一种计算机中人体服装动态仿真实现方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及计算机图形学技术领域，尤其设及到计算机服装仿真技术领域的计算 机中人体服装动态仿真实现方法。
【背景技术】
[0002] 虚拟试衣是当今虚拟现实领域的热点问题，相关技术被应用到诸多领域，如网络 购物、CG电影、3D游戏、S维动画等。网络购衣无疑是虚拟试衣应用最重要的领域，该一新 兴技术为广大消费者带来了巨大便利，具有节约成本，节约时间，选择更加多样化等优势。
[0003] 目前基于物理的仿真方法是动态服装仿真的主流，因为该种方法可W取得较好的 视觉效果，并且能够满足试衣系统的实时性要求，另外，较之几何仿真方法，灵活性较强，更 适合动态试穿仿真。然而，随着用户对视觉感受需求的提高，试穿仿真不仅需要满足实时性 和一定的真实性，还需要具备多样性，多样性包括服装造型、材质的多样性和人体体型、动 作的多样性。
[0004] 在不同体型、动作的人体上试穿，机器学习的方法是当前非常热口的方法，如文献 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。该方法的一个关键部 分就是被称为DRAPE(DRessingAnyPErson)的衣服模型，是由通过学习具有特定体型和姿 势人体上的服装模型得到的。首先把基本物理模拟方法产生的衣物穿在具有不同体型和姿 势的人体训练集上进行学习；然后由DRA阳产生刚性姿态，姿态无关性是体型变化W及姿 态有关的權皱形变，该里需要利用SCAPE模型来表示不同姿态上不同形状的人体。给出一 个输入的人体，则按照人体姿势和体型会产生一个合适的服装配置。衣服的拟合处理消除 了衣服与人体相互渗透而创造出了逼真的动画，实现多样化的试穿仿真。实验结果表明该 方法适用于场景中包含很多人体并且每个人体可能体型姿势各异，在该种情况下可W快速 实现穿衣。但由于对每个姿势都需要训练，因此更适合静态展示，不适合于动态模拟。
[0005] 实现不同服装材质的方法有两种，即基于几何的和基于物理的，文献 2:FENG,W.,YU,Y. ,KIM,B.Adeformationtransformerforreal-timecloth animation[C].In:ProceedingsofSpecialInterestGroupforComputerGraphicsand InteractiveTechniques.Asia:ACMPress29, 4,Article108(July2010)中提出 了在实 时布料动画中通过数据驱动模型w实现權皱效果。具体是使用数据驱动模型将低分辨率低 质量的服装模拟转换成高分辨率的模拟。衣服模型的动力学特征由低分辨率的基于物理的 模拟表示，而衣服表面的高分辨率空间特性（權皱）由从低维得来的数据驱动模型产生，该 数据驱动模型是通过从衣服模型中提取的旋转不变量来训练获得的，因而是独立于所选取 的低分辨率模型的模拟技术。通过低频布料的单步模拟、变形转换和碰撞检测、高频布料表 面重构和擅染实现布料动画，变形转换包括两个非线性映射，分别负责产生中等尺度和精 细尺度的形变。该方法由于旋转不变量独立于模型，模拟耗时较少，能够用低分辨率模拟的 时间实现高分辨率模拟的效果。不足之处是预处理时间长，另外如果衣服嵌入人体，也会直 接影响到最终的实验结果。
[0006] 文献 3:WANG,H.，0'BRIEN,J.F.ANDRAMAM00RTHI,R. 2011.Data-driven elasticmodelsforcloth:modelingandmeasurement.ACMTransactionson Graphics(TOG) 30, 71介绍了一种基于物理的试穿仿真方法，首先文中指出布料具有非线性 特征，因此使用分段线性弹黃W近似非线性，其次提出在传统质点弹黃模型的基础上增加 更多方向的弹黃W更加充分地考虑布料的各向异性特点，同时对不同的弹黃做合理的参数 设置W实现材质区分。建模过程中使用了 24个拉伸参数和15个弯曲参数。数据库中包含 10种材质的样本。不同材质的参数数值是通过实际测量材质的物理属性得到的。该一方法 真实性较高，但是由于其耗时较多不适合于较复杂布料，另外，每一种材质都需要测量非常 多的参数，因此在一定程度上限制了该方法的扩展性。
[0007] 综上，现有方法的缺点主要有；文献1中人体模型的体型改变缺少灵活性，建成人 体难W完成连续动作；文献2中基于几何的材质实现方法不利于动态效果的实现，文献3虽 是基于物理的材质实现，但增加了过多参数，直接影响试衣系统效率，对于较复杂服装模型 的仿真会欠缺实时性。
【发明内容】
[000引发明目的；本发明的目的是针对W上技术问题，提供一种使得人体模型更加易于 改变的计算机中人体上的服装动态仿真实现方法。
[0009] 为了解决上述技术问题，本发明公开了一种计算机中人体服装动态仿真实现方 法，包括如下步骤：
[0010] 步骤1，参数化人体建模：使用插值样条曲面对人体的各个部位分别建立曲面 模型并进行光顺拼接，建立完整的人体网格模型，参数化建模方法无需获得人体表面的 全部信息，只需根据获取的特征点和特征尺寸，求出型值点，使用文献4 ;化angR-J，Ma W.Anefficientschemeforcurveandsurfaceconstructionbasedonasetof interpolatorybasisfunctions.ACMTransactionsonGraphics2011 提出的插值样条 曲面对各个部位的人体分别建立曲面模型并进行光顺拼接，就能建立完整的人体模型；
[0011] 步骤2,载入服装模型，对服装模型和人体网格模型进行预处理；
[0012] 步骤3,对服装模型构建质点-弹黃模型，进行仿真动画计算；
[0013] 步骤4,对质点-弹黃模型进行积分后校正；
[0014] 步骤5,对服装模型和人体网格模型进行碰撞检测和响应。
[001引其中，步骤1包括如下步骤；
[0016] 步骤1-1，获取人体表面的特征点和特征尺寸；
[0017] 步骤1-2,根据获取的特征点和特征尺寸，W特征点为基准，根据特征尺寸和一定 的比例关系（比例关系因人而异），如已知左膝特征点和小腿围该一特征尺寸，W特征点 为中屯、，小腿围乘W-定的比例作为半径，即可求出周围一圈型值点，此处比例根据需要改 变，因此该圈型值点不是规则圆形，通过该种方法求出每圈型值点，从而可得所有表面型值 点，文献5:陈森.参数化S维人体建模与系统实现巧].南京大学，2014对型值点做了详 细介绍；
[0018] 步骤1-3,对人体部位进行分块表面重建，采用插值样条曲面建立每个分块部位的 曲面构成曲面模型，获得人体部位生成点的法向量，曲面模型较之实体模型和线框模型，可W兼顾真实性和效率；
[0019] 步骤1-4,对各个人体分块部位的曲面进行光顺拼接；
[0020] 步骤1-5,加入法向量、根据设置的环境光参数模拟光照W显示人体模型；
[0021] 步骤1-6,通过改变骨架点坐标W驱动人体动作实现人体动画，通过改变特征尺寸 实现人体体型的改变，骨架点是特征点中人体每个部位接合处的点，是与运动相关的，如膝 盖点，而有些特征点如乳高则不是骨架点。
[0022] 对于每个人体部位，步骤1-3包括如下步骤：
[002引步骤1-3-1，将该部位分层，每层都是一条闭合曲线，由于使用插值样条建模，因此 曲线通过控制点，可W得到每层曲线的控制点，形成该部位的控制点矩阵，控制点可W方便 地控制曲线形状；
[0024]步骤1-3-2,求取插值样条曲线的一组基函数，公式如下；
[00巧]
[0026] 其中X是曲线所在局部坐标系的横坐标，e是自然对数的底数，a是一个大于零的 常数，从误差角度W及最终生成曲线（曲面）的圆滑程度考虑，通常选择《€ [^，^]。插值样条 曲线（曲面）中改变任何一个型值点，对曲线形状的影响限制在局部作用域中，且能保证最 终生成的曲线（曲面）精确通过每一个型值点。插值样条曲面的计算公式为：
[0027]
[0028] 其中。0是提到的插值样条曲线的一组基函数。（X，a),参见文献4,u，v分别 是水平面平行方向和人体竖直方向上的坐标，i和j是控制点的序号，取值范围为i= 0, 1，…，m-1，j= 0, 1，…，n-1，m、n分别表示两个方向上控制点的个数，Pi，j为一控制点的 坐标，Amxn=(Pij)mxn是控制点矩阵；
[0029] 步骤1-3-3,控制点矩阵中的一个元素即为控制点的坐标，将该坐标与一组基函数 的值代入插值样条曲面表达式中，通过调整参数方程中U，V的变化率，求得该人体部位表 面任意一个表面点的坐标，表面点坐标用于与服装质点进行碰撞检测；
[0030] 步骤1-3-4,对该人体部位生成的表面点进行=角网格化得到人体模型的=角面 片，并计算各点法向量。
[0031] 步骤1-4包括；通过重复型值点法实现插值样条曲面的光顺拼