基于输入人体姿态实时生成的服装变形方法
【技术领域】
[0001]本发明属于视觉及数字化服装设计领域和计算机图形学领域，具体涉及基于输入人体姿态实时生成的服装变形方法。
[0002]
【背景技术】
[0003]在近20年来，在计算机图形学领域，基于物理的服装模拟已经成了一个热门的研究领域。它的主要工作是对不同造型的服装变形行为构建不同的模型。这些措施包括屈曲效果模型，非线性拉伸刚度模型以及接触自防撞模型，除了薄壳模型外，Kaldor等人提出了以纱线，针织为主的布料模拟方法。由于高分辨率的布网格仿真会带来了巨大的计算量，为了使仿真更有效的进行，研究人员推出自适应网格来进行服装仿真。目前的服装仿真开始于模拟复杂的内部摩擦现象和接触摩擦使布料产生逼真的布料皱纹效果。很多商业游戏引擎，例如Nvidia的PhyXTM等支持用简化的质量弹簧系统来进行服装的实时模拟，并且利用GHJ来加快仿真速度。然而，大多数游戏依然采用类似蒙皮的技术来合成服装动画，这样使得即使在低分辨率的情况下，矩阵求解器的成本和运行时碰撞处理的成本都在增加。目前，产生高质量的实时服装变形效果仍然是一个挑战。一个微小的潜在的身体姿势的变化都会导致服装产生丰富的褶皱和复杂的变形行为，而且这种身体动作的变化对服装变形的非线性影响是非局部的，例如抬起手臂的动作会引起腹部服装的变形。
[0004]基于物理的服装仿真可以直接模拟服装的非线性特性。但是要生成逼真的衣物变形效果就需要高分辨率的服装网格和昂贵的非线性求解器，这就导致它们在实时应用上具有一定的困难，比如游戏和虚拟试衣。数据驱动的服装仿真方法是从预先计算的服装在不同的身体姿势上的变形样品中合成服装变形效果。为了实现实时性能，只有通过简化服装变形和在假设线性和局部性的潜在身体姿势之间的关系来降低服装变形效果质量的方法来实现。
[0005]多分辨率服装仿真是将服装分割成几个不同部分的粗网格，然后分别计算它们的变形。一个能够很好的描述粗网格仿真时各网孔顶点详细褶皱的网格是仿真效果较好的网格。粗网格可以用来表现静态高分辨率的服装模拟，也可以在几次迭代后合成详细的服装褶邹效果，在实际生活中应用这种仿真方法之一的就是电脑游戏。
[0006]另一种方法是研究与粗网格仿真效果相关且具有高分辩率的服装变形之间的映射关系，如隐含的几何变形或局部位移向量。虽然这种方法可以产生详细的褶皱效果，但是他们推出的角色运动的动画仿真仍然受到数据库中训练数据的限制。
[0007]数据驱动的服装变形方法意在从之前预先计算的服装变形数据中得到衣服近似的静态和动态的表现形式。使用这种服装仿真方法时，只须关注较详细的仿真过程的数据驱动方法，James等人创建了一个易于控制的且减少了状态空间的服装模型，它可以实时响应用户的一些简单交互，如平移或旋转。Cordier等人提出了一个方法去找到服装和人体的潜在冲突区域。他们还开发了一个几何方法使用离线服装仿真数据进行实时仿真来推断出详细的服装变形，该技术通过匹配身体形状和混合的服装样例来计算混纺权重。Weber等人用潜在的身体姿势来参数化服装变形。控制参数和相应的服装变形之间关系的简洁表示可以通过构建一个复原模型来实现，这个方法被广泛的应用于角色蒙皮去提高骨骼空间变形质量。
[0008]敏感性分析在图形的各种优化问题上也得到了应用，如2D线条的设计和3D平面的设计。除了优化问题外，Umetani等人提出应用灵敏性分析从物理仿真中得到服装图案的交互式设计和互动开始的反馈信息。他们还可以利用这项技术去进行结构更加完善的服装模型设计。
[0009]
【发明内容】
[0010]本发明目的是针对目前虚拟试衣系统中服装仿真和变形模拟中存在的仿真过程复杂，算法计算量大，内存消耗过大和变形仿真效果不理想，不能实时表达人体姿态的问题，提出了一种基于输入人体姿态实时生成服装变形方法。
[0011]发明为实现上述目的，采用如下技术方案:
本发明一种基于输入人体姿态实时生成服装变形方法，包括骨架驱动的敏感性分析方法，基于敏感性的拟合服装方案，基于贪心算法的随机优化操作方案去构建服装数据库的方法，骨架驱动的敏感性方法产生身体蒙皮模型为后续的混合服装变形提供基本姿势蒙皮模型，构建的服装数据库为服装变形提供服装姿势样本。
[0012]基于输入人体姿态实时生成服装变形算法的实现过程主要分为两个阶段，具体如下:、
第一阶段:离线阶段的蒙皮优化操作 1-1)输入一个要进行服装变形模拟的姿态；
1-2)在系统中输入将要进行蒙皮的身体网格和网格各顶点以及服装网格和网格各顶点来构造身体姿势和服装变形姿势；
1-3)计算身体网孔变形各网孔顶点的权重，并在二维坐标系原点上定义骨骼根骨架，用以防止身体网孔的平移和变化；
1-4)分别计算骨骼的旋转权重和平移权重对身体表面网孔变形的影响；
1-5)合成一个基于输入姿态的身体网孔模型；
第二阶段:运行阶段的实时服装变形效果合成
2-1)将蒙皮后的人体模型分为若干个区域分别进行服装变形；
2-2)对每一个区域，在服装样例数据库中按照计算得出的各网格的旋转和平移权重选择相似的服装变形样例；
2-3)将选出的各区域的服装变形的各部分进行拟合，得到一个初始化的基于输入姿态的服装变形；
2-4)再对得到的初始化的服装变形样本进行穿透处理并增加动态效果与摩擦效果对服装变形的影响，得到最终的服装变形效果。
[0013]本发明主要针对以上的两个阶段提出了三个算法流程:a.如何对输入系统的姿势进行骨骼蒙皮b.怎样将蒙皮后的人体网格表面分成若干部分再进行服装变形模拟c.怎样解决服装变形过程中的穿透问题。
[0014]1)在本发明方案中，我们首先在每一个样例姿势的离线阶段去操作样例姿势的服装形状使其和潜在的身体骨骼的骨架变化相对应。为了模拟身体运动对服装变形的非局部影响，我们的方法是使用相邻的骨骼变形来对数据库中相似的服装变形效果进行比较将每一个布料的顶点联系起来。在运行时段，我们合成输入姿势的服装变形方法是通过混合周围实例身体动作的服装变形计算得到的。
[0015]2)骨骼蒙皮部分运用骨骼旋转权重和平移权重这两个参数来进行的，根据输入姿态的骨骼旋转权重可以实现对样例服装的变形，骨骼平移权重可以通过改变骨骼中心点位置来对服装变形进行影响，姿势旋转和平移的组合就类似于非线性和非局部的服装变形行为的组合。对于每一个样例姿势，我们的基于敏感性的优化方案为每一个服装顶点都选择了相应骨骼部分的旋转权重和平移权重。
[0016]3)服装变形模拟部分在服装的运行