一种基于人体混合包围盒的动态服装仿真方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及动态人体服装仿真技术领域，具体涉及一种基于人体混合包围盒的动 态服装仿真方法。
【背景技术】
[0002] 基于物理模型的人体服装仿真一直是服装CAD和计算机图形学中的一个热点研 宄内容和挑战课题。它需要交叉运用计算机、数学、物理、服装工程等领域的知识，专注于真 实地、实时地、轻量化地生成织物和服装运动与变形的实际效果，在虚拟试衣、人体模拟、电 影游戏等领域中得到了广泛的应用。
[0003] 在动态人体服装模拟过程中，主要涉及到服装的有效物理模型构建，人体与服装 的碰撞检测等。对于服装物理模拟，首先遇到的问题为物理模型的建立，在建模问题上，传 统的服装模型的建模方法有连续介质模型、基于能量的粒子系统和弹簧-质点模型，其中 弹簧-质点模型构造较为简便。
[0004] 在实际模拟系统开发中如何更快速高效实时地处理人体与织物的碰撞关系是服 装模拟的最关键的问题，其需解决的难点在于如何巧妙并合理的减少人体模型碰撞处理的 面片数，减少碰撞检测的时间。包围盒技术能够通过一些较为简单的几何物体来近似地模 拟复杂的几何物体，从而达到减少碰撞处理时间的目的。目前使用比较广泛的包围盒技术 有球体包围盒、轴向包围盒（AABB)、有向包围盒（0BB)以及离散有向多面体（k-DOPs)等。 但是现有包围盒技术往往均存在包围盒数量过多，走形误差大，计算复杂，碰撞检测效率低 等缺陷。例如：Weller等使用内切球树进行检测刚体的碰撞与切入，但球形树最底层的球 形包围盒往往数量过多；Bradshaw等通过融合、爆发、膨胀等方法来减少球体的数量，由于 圆球是各向同性的，在表示尖锐或者平板型的特征时，容易出现较大的走形误差，选择椭圆 球作为包围体可以有效地解决这个问题；Bischoff等使用种子点构造初始椭圆球的方法， 将模型用椭球体分解，但单纯用椭球体来表示，存在计算复杂的问题，不能有效的化简计算 时间复杂度。
【发明内容】
[0005] 本发明所要解决的技术问题是提供一种可提高服装物理模型和人体模型的碰撞 检测速度、减少碰撞检测时间，实现快速逼真的动态服装仿真效果的基于人体混合包围盒 的动态服装仿真方法。
[0006] 本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种基于人体混合包围盒的动态 服装仿真方法，包括下列步骤：
[0007] S1 :输入人体模型，利用MCASG图算法对人体模型进行初次分割获取人体手臂与 躯干的分割点、腿部与躯干的分割点、头部与躯干的分割点，并将完整的人体模型分割为头 部、手臂部、躯干部和腿部；
[0008] S2 :利用K均值聚类算法对步骤S1中人体模型初次分割得到的手臂部以及腿部进 行二次分割处理，得到上手臂、下手臂、上腿部以及下腿部；
[0009] S3:根据上手臂、下手臂、上腿部、下腿部、头部以及躯干部位的具体形态特性确定 与人体模型各部位最为贴近且碰撞检测效率尽可能高的混合层次包围盒；
[0010] S4:运用弹簧-质点模型对服装建模，并对混合层次包围盒的人体模型进行与织 物的碰撞检测和响应。本发明是基于人体混合层次包围盒的服装模拟，先对给定的三维人 体模型做分割处理，通过初分割和二次分割，将一个完整人体模型分割成便于生成包围盒 的独立区域。分割完毕后对每个部位根据形状特征设置较为贴近的人体包围盒，本发明选 取包围盒的思想是选取最为贴近每个身体部位形状并且计算量相对较低的包围盒，然后对 每个部位的包围盒进行冲突碰撞的检测和处理。
[0011] 其中，在步骤S1中，将一个完整的人体模型与织物可能发生碰撞的部位进行分 害J，得到头部、手臂部、腿部、躯干等部位，但是其对人体模型初分割得到的初始结果，并不 适合直接用于人体包围盒的建立，比如初分割后得到的人体腿部有可能不是完全伸直的， 因此需要对初分割后的模型做二次分割。在步骤S2中，利用K均值聚类算法（K-Means Cluster)对人体模型进行二次分割。所述的K均值聚类算法是所有聚类算法中运用最为广 泛的划分聚类算法之一。它把每个数据点到原型的距离作为优化的目标函数，运用函数求 极值的方法得到迭代运算的调整规则，是基于原型的目标函数聚类算法的典范。在步骤S3 中，根据人体不同部位的具体形态特性来制定最贴近并且效率尽可能高的包围盒成了本发 明解决问题最基本的一步。
[0012] 作为优选，上手臂、下手臂、上腿部、下腿部采用圆柱体包围盒，头部采用圆球包围 盒，躯干部位采用椭圆柱包围盒，臀部部位采用圆球包围盒。其中，对上手臂、下手臂、上腿 部、下腿部采用圆柱体包围盒，所述的圆柱体包围盒的计算量比圆球包围盒多一次投影和 反投影的过程。实际运行过程中，计算量是圆球包围盒的大约两倍，它的优点在于与人体模 型的手臂部以及腿部的外形比较接近，并且具有碰撞检测与响应的计算量较低、可以用一 个圆柱体包围盒达到多个其他包围盒难以达到的效果以及包围手部和腿部的紧密度较高 等优点。此外，本发明考虑到人体模型的躯干部位的外形比较接近椭圆柱，并且椭圆柱具有 碰撞检测与响应的计算量较低、可以用一个椭圆柱包围盒达到多个其他包围盒难以达到的 效果以及包围躯干部位的紧密度较高等优点，所以采用椭圆柱包围盒模拟躯干部位。
[0013] 进一步地，所述步骤S3中躯干部位为女性躯干部位，所述女性躯干部位的胸部采 用圆球包围盒。
[0014] 在步骤S4中，弹簧-质点模型构造简便，而且能快速真实的模拟织物的弹性，柔软 性，垂摆性等，因此应用最为广泛。传统的弹簧质点模型将织物在微观上看成是若干个质点 的集合。质点由弹簧来连接，保持质点的相对位置，以实现真实的织物效果。质点本身没有 大小，但它具有一定的并且均匀分布的质量。质点与质点之间起连接作用的是弹簧，采用了 结构弹簧、剪切弹簧以及弯曲弹簧三种弹簧来模拟衣服质点之间的内力。
[0015]