一種計(jì)算機(jī)中人體服裝動(dòng)態(tài)仿真實(shí)現(xiàn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，尤其設(shè)及到計(jì)算機(jī)服裝仿真技術(shù)領(lǐng)域的計(jì)算 機(jī)中人體服裝動(dòng)態(tài)仿真實(shí)現(xiàn)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 虛擬試衣是當(dāng)今虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題，相關(guān)技術(shù)被應(yīng)用到諸多領(lǐng)域，如網(wǎng)絡(luò) 購物、CG電影、3D游戲、S維動(dòng)畫等。網(wǎng)絡(luò)購衣無疑是虛擬試衣應(yīng)用最重要的領(lǐng)域，該一新 興技術(shù)為廣大消費(fèi)者帶來了巨大便利，具有節(jié)約成本，節(jié)約時(shí)間，選擇更加多樣化等優(yōu)勢(shì)。
[0003] 目前基于物理的仿真方法是動(dòng)態(tài)服裝仿真的主流，因?yàn)樵摲N方法可W取得較好的 視覺效果，并且能夠滿足試衣系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求，另外，較之幾何仿真方法，靈活性較強(qiáng)，更 適合動(dòng)態(tài)試穿仿真。然而，隨著用戶對(duì)視覺感受需求的提高，試穿仿真不僅需要滿足實(shí)時(shí)性 和一定的真實(shí)性，還需要具備多樣性，多樣性包括服裝造型、材質(zhì)的多樣性和人體體型、動(dòng) 作的多樣性。
[0004] 在不同體型、動(dòng)作的人體上試穿，機(jī)器學(xué)習(xí)的方法是當(dāng)前非常熱口的方法，如文獻(xiàn) 1 :GUAN,P.，REISS,L.，HIRS皿ERG,D.A.，WEISS,A.ANDBLACK,M.J. 2012.Drape:Dressing anyperson.ACMTransactionsonGraphics(TOG) 31, 35 中的方法。該方法的一個(gè)關(guān)鍵部 分就是被稱為DRAPE(DRessingAnyPErson)的衣服模型，是由通過學(xué)習(xí)具有特定體型和姿 勢(shì)人體上的服裝模型得到的。首先把基本物理模擬方法產(chǎn)生的衣物穿在具有不同體型和姿 勢(shì)的人體訓(xùn)練集上進(jìn)行學(xué)習(xí)；然后由DRA陽產(chǎn)生剛性姿態(tài)，姿態(tài)無關(guān)性是體型變化W及姿 態(tài)有關(guān)的權(quán)皺形變，該里需要利用SCAPE模型來表示不同姿態(tài)上不同形狀的人體。給出一 個(gè)輸入的人體，則按照人體姿勢(shì)和體型會(huì)產(chǎn)生一個(gè)合適的服裝配置。衣服的擬合處理消除 了衣服與人體相互滲透而創(chuàng)造出了逼真的動(dòng)畫，實(shí)現(xiàn)多樣化的試穿仿真。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該 方法適用于場(chǎng)景中包含很多人體并且每個(gè)人體可能體型姿勢(shì)各異，在該種情況下可W快速 實(shí)現(xiàn)穿衣。但由于對(duì)每個(gè)姿勢(shì)都需要訓(xùn)練，因此更適合靜態(tài)展示，不適合于動(dòng)態(tài)模擬。
[0005] 實(shí)現(xiàn)不同服裝材質(zhì)的方法有兩種，即基于幾何的和基于物理的，文獻(xiàn) 2:FENG,W.,YU,Y. ,KIM,B.Adeformationtransformerforreal-timecloth animation[C].In:ProceedingsofSpecialInterestGroupforComputerGraphicsand InteractiveTechniques.Asia:ACMPress29, 4,Article108(July2010)中提出 了在實(shí) 時(shí)布料動(dòng)畫中通過數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型w實(shí)現(xiàn)權(quán)皺效果。具體是使用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型將低分辨率低 質(zhì)量的服裝模擬轉(zhuǎn)換成高分辨率的模擬。衣服模型的動(dòng)力學(xué)特征由低分辨率的基于物理的 模擬表示，而衣服表面的高分辨率空間特性（權(quán)皺）由從低維得來的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型產(chǎn)生，該 數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型是通過從衣服模型中提取的旋轉(zhuǎn)不變量來訓(xùn)練獲得的，因而是獨(dú)立于所選取 的低分辨率模型的模擬技術(shù)。通過低頻布料的單步模擬、變形轉(zhuǎn)換和碰撞檢測(cè)、高頻布料表 面重構(gòu)和擅染實(shí)現(xiàn)布料動(dòng)畫，變形轉(zhuǎn)換包括兩個(gè)非線性映射，分別負(fù)責(zé)產(chǎn)生中等尺度和精 細(xì)尺度的形變。該方法由于旋轉(zhuǎn)不變量獨(dú)立于模型，模擬耗時(shí)較少，能夠用低分辨率模擬的 時(shí)間實(shí)現(xiàn)高分辨率模擬的效果。不足之處是預(yù)處理時(shí)間長，另外如果衣服嵌入人體，也會(huì)直 接影響到最終的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
[0006] 文獻(xiàn) 3:WANG,H.，0'BRIEN,J.F.ANDRAMAM00RTHI,R. 2011.Data-driven elasticmodelsforcloth:modelingandmeasurement.ACMTransactionson Graphics(TOG) 30, 71介紹了一種基于物理的試穿仿真方法，首先文中指出布料具有非線性 特征，因此使用分段線性彈黃W近似非線性，其次提出在傳統(tǒng)質(zhì)點(diǎn)彈黃模型的基礎(chǔ)上增加 更多方向的彈黃W更加充分地考慮布料的各向異性特點(diǎn)，同時(shí)對(duì)不同的彈黃做合理的參數(shù) 設(shè)置W實(shí)現(xiàn)材質(zhì)區(qū)分。建模過程中使用了 24個(gè)拉伸參數(shù)和15個(gè)彎曲參數(shù)。數(shù)據(jù)庫中包含 10種材質(zhì)的樣本。不同材質(zhì)的參數(shù)數(shù)值是通過實(shí)際測(cè)量材質(zhì)的物理屬性得到的。該一方法 真實(shí)性較高，但是由于其耗時(shí)較多不適合于較復(fù)雜布料，另外，每一種材質(zhì)都需要測(cè)量非常 多的參數(shù)，因此在一定程度上限制了該方法的擴(kuò)展性。
[0007] 綜上，現(xiàn)有方法的缺點(diǎn)主要有；文獻(xiàn)1中人體模型的體型改變?nèi)鄙凫`活性，建成人 體難W完成連續(xù)動(dòng)作；文獻(xiàn)2中基于幾何的材質(zhì)實(shí)現(xiàn)方法不利于動(dòng)態(tài)效果的實(shí)現(xiàn)，文獻(xiàn)3雖 是基于物理的材質(zhì)實(shí)現(xiàn)，但增加了過多參數(shù)，直接影響試衣系統(tǒng)效率，對(duì)于較復(fù)雜服裝模型 的仿真會(huì)欠缺實(shí)時(shí)性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[000引發(fā)明目的；本發(fā)明的目的是針對(duì)W上技術(shù)問題，提供一種使得人體模型更加易于 改變的計(jì)算機(jī)中人體上的服裝動(dòng)態(tài)仿真實(shí)現(xiàn)方法。
[0009] 為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明公開了一種計(jì)算機(jī)中人體服裝動(dòng)態(tài)仿真實(shí)現(xiàn)方 法，包括如下步驟：
[0010] 步驟1，參數(shù)化人體建模：使用插值樣條曲面對(duì)人體的各個(gè)部位分別建立曲面 模型并進(jìn)行光順拼接，建立完整的人體網(wǎng)格模型，參數(shù)化建模方法無需獲得人體表面的 全部信息，只需根據(jù)獲取的特征點(diǎn)和特征尺寸，求出型值點(diǎn)，使用文獻(xiàn)4 ;化angR-J，Ma W.Anefficientschemeforcurveandsurfaceconstructionbasedonasetof interpolatorybasisfunctions.ACMTransactionsonGraphics2011 提出的插值樣條 曲面對(duì)各個(gè)部位的人體分別建立曲面模型并進(jìn)行光順拼接，就能建立完整的人體模型；
[0011] 步驟2,載入服裝模型，對(duì)服裝模型和人體網(wǎng)格模型進(jìn)行預(yù)處理；
[0012] 步驟3,對(duì)服裝模型構(gòu)建質(zhì)點(diǎn)-彈黃模型，進(jìn)行仿真動(dòng)畫計(jì)算；
[0013] 步驟4,對(duì)質(zhì)點(diǎn)-彈黃模型進(jìn)行積分后校正；
[0014] 步驟5,對(duì)服裝模型和人體網(wǎng)格模型進(jìn)行碰撞檢測(cè)和響應(yīng)。
[001引其中，步驟1包括如下步驟；
[0016] 步驟1-1，獲取人體表面的特征點(diǎn)和特征尺寸；
[0017] 步驟1-2,根據(jù)獲取的特征點(diǎn)和特征尺寸，W特征點(diǎn)為基準(zhǔn)，根據(jù)特征尺寸和一定 的比例關(guān)系（比例關(guān)系因人而異），如已知左膝特征點(diǎn)和小腿圍該一特征尺寸，W特征點(diǎn) 為中屯、，小腿圍乘W-定的比例作為半徑，即可求出周圍一圈型值點(diǎn)，此處比例根據(jù)需要改 變，因此該圈型值點(diǎn)不是規(guī)則圓形，通過該種方法求出每圈型值點(diǎn)，從而可得所有表面型值 點(diǎn)，文獻(xiàn)5:陳森.參數(shù)化S維人體建模與系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)巧].南京大學(xué)，2014對(duì)型值點(diǎn)做了詳 細(xì)介紹；
[0018] 步驟1-3,對(duì)人體部位進(jìn)行分塊表面重建，采用插值樣條曲面建立每個(gè)分塊部位的 曲面構(gòu)成曲面模型，獲得人體部位生成點(diǎn)的法向量，曲面模型較之實(shí)體模型和線框模型，可W兼顧真實(shí)性和效率；
[0019] 步驟1-4,對(duì)各個(gè)人體分塊部位的曲面進(jìn)行光順拼接；
[0020] 步驟1-5,加入法向量、根據(jù)設(shè)置的環(huán)境光參數(shù)模擬光照W顯示人體模型；
[0021] 步驟1-6,通過改變骨架點(diǎn)坐標(biāo)W驅(qū)動(dòng)人體動(dòng)作實(shí)現(xiàn)人體動(dòng)畫，通過改變特征尺寸 實(shí)現(xiàn)人體體型的改變，骨架點(diǎn)是特征點(diǎn)中人體每個(gè)部位接合處的點(diǎn)，是與運(yùn)動(dòng)相關(guān)的，如膝 蓋點(diǎn)，而有些特征點(diǎn)如乳高則不是骨架點(diǎn)。
[0022] 對(duì)于每個(gè)人體部位，步驟1-3包括如下步驟：
[002引步驟1-3-1，將該部位分層，每層都是一條閉合曲線，由于使用插值樣條建模，因此 曲線通過控制點(diǎn)，可W得到每層曲線的控制點(diǎn)，形成該部位的控制點(diǎn)矩陣，控制點(diǎn)可W方便 地控制曲線形狀；
[0024]步驟1-3-2,求取插值樣條曲線的一組基函數(shù)，公式如下；
[00巧]
[0026] 其中X是曲線所在局部坐標(biāo)系的橫坐標(biāo)，e是自然對(duì)數(shù)的底數(shù)，a是一個(gè)大于零的 常數(shù)，從誤差角度W及最終生成曲線（曲面）的圓滑程度考慮，通常選擇《€ [^，^]。插值樣條 曲線（曲面）中改變?nèi)魏我粋€(gè)型值點(diǎn)，對(duì)曲線形狀的影響限制在局部作用域中，且能保證最 終生成的曲線（曲面）精確通過每一個(gè)型值點(diǎn)。插值樣條曲面的計(jì)算公式為：
[0027]
[0028] 其中。0是提到的插值樣條曲線的一組基函數(shù)。（X，a),參見文獻(xiàn)4,u，v分別 是水平面平行方向和人體豎直方向上的坐標(biāo)，i和j是控制點(diǎn)的序號(hào)，取值范圍為i= 0, 1，…，m-1，j= 0, 1，…，n-1，m、n分別表示兩個(gè)方向上控制點(diǎn)的個(gè)數(shù)，Pi，j為一控制點(diǎn)的 坐標(biāo)，Amxn=(Pij)mxn是控制點(diǎn)矩陣；
[0029] 步驟1-3-3,控制點(diǎn)矩陣中的一個(gè)元素即為控制點(diǎn)的坐標(biāo)，將該坐標(biāo)與一組基函數(shù) 的值代入插值樣條曲面表達(dá)式中，通過調(diào)整參數(shù)方程中U，V的變化率，求得該人體部位表 面任意一個(gè)表面點(diǎn)的坐標(biāo)，表面點(diǎn)坐標(biāo)用于與服裝質(zhì)點(diǎn)進(jìn)行碰撞檢測(cè)；
[0030] 步驟1-3-4,對(duì)該人體部位生成的表面點(diǎn)進(jìn)行=角網(wǎng)格化得到人體模型的=角面 片，并計(jì)算各點(diǎn)法向量。
[0031] 步驟1-4包括；通過重復(fù)型值點(diǎn)法實(shí)現(xiàn)插值樣條曲面的光順拼