三维人体与服装仿真建模技术综述.doc

三维人体与服装仿真建模技术综述摘 要：三维人体服装仿真建模，提出了一种基于截面环求取三维人体模型的建模方法，对读入的人体扫描数据进行特征识别后，按特征点位置确定若干个截面与人体求交，再对每一截面环等距离散，生成规则的人体网格模型，通过特征尺寸的调整以保证建模结果的精确度。与此同时，运用截面环数据，提取人体模型各部位的关节点，实现了由关节点驱动的人体动态建模。上述人体模型应用于服装设计及模拟，取得了良好的效果。关 键 词：计算机应用；三维服装；人体建模；建模技术；虚拟;在目前人体建模技术的研究领域中，常见的算法主要有曲面建模、基于物理特性建模和基于解剖学的分层、建模方法。曲面建模又称表面建模，这种建模方法的重点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。N MThalmann和D Thalmann (1987)最早使用多边形表面生成虚拟人Marilyn Monroe，之后又提出JLD算符(Thalmann et al. 1988, Thalmann andThalmann 1990) 用于对人体表面的变形1 。Forsey (1991)将分层B样条技术用于三维人体建模2。Douros et al. (1999) 使用B样条曲面重构三维扫描人体模型3。尽管曲面建模技术已经能够完整地描述人体的几何信息和拓扑关系，但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，A H Barr（1987）提出了基于物理特性的建模(Physically-Based Modeling)思想4，将人体的物理特性加入到其几何模型中，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。为了进一步体现人体生理结构的层次性， Chadwick et al. (1989)提出了“人体分层表示法”的概念5。在此基础上，Thalmann et al. (1996)提出一种更加高效的基于解剖学的分层建模算法来实现人体的建模与仿真。通过这种方法建立的人体模型从生理学和物理学角度都能实现更加逼真的效果。1 . 三维人体测量及三维人体建模1 数据获取及预处理2 基于扫描人体的三维模型2.1 人体表面建模2.2 特征尺寸调整3 基于关节点的人体动态建模虚拟三维服装展示技术的研究，可为计算机图形学、智能计算和动力学模型在纺织领域的应用提供理论依据，对服装和面料设计具有较为深远的理论和实际应用意义。在纺织服装的设计、生产、商贸等领域具有广泛的应用前景，可大大提高织物和服装产品的设计、开发、销售等各环节的效率，使大规模个性化服装定制成为可能，并成为纺织服装商业化发展的趋势之一6首先从模型和数值计算方法等方面讨论织物变形形态模拟技术的发展，再对虚拟三维服装展示的发展过程和研究热点趋势进行比较全面的综述。3. 碰撞检测和响应过程3.1 织物变形形态模拟技术的发展3.1. 1 织物性质及其测量技术。织物性质的测量分为主观测量和客观测量7。对于计算机虚拟模拟技术，主要采用客观测量，即直接获取织物的特征指标，包括模拟织物的弹性、剪切性、弯曲性、密度和摩擦性等特性。具体而言，织物的硬挺柔软度与织物的弯曲性能和剪切性能有关，滑爽度主要与表面摩擦性能有关，蓬松、丰满度主要与厚度方向的压缩性有关8。对织物性质的测量，归根结底是要控制织物在低负荷下的拉伸、弯曲、剪切、压缩性能和表面摩擦性能93.1. 2 织物变形模型的建立. 计算机图形仿真在织物模拟研究中主要有几何建模法、基于粒子系统的物理建模法和结合几何与物理的混合建模法10这3 种方法。织物建模研究始于二十世纪30 年代，而真正将计算机图形学引入到织物虚拟仿真中，是在80 年代中后期。最初的织物变形模型是一些比较简单的模型，比如Weil 的织物变形三维模拟程序11，将织物结构视为网格和结点构成的形状，用悬链线的悬挂与松弛产生类似褶皱的形状，再用样条曲线对形状面进行拟合在计算机图形学界，最早的织物仿真模型的应用出现在1987 年，是由Terzopoulos 等12在拉格朗日运动公式和表面弹性能量的基础上建立的仿真系统。3.2 碰撞检测和响应过程。为实现具有较强真实感的三维服装展示，仅仅能够模拟仿真织物的悬垂性能是远远不够的，事实上，对织物模拟仿真的最终目的是要将其应用到虚拟人体模特上，真实再现服装的穿着效果13。然而，这些工作是极其复杂、费时的，其主要目标是检测服装与虚拟人体接处碰撞的情况。如果有碰撞情况发生，接触的物体会相互影响甚至相互穿透。研究碰撞和接触算法是三维服装模拟的一个重要组成部分。总结起来，在变形碰撞检测领域里，主要的研究方法包括层次包围盒法、距离法、空间分割法等。层次包围盒法14的计算效率较高，其难点在于构造和更新层次以处理在仿真环境中变形物体的不断变化。随机方法15是一种时间优先的应用，因为其可降低精度以平衡计算的效率。距离法16 是一种检测变形物体和刚性物体之间碰撞的特殊方法，在该方法中，不仅预先计算了碰撞的距离，还提供了穿透深度，用以更好地校正碰撞响应。基于空间分割法17的碰撞检测，在变形物体仿真环境中有很好的计算效率，重点在于其高效的数据结构。另外碰撞检测领域中比较热门的研究是图像空间技术18。图像空间技术通常由图形硬件加速以实现其算法功能，这样可针对特殊的环境进行应用，并提供良好的展示效果。4.计算机动画一直是人们研究的热点,其中最为重要的是人体造型和动画,而人体建模则成为计算机三维人体动画中的基础. 人体建模技术发展至今,已经出现了大量的实现方法. 随着科技发展,人类认识进步,对动画的仿真性要求越来越高,这样,一些传统的建模方法开始暴露出局限性,需不断完善和改进. 人体建模的实现方法不一,本文在参阅大量相关文献的基础上,归纳总结为3 类:线框模型、体模型、曲面模型,并深入剖析三者优缺点,以达到继承经典,不断完善传统建模方法,拓宽新的三维人体建模技术的思维.4.1 线框模型1) 所有的棱和曲线全都显示出来,物体的真实形状需由人脑的解释才能理解,容易导致二义性; 2) 当形状复杂时,棱线过多,会引起模糊理解; 3) 轮廓线过于粗糙,缺少曲面,真实感较差,无法识别面与体;4) 不能消除隐藏线. 由于结构简单,有些运动不能表现.4.2 实体模型实体模型技术是20 世纪70 年代末期、80 年代初期逐渐发展起来的,典型的造型方法及造型系统有NUDES 系统、Bubbleman 模型和Laba 表示法模型等1 . 其方法有基本体系引用法、扫描表示法、单元分解法、边界表示法和结构实体几何表示法19-21 .4.2.1 基本体系引用法4.2.2 扫描表示法扫描表示法是二维图形在空间沿某一路径产生的三维实体,一般有3 种形式: 1) 平移扫描. 二维图形是封闭轮廓线,运动轨迹是与图形平面垂直的直线; 2) 旋转扫描. 二维图形是封闭轮廓线,绕某一轴线回转而成,运动轨迹是圆;3) 广义扫描. 二维图形是封闭轮廓线,而运动轨迹是空间曲线,且可以用参数曲线表示,这种扫描法可以使自由曲面实体模型化.4.2.3 单元分解法4.2.4 边界表示法4.2.5 实体几何表示法( CSG)4.3.曲面模型,曲面可以由小平面或一些弯曲的碎片组成,来体现其表面复杂多样的纹理变化. 曲面建模的主要实现方法有以下3 种22 .4.31由一组多边形描述4.32由代数曲面描述4.33由一些碎片描述4.4.基于物理特性建模由于人体的关节运动和肌肉收缩是人体本身所具有的物理特性,为使三维人体动画仿真效果更佳,1987 年,A. H. Barr 在SIGGRAPH87 上提出了“基于物理特性的建模”( Physically2BasedModelling) 思想,将物体的物理特性加入到其几何模型中,通过数值计算对其进行仿真,物体的行为则在仿真过程中自动确定. 基于物理特性的建模过程中需考虑以下几点:1) 人体本身所具有的物理信息;2) 人体的运动规律需要采用动态系统的算法来描述;3) 人体的运动具有一定的时间差,需借助于时间变量来描述。这种方法是建立在传统建模方法之上的,弥补了几何建模技术的不足之处,可以获得更复杂更真实的人体建模效果。4.5. 人体建模的研究方向无论是传统的还是基于物理特性的均未体现人体这一层次性的结构. 因此,需要根据不同层次,采用不同的建模技术进行建模,以达到不同层次的逼真性要求, 这就是“人体分层表示法”23 . 在这样一种分层表示模型中,一个虚拟仿真人模型由基本骨架、肌肉层和皮肤层3 部分组成. 其中的基本骨架由关节确定其状态,决定人体的基本姿态. 肌肉层确定了人体各部位的变形,皮肤变形受肌肉层的影响最后由皮肤层确定人体的显示外观.这样建立的模型从生理学和物理学角度都能实现逼真的效果。 5 服装设计与仿真应用服装的设计与仿真主要分为2 大类: 第1 类是为模拟各式各样的变形织物和服装提供软件工具; 第2 类则关注于服装在虚拟模特上可视化的真实展示( 包括虚拟时装和网上购衣等) ，和以设计为目的的服装设计应在第1 类中，模拟软件工具通常会提供1 个简单的机械模型，这个模型可能是弹簧质点模型或者其他模型，模型中会包含织物的一些基本力学性能，比如刚性、黏性、弯曲性和重力等。使用这些软件工具可以实现织物的动画计算，以及通常的碰撞检测动画框架之中。比较有代表性的有Maya、Reactor、Stitch 和SimClot 等。第2 类则侧重于虚拟展示和服装设计方面，即服装的计算机辅助设计软件。服装的CAD 应用主要研究如何使用准确的织物力学模型以模拟服装的悬垂展示，即利用可视化技术使设计的服装迅速试穿着在人体模特上。这些软件通常也会提供独立的建模和可视化环境，比较有代表性的是ToyoboDressingSim、Optitex、Browzwear V-Stitcher，另外还有网上应用系统，例如FitMent com 以及Virtual Try-On 等。 6 虚拟三维服装展示技术的挑战具体而言，服装仿真技术研究的难题在于以下4 个方面。1) 服装仿真建模和数值计算方法的问题。2) 服装与穿衣者身体的接触以及服装自身的交互碰撞问题。3) 服装本身高度复杂的各向异性和非线性力学行为的模拟问题。4) 仿真的实时性问题。 7 网上3D试衣系统7. 1虚拟模特网上3D试衣系统的设计中采用了Java3D 技术。为便于模型在A pp let中显示, 同时也是为了系统启动时尽可能迅速地加载, 我们在Java3D自身所支持的几种3D模型文件格式中选择了obj格式24 。7. 2虚拟服装73虚拟试衣8 计算机仿真触摸感知技术，简单来说，就是用计算机系统直观显示人手对织物的触摸现象。用硬件模拟器模拟出不同织物的特性，当人手在触摸硬件模拟器时如同触摸到真实织物一般。传感器将人手触摸信号进行采集、分析、处理，再传给计算机系统，通过图像显示算法在计算机屏幕上再现触摸现象，如图125所示。在触摸感知技术方面做的比较成功的有瑞士日内瓦大学的HAPTEX 项目26。 图1瑞士日内瓦大学的HAPTEX 项目。9 结尾 研究趋势展望未来有意义的研究方向主要有:1) 研究仿真中的碰撞问题，改进层次细分技术，完善求解方法;研究织物模拟的数值求解方法2)，优化纹理渲染的计算方法，提高计算精度和求解效率;3) 讨论并行计算方法，研究基于GPU 的动态条件下三维虚拟服装的快速展示;4) 研究如何利用图像采集设备对静止物体多角度采集图像或对运动物体连续采集图像，并求得三维参数，建立三维模型数据库，进而利用三维虚拟场景的数据结构，构建三维模型。三维服装展示是一门交叉学科，相信随着新技术的发展，经过努力，共同研究，充分发挥各学科特点，必将开辟三维服装研究的新篇章。参考文献1 Thalmann N M, Thalmann D. 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