效果的虚拟演示 不仅要求虚拟人体 模型具有逼真的外观 合理的行为举止 还要包括虚拟人 体本身运动产生的人体表面 衣物的变形效果 更需要实 现特定服装模型穿着在某一特定人体模型上的动态效果 1 三维G C A D 对人体模型的要求 三维 G C A D 是在人体的基础上进行的 服装人体建模 是一个复杂形体的几何造型 参数化设计和运动仿真的综 合问题 由于三维 G C A D 系统的特殊性 对人体建模提出 了具体的要求 1 能建立普通而标准的虚拟三维人体模型 能基本 反映用户的实际形体信息 2 在保证表面特征尺寸精确度的前提下 尽量简化 网格结构 减少模型的复杂性 3 具有合适的人体特征语义信息 能进行参数化处 理 交互操作方便而简单 可根据实际人体的身高 体重 面向三维服装C A D的人体建模 与动态仿真技术综述 A Survey of Human Body Modeling and Simulation Technology in 3D GCAD 文 陈永强 彭利华 作者简介 陈永强 男 1 9 6 7 年生 副教授 博士 武汉科技 学院计算机科学学院 主要研究方向 计算机图形图像处理 虚拟现实技术 智能信息安全系统 基金项目 湖北省数字化纺织装备重点实验室D T L 2 0 0 7 0 2 项 目 服装个性化三维人体变形模型研究与实现 胸围和腰围等关键部位的参数信息 快速修改和调整标准 虚拟人体模型的细部或整体尺寸 得到适合于个体的个性 化的逼真人体模型 4 能够实现简单且高效的人体动态建模 具有合理 的运动方式和动作 5 与建立服装模型的所需数据具有一致性 便于选 择服装 实现人体和服装的一体化动态仿真处理 2 三维人体建模技术 2 1 人体数据的获取 快速 精确地测量三维人体数据是实现三维G C A D 系 统的前提 传统的方法以卷尺 卡尺等为测量工具 测量 人体有关部位的长度 宽度 围度等数据 以此为参数进 行造型设计 服装生产中广泛使用的号型 体型分类即是 通过人体测量在统计分析的基础上得出的 但是 采用传 统的手工人体测量方法已很难满足快速 准确 大批量测 体的需要 由于计算机视觉技术的不断发展 导致了人体测量技 术由手工向自动 接触式向非接触式方向发展 三维人体 自动测量是以现代光学为基础 融多种科学技术于一体的 测量技术 测量人体时把图像当作检测和传递信息的手段 或载体加以利用 其目的是从人体图像中提取有用的信息 包括服装设计所需的人体特征数据 可分为接触式和非 接触式测量两种 接触式自动测量主要用于标准人台表面 人体型值点的测量 不适合于真实人体的测量 非接触式 自动测量主要用于获取真实人体特征数据 在测量被测对 象时把图像当作检测和传递信息的手段或载体加以利用 从图像中提取有用的信息 从而获得所需要的人体三维尺 寸 特点是快速 准确 效率高等 纺织导报 China Textile Leader 2008 No 2 85 Apparel Technology 服装技术 2 2 人体数据的处理 对于测量的所有人体数据并不能直接用于建模和显 示 其原因如下 1 原始数据有一定的测量误差和运动误差 测量误 差是数据采集系统本身的误差或其它技术因素所引起的误 差 在测量系统设计时已予以考虑 可以忽略不计 运动 误差则是由人体自身的各种运动造成的 需要处理 2 原始数据只有坐标值 缺少灰度或颜色信息 3 由于有遮挡现象 部分区域没有原始数据 4 原始数据重复性差 5 原始数据的格式不能直接用于绘制三维图形或者 加工立体模型 要重建人体模型 需要对数据做进一步的处理 包括 特征点调整 尺寸测量等具体步骤 2 3 三维人体模型的建模方法 实用的三维人体模型分为两大类 几何模型与基于解 剖学的物理模型 2 3 1 几何模型 三维虚拟人体的几何建模方法主要分为曲面建模和基 于物理建模两种 1 曲面建模 曲面建模是由给出的离散数据点构成光滑过渡的曲 面 使这些曲面通过或逼近这些离散点 在实际的人体曲 面建模时 主要采用基于特征的服装人体曲面建模和参数 化的服装人体曲面建模两种具体的建模方法 基于特征的服装人体曲面建模根据人体的整体结构 将人体模型划分为若干个基本的结构特征 为进行曲面造 型 针对每个结构特征可定义相应的造型特征 造型特征 分为主要造型特征 即人体模型中指定的特征 和辅助造 型特征 即为了精确表达人体模型的较细节几何特点所定 义的造型特征 根据人体各部位的特性 分别采用不同的 数据结构和造型方法 优点是更加灵活方便 可以针对人 体模型不同部位的几何特征 选择最适合的曲面建模方法 而不必拘泥于某一种曲面表达方式 参数化的服装人体曲面建模采用几何约束来表达人体 模型的形状特征 从而获得一簇在形状上或功能上相似的 设计方案 即在建模过程中应结合人机工程学原理 利用 人体各部分固有的比例关系 从人体模型的众多特殊尺寸 中提取出起决定性作用的参数 几何特征参数一但确定 根据人机工程学原理 修改相应的主要造型特征 使其满 足新的尺寸要求 同时 利用人体模型主 辅造型特征间 的关联结构 修改相关的辅助造型特征 获得新的人体模 型造型特征 对新的人体模型造型特征进行曲面造型 最 终得到用户所需的人体模型 参数化建模是一种更为抽象 化的建模方法 它以抽象的特征参数表达复杂人体的外部 几何特征 依托于常规的几何建模方法 使设计人员能够 在更高更抽象的层面进行人体设计 曲面模型的优点是速度较快 缺点是不考虑人体解剖 结构 所以取得非常逼真的模拟效果比较困难 提高表面 模型的逼真性是目前的研究热点之一 2 基于物理建模 曲面建模技术能够完整地描述人体的几何信息和拓扑 关系 但描述的主要是人体的外部几何特征 对人体本身 所具有的物理特征和人体所处的外部环境因素缺乏描述 对于人体动态建模仍有一定的局限性 为使三维人体动画仿真效果更佳 B a r r 提出了基于物 理特性的建模 P h y s i c a l l y B a s e d M o d e l i n g 思想 将人体 的物理特性加入到几何模型中 通过数值计算对其进行仿 真 人体的行为则在仿真过程中自动确定 基于物理的建 模方法具有更加真实的建模效果 能有效地描述人体的动 态过程 采用微分方程组的数值求解方法来进行动态系统 的计算 计算更为复杂 2 3 2 基于解剖学的物理模型 多层次模型是最接近人体解剖结构的模型 通常使用 骨架支撑中间层和皮肤层 中间层包含骨骼 肌肉 脂肪 组织等 人体从内到外分成骨架 骨头 肌肉 脂肪和皮 肤等几个层次 可分别采用不同的物体建模技术 如 骨 头层可看成刚性物体 采用几何模型 皮肤层属于最外层 需要较多的真实性 可采用基于物理的模型 多层次建模 方法可构造出极具真实感的三维人体模型 但模型复杂度 高 人体变形时计算量大 除以上几种典型而常用的建模方法外 还有棒状体建 模和实体建模方法 棒状体建模是最早出现的虚拟人体几 何建模方法 人体表示为分段和关节组成的简单连接体 使用运动学模型来实现动画模拟 实现人体的大致动作 实体模型使用简单的实体集合模拟身体的结构与形状 例 如圆柱体 椭球体 球体等 然后采用隐表面的显示方法 86 纺织导报 China Textile Leader 2008 No 2 服装技术 Apparel Technology 其计算量大且建模过程非常复杂 在三维人体模型结构中 目前 G C A D 领域广泛使用的是曲面模型 解剖学和医学等 应用多采用多层次模型 而实体模型和棍棒体模型基本上 较少使用 2 4 虚拟人体标准 为了便于在不同情况下制作的虚拟人体之间实现交互 与共享 目前有两个重要的国际标准V R M L 和M P E G 4 支 持虚拟人体表示 V R M L 中有一个专门的子标准描述虚拟人体模型 称 为 H A n i m 该标准完全遵循 V R M L 的语法 H A n i m 中 使用三类节点表示一个虚拟人体模型 人体重心 人体关 节和人体骨骼段 并把整个人体分成1 个人体重心 9 3 个 关节和 9 3 个骨骼段 人体各部分之间的关系表示为一棵 树 并以人体重心为根结点 以关节为节点 以骨骼段为 连线 M P E G 4 v 2 中开始提供对人体的支持 M P E G 人体由 一组节点组成 其顶层节点至少包括两个子节点 表示人 体运动的参数 B A P 和表示人体模型定义的参数B D P 人体 运动参数 B A P 包含2 9 6 个描述虚拟人骨架拓扑结构的参 数 这些参数可以应用于 M P E G 4 兼容的虚拟人体 并生 成相同的虚拟人运动 3 三维人体动态仿真技术 将扫描人体的三维重建与人体的动态建模有效结合起 来 是 G C A D 系统中人体建模技术的研究重点 人体运动 的计算机显示 除需要三维人体的模型外 还需要人体的 运动数据 人体各关节运动数据的产生有两种方法 运动 学方法和动力学方法 人体动态仿真一般分为人脸表情和 躯体运动两个部分 在三维G C A D 领域主要是关注人体躯 干运动的研究与实现 3 1 运动数据获取 根据人体扫描获得的数据进行重构 以准确模拟出人 体的不同姿态 及时快速地产生穿衣后人体的动作姿态 目前主要思路是 对人体多个关键姿态的扫描 通过对离 散数据的插补模拟出人体连续运动中的体型数据 同时 因为不可能获得模特着装人体运动的现场展示效果 动态 展示需要建立在前期做出的相关动态基础之上 常用的实 时输入设备记录真人各关节的空间运动数据 即人体运动 测量的方法 测量装置依据原理可分为机械 电磁 声学 光学4 种 3 2 运动控制 目前 虚拟人的运动控制方法主要有 参数化关键帧 方法 正 逆运动学方法 动力学方法 过程方法 运动 捕捉方法 运动合成技术等 参数化关键帧方法 p a r a m e t r i c k e y f r a m e a n i m a t i o n 是给定人体运动过程中的一些关键姿态 关键帧 后 在 生成人体运动时 自动计算出两个关键姿态之间的若干中 间姿态 中间帧 人体运动关键帧生成方法是一种三维方 法 其关键帧与中间帧均指人体运动状态的关键姿态 一 般是描述人体姿态的状态值 这种方法简单直观 最为常 用 但人体有近百个自由度 需要对运动进行仔细的调整 手工给出每个关键姿态下的每个自由度是非常困难的 且 其物理逼真性也难以验证 正运动学 f o r w a r d k i n e m a t i c s 方法从给定各关节的 角度计算出各肢体的位置与方向 而逆运动学 i n v e r s e k i n e m a t i c s 方法在给定肢体末端的位置与方向时 计算出 各关节的位置与方向 与关键帧方法相比 逆运动学方法 所需指定的状态变量要少多了 但当一个肢体的自由度数 多于6 个时 仅指定肢体末端的位置与方向不能完全确定 整个链杆的状态 需要采用其他辅助方法 这种方法的计 算量比较大 生成运动的逼真性仍然依赖于人的手工操作 难以验证 动力学方法 d y n a m i c s 是根据人体各关节所受的力 与力矩 计算出人体各关节的加速度 速度 最后确定人 体运动过程中的各种姿态 使用动力学方法生成的运动符 合物理规律 具有物理逼真性 但要求确定人体各关节所 受的力与力矩 比较困难 常需要使用逆动力学方法或基 于约束的方法 过程方法 p r o c e d u r e 根据人体特征 如身高 腿长 以及运动特征 如速度 确定具体的人体运动 因直接根 据真实人体运动提取特征 因此具有很好的逼真性 而且 易于控制 此方法具有生成交互性行为的潜力 但也有一 定的局限性 只适用于某些特定类型的运动 很难定义一 般的运动 也不能进行很好的细节上的控制 人体运动缺 乏表情或独特性 运动捕获方法 m o t i o n c a p t u r e 是一种虚拟现实方法 采用先进的传感器 实时跟踪人体运动 由此可以实时控 88 纺织导报 China Textile Leader 2008 No 2 服装技术 Apparel Technology 制虚拟人的运动 将这些运动数据记录下来 进行合成 还 可以生成新的虚拟人体逼真运动 运动捕获是目前相当流 行的一种方法 然而 也存在很多问题 首先 在运动捕 获中 由于附着皮肤或是衣服上的跟踪器在运动者运动时 会产生一定程序的移位 所获得的运动数据有一定的冗余 在某些情况下 还会引起虚拟人运动的一定程度失真 其 次 由于传感器本身的局限性会导致一些运动不能被捕获 为了在已有运动的基础上 生成更为复杂的虚拟人运 动 常需要对已有的运动进行运动合成 常用的虚拟人运 动合成方法有 运动修剪 运动仿射变换 时间扭曲 运 动镜像 运动混合 运动连接 运动选择 周期运动等 4 实用的虚拟人体运动系统 目前 一些著名的虚拟人试验室开发了自己的虚拟人 实验系统 有些实验系统已经商品化 部分的可用于三维 G C A D 中 缩短人体建模与动态仿真的实现时间 1 J u g g l e r 1 9 8 2 年由前国际信息公司公布 其外形是完全数字化 的 身体运动是通过旋转观察 R o t o s c o p y 记录实现 八 十年代中期 研究人员开始研究基于物理特性的虚拟人运 动仿真 这种运动模型的虚拟人会表现出完全相同的行为 举止 是不切实际的 2 S a f e w o r k P r o S a f e w o r k P r o S A F E W O R K 公司开发的S a f e w o r k P r o 是一套测试工作环境安全性的模拟软件系统 它可以载入 1 0 0 多个人体测量学数据库 为人体精细建模提供充分的 数据 适应为不同人群进行产品设计的需要 并且支持多 个虚拟人进行合作任务的运动仿真 3 V L N E T V i r t u a l L i f e N e t w o r k 由V R L a b 实验室研究开发 是一个基于分布式网络 的虚拟人系统 支持多个用户同时加入到一个共享的网络 虚拟环境中 每个用户在虚拟环境中有一个虚拟人作为其 替身参入虚拟环境中的活动 虚拟替身具有真实人的外表 和行为特性 用户可以与虚拟环境或其他用户实时交互 4 J a c k 由美国宾夕法尼亚大学人体建模与仿真中心 H M S 开发 在1 9 9 2 年投入商业应用 主要用于多约束分析 人 素分析以及视场分析等 人体模型是基于来自美国军队研 究室对男性军人和女性军人的调查所得的人体测量学数据 库的基础上的 虚拟人有7 4 个关节 包括2 2 个脊髓关节 和1 6 个手部关节 已被许多飞机公司 汽车制造商 军用 车辆研究机构和人类工程学组织采用 5 D I G u y 系统 由B o s t o n D y n a m i c 公司开发 最初为军事仿真中模拟 虚拟士兵的行为而设计的 目前已经包含了多种角色的仿 真 如男性 女性 体育人员等 D I G u y 库适用于S G I P e r f o r m e r O p e n G L O p e n G V S 和D i r e c t 3 D 可运行于 W i n d o w s N T W i n d o w s 或L i n u x 操作系统 系统提供了 简单的标准化的编程接口 并附带了样例代码 绝大多数 程序员可以在一两天内上手 以便于进一步的虚拟人程序 开发 6 J o i n t M o