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三維人體與服裝建模技術(shù)的工學(xué)論文
在服裝CAD、網(wǎng)絡(luò)虛擬試衣、三維人體動(dòng)畫和游戲等應(yīng)用領(lǐng)域,都面臨著如何解決真實(shí)人體與服裝的三維重建問題,即人體與服裝的真實(shí)感虛擬建模。
在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中,物體的造型一般分為傳統(tǒng)幾何建模和物理建模兩大類。傳統(tǒng)幾何建模采用線框、表面和實(shí)體等造型技術(shù),只描述物體的外部幾何特征,適合靜止剛體的造型。物理建模則是將物體的物理特征和行為特征融進(jìn)傳統(tǒng)的幾何模型中,既包含了表達(dá)物體所需要的幾何信息,又包含了物體材料的物理性能參數(shù)。
在現(xiàn)實(shí)世界中,服裝的運(yùn)動(dòng)受織物材料特性和人體運(yùn)動(dòng)的共同影響。人體運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的肢體位移造成人體皮膚表面和服裝布料之間的碰撞,力的相互作用驅(qū)動(dòng)服裝跟隨人體運(yùn)動(dòng)。由于用計(jì)算機(jī)模擬人體與服裝真實(shí)效果的復(fù)雜性,在三維人體與服裝的造型中出現(xiàn)了幾何建模技術(shù)、物理建模技術(shù)、結(jié)合幾何與物理的混合建模技術(shù)。
1 三維人體與服裝的幾何建凄摻術(shù)
1.1人體
三維虛擬人體的幾何建模技術(shù)主要是曲面建模,又稱表面建模,這種建模方法的重點(diǎn)是由給出的離散數(shù)據(jù)點(diǎn)構(gòu)成光滑過渡的曲面,使這些曲面通過或逼近這些離散點(diǎn)。在人體曲面建模時(shí),主要采用基于特征的和參數(shù)化的人體曲面建模兩種具體建模方法。
1.1.1基于特征的人體曲面建模
基于特征的人體曲面建模根據(jù)人體的整體結(jié)構(gòu),將人體模型劃分為若干個(gè)基本的結(jié)構(gòu)特征。為進(jìn)行曲面造型,針對(duì)每個(gè)結(jié)構(gòu)特征可定義相應(yīng)的造型特征。造型特征分為主要造型特征(即人體模型中指定的特征)和輔助造型特征(即為了精確表達(dá)人體模型的較細(xì)節(jié)幾何特點(diǎn)所定義的造型特征)。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于.它使得人體模型的曲面建模更加靈活,可以針對(duì)人體模型不同部位的幾何特征,選擇最適合的曲面建模方法,而不必拘泥于某一種曲面表達(dá)方式。此外,還可較方便地改進(jìn)人體模型建模方法。根據(jù)人體模型尺寸表,可定義一系列的特征曲線,曲線的生成通過相關(guān)特征點(diǎn)(根據(jù)人體物理特性定義的點(diǎn))和模型樣本點(diǎn)(根據(jù)人體模型曲面造型需要定義的點(diǎn))來得到。僅靠特征曲線還不足以表達(dá)人體模型的所有幾何形狀,需補(bǔ)充定義幾何造型曲線,與特征曲線共同構(gòu)造出曲線網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)曲線多采用3次B樣條曲線表達(dá),人體曲面模型的構(gòu)建則采用B樣條曲面。
1.1.2參數(shù)化的人體曲面建模
參數(shù)化的人體曲面建模采用幾何約束來表達(dá)人體模型的形狀特征,從而獲得一簇在形狀上或功能上相似的設(shè)計(jì)方案。即在建模過程中應(yīng)結(jié)合人機(jī)工程學(xué)原理,利用人體各部分固有的比例關(guān)系,從人體模型的眾多特殊尺寸中提取出起決定性作用的參數(shù)。一旦幾何特征參數(shù)確定下來,系統(tǒng)將根據(jù)人機(jī)工程學(xué)原理,修改相應(yīng)的主要造型特征,使其滿足新的尺寸要求。同時(shí),利用人體模型主、輔造型特征問的關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu),修改相關(guān)的輔助造型特征,獲得新的人體模型造型特征,對(duì)新的人體模型造型特征進(jìn)行曲面造型,最終得到用戶所需的人體模型。參數(shù)化建模是一種更為抽象化的建模方法,它以抽象的特征參數(shù)表達(dá)復(fù)雜人體的外部幾何特征,依托于常規(guī)的幾何建模方法,使設(shè)計(jì)人員能夠在更高、更抽象的層面上進(jìn)行人體設(shè)計(jì)。
NMThalmann和DThalmann最早使用多邊形表面生成虛擬人MarilynMonroe,之后又提出JLD算符用于對(duì)人體表面的變形。Forsey將分層B樣條技術(shù)用于三維人體建模。Douros等使用B樣條曲面重構(gòu)三維掃描人體模型。曲面模型的優(yōu)點(diǎn)是速度較快,缺點(diǎn)是不考慮人體解剖結(jié)構(gòu),取得非常逼真的模擬效果比較困難。提高表面模型的逼真性是目前的研究熱點(diǎn)之一。
盡管曲面建模技術(shù)已經(jīng)能夠完整地描述人體的幾何信息和拓?fù)潢P(guān)系,但所描述的主要是人體的外部幾何特征,對(duì)人體本身所具有的物理特征和人體所處的外部環(huán)境因素缺乏描述,對(duì)于人體動(dòng)態(tài)建模仍有一定的局限性。
除曲面建模方法外,還有棒狀體建模和實(shí)體建模方法。棒狀體建模是最早出現(xiàn)的虛擬人體幾何建模方法,人體表示為分段和關(guān)節(jié)組成的簡(jiǎn)單連接體,使用運(yùn)動(dòng)學(xué)模型來實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫模擬,實(shí)現(xiàn)人體的大致動(dòng)作。實(shí)體模型使用簡(jiǎn)單的實(shí)體集合模擬身體的結(jié)構(gòu)與形狀,例如圓柱體、橢球體、球體等,然后采用隱表面的顯示方法,其計(jì)算量大,且建模過程非常復(fù)雜。在三維人體模型結(jié)構(gòu)中,實(shí)體模型和棍棒體模型基本上已較少使用。
1.2服裝
服裝的幾何建模方法著重模擬布料的幾何表象,尤其是波紋、褶皺等,不考慮服裝面料的物理特性,將織物視為可變形對(duì)象,用幾何方程表達(dá)并模擬虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的織物動(dòng)畫效果。目前常用B樣條曲面、Bezier曲面:INURBS曲面來進(jìn)行服裝曲面造型。
Lalfeur等開始用簡(jiǎn)單的圓錐曲面代表一條裙子,并穿著在一個(gè)虛擬模特上,以人體周圍生成的排斥力場(chǎng)來模擬碰撞檢測(cè)。Hinds等將人體模型的上半軀干進(jìn)行數(shù)字化圖像處理以獲得基礎(chǔ)人形,提出了在人體模型上定義一系列位移曲面片的、典型的幾何三維服裝建模方法,用三維數(shù)字化儀取得人體模型上的三維空間點(diǎn),然后用雙3次B樣條曲面擬合得到數(shù)字化的人體模型,服裝衣片被設(shè)計(jì)成圍繞人體模型的曲面,然后將之展開到二維,這些服裝衣片是通過幾何建模得到的。
此方法計(jì)算速度較快,模擬出的服裝具有其形態(tài)特點(diǎn),生成的圖形具有一定的織物視覺效果,但不能代表特定的服裝織物,仿真效果較差。
2三維人體與腑裝的物建模技術(shù)
2.1人體
為使三維人體動(dòng)畫仿真效果更佳,AHBarr提出了物理建模思想,將人體的物理特性加入到其幾何模型中,通過數(shù)值計(jì)算對(duì)其進(jìn)行仿真,人體的行為則在仿真過程中自動(dòng)確定。
物理建模方法具有更加真實(shí)的建模效果,能有效地描述人體的動(dòng)態(tài)過程,采用微分方程組的數(shù)值求解方法來進(jìn)行動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的計(jì)算,計(jì)算更為復(fù)雜。
2.2織物和服裝
服裝的物理建模對(duì)服裝進(jìn)行三角、網(wǎng)格或粒子劃分,通過構(gòu)造織物對(duì)象的結(jié)構(gòu)力學(xué)模型,進(jìn)行能量、受力分析,用計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)可視化地模擬三維形態(tài),能較真實(shí)地模擬柔性物體的特性。物理建模與織物的微細(xì)結(jié)構(gòu)有關(guān),需要確定織物物理力學(xué)參數(shù)。模擬結(jié)果與真實(shí)織物的接近程度取決于所用的數(shù)學(xué)模型和計(jì)算方法。 由于織物微結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型各不相同,物理模型可分為連續(xù)模型和離散模型兩類。計(jì)算方法可分為力法和能量法。力法用微分方程表達(dá)織物內(nèi)部微元之間的力,進(jìn)行數(shù)值積分以獲取每一時(shí)間步長(zhǎng)下微元的空間位置,從而得到整個(gè)織物在該時(shí)間步長(zhǎng)下的變形形態(tài)。能量法通過方程組計(jì)算整片織物的能量,然后移動(dòng)織物結(jié)構(gòu)內(nèi)的微元使之達(dá)到最量狀態(tài),從而確定織物的最終變形形態(tài)。通常,能量法多用于織物靜態(tài)懸垂的模擬,而力法用于動(dòng)態(tài)懸垂的模擬。
2.2.1連續(xù)模型
連續(xù)模型將織物看作是由大量微元素相集合的連續(xù)體,運(yùn)用研究連續(xù)體的力學(xué)方法對(duì)織物進(jìn)行力學(xué)分析和研究。通常用變形殼體、彎板、薄片、薄膜單元或變形粱單元代表織物的微元。在連續(xù)模型中使用有限元方法是目前發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)。
最早Shanahan等以材料片/板理論對(duì)織物建模。在19世紀(jì)80年代,Lloyd采用基于膜元素的有限元模型,F(xiàn)eynman使用彈性片理論,Terzopoulos等基于彈性理論的變形模型,Collier把織物看作正交各向異性的膜元素,采用幾何非線性有限元法。2O世紀(jì)90年代,Ascough使用簡(jiǎn)單變形梁元素,Yamazaki等在粱元素基礎(chǔ)上,加入外部力。2000年后,Kang等提出基于連續(xù)殼理論的顯式動(dòng)態(tài)有限元分析方法實(shí)現(xiàn)了一套三維服裝懸垂形狀預(yù)言快速反應(yīng)系統(tǒng),JinlianHu等提出有限體積法(FVM)。
在目前的使用中,織物的微觀非連續(xù)結(jié)構(gòu)與有限元素的分割尺寸相比很小,將織物看作連續(xù)體,并忽略織物在微元水平內(nèi)的相互作用,在一定范圍內(nèi)具有合理性。即使是如此簡(jiǎn)化,連續(xù)模型的計(jì)算量仍相當(dāng)大,計(jì)算過程繁瑣耗時(shí),不能用于服裝的實(shí)時(shí)仿真。
2,2.2離散模型
織物是由大量纖維、紗線形成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)體,是非連續(xù)的,宜使用離散的方法建立模型。1994年Breen等提出采用相互聯(lián)系的粒子系統(tǒng)模型模擬織物的懸垂特性,1996年Eberhardt等發(fā)展了Breen的粒子模型,體現(xiàn)了織物的滯后效應(yīng),增加了風(fēng)動(dòng)、身動(dòng)等外力對(duì)服裝面料的影響。在粒子系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,由Provot和Howlett先后提出的質(zhì)點(diǎn)一彈簧模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,容易實(shí)現(xiàn),計(jì)算效率較高,取得了較好的應(yīng)用效果。該模型將服裝裁片離散表達(dá)為規(guī)則網(wǎng)格的質(zhì)點(diǎn)~彈簧系統(tǒng)。每一個(gè)質(zhì)點(diǎn)與周圍相連的若干個(gè)質(zhì)點(diǎn)由彈簧相連,整個(gè)質(zhì)點(diǎn)一彈簧系是一個(gè)規(guī)則的三角形網(wǎng)格系統(tǒng)。Desbrun等對(duì)質(zhì)點(diǎn)~彈簧模型加以延伸、擴(kuò)展和改進(jìn),綜合顯式、隱式積分,提出一種實(shí)時(shí)積分算法,可實(shí)現(xiàn)碰撞和風(fēng)吹等檢測(cè)和反應(yīng)。劉卉等也用改進(jìn)的質(zhì)點(diǎn)一彈簧模型完成了模擬服裝的嘗試。
物理建模方法雖然仿真效果更接近真實(shí)狀態(tài),但因模型中包含的有效織物力學(xué)結(jié)構(gòu)參數(shù)很難確定,加之運(yùn)算時(shí)間太長(zhǎng),應(yīng)用受到了限制。
人體多層次模型是最接近人體解剖結(jié)構(gòu)的模型,通常使用骨架支撐中間層和皮膚層,中間層包含骨骼、肌肉、脂肪組織等,因此人體從內(nèi)到外分成骨架、骨頭、肌肉、脂肪和皮膚等幾個(gè)層次,可分別采用不同的建模技術(shù)。骨頭層可看成剛性物體,采用幾何模型。皮膚層屬于最外層,需要較多的真實(shí)性,可采用基于物理的模型,指定皮膚層每個(gè)頂點(diǎn)的質(zhì)量、彈性、阻尼等物理參數(shù),計(jì)算每個(gè)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)特性,實(shí)現(xiàn)皮膚的變形。皮膚需要匹配到骨架上,其動(dòng)態(tài)擠壓和拉伸效果由底層骨架運(yùn)動(dòng)及肌肉體膨脹、脂肪組織的運(yùn)動(dòng)獲得,附著于骨頭上的肌肉和脂肪也得適當(dāng)?shù)夭捎梦锢斫7绞叫纬伞?/p>
Chadwick等提出了“人體分層表示法”的概念。在此基礎(chǔ)上,Thalmann等提出一種更加高效的、基于解剖學(xué)的分層建模算法來實(shí)現(xiàn)人體的建模與仿真。通過這種方法建立的人體模型從生理學(xué)和物理學(xué)角度都能實(shí)現(xiàn)更加逼真的效果,但模型復(fù)雜度高,人體變形時(shí)計(jì)算量大。
幾何建模能賦予服裝更靈活的形狀,可以方便地修改服裝的長(zhǎng)短胖瘦、結(jié)構(gòu)線等外觀形狀,模型簡(jiǎn)單,執(zhí)行速度快,但不能通過參數(shù)控制服裝的懸垂及質(zhì)感。物理建模允許通過選擇參數(shù)值較為直觀地控制服裝的懸垂及質(zhì)感,如增加質(zhì)量參數(shù)值將得到厚重織物,但模型復(fù)雜,計(jì)算費(fèi)時(shí)。服裝的混合建模技術(shù)吸取了幾何和物理的優(yōu)點(diǎn)。通常在圖形生成或模擬過程中,先用幾何方法獲得大致輪廓,再用物理約束和參數(shù)條件進(jìn)行局部結(jié)構(gòu)細(xì)化,從而獲得逼真、快速的模擬圖形。
Kunii和Godota使用混合模型實(shí)現(xiàn)了對(duì)服裝皺褶的模擬。Rudomin在進(jìn)行模擬時(shí)先使用幾何逼近的方法,在人體的外圍生成…個(gè)3DJ]~裝凸包,給出了懸垂織物的大致形狀,后利用Terzopoulos的彈性形變模型對(duì)織物的形態(tài)進(jìn)行細(xì)化處理。
在實(shí)際應(yīng)用中,混合建模技術(shù)更適合于織物和服裝變形形態(tài)的模擬,既能滿足對(duì)服裝三維效果的仿真,且能在一定程度上實(shí)現(xiàn)三維交互設(shè)計(jì),計(jì)算時(shí)間也將顯著縮短,可以滿足實(shí)時(shí)的要求,是目前較好的選擇。
在三維人體建模上,對(duì)靜止人體的實(shí)現(xiàn)主要采用面建模技術(shù),重點(diǎn)描述人體的外表面,即皮膚的外形。為了實(shí)現(xiàn)人體的動(dòng)態(tài)仿真,需要考慮人體本身的物理特征(如質(zhì)量、密度、材料屬性等)和行為特征,使得計(jì)算機(jī)模擬的人體活動(dòng)符合真人的運(yùn)動(dòng)效果,采用了物理建模技術(shù),但由于人對(duì)人體解剖結(jié)構(gòu)、自身組織及器官的物理特性、人體運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力學(xué)行為等研究和了解得并不充分,很難建立起完整的三維人體物理模型。
在三維服裝模擬上,需要設(shè)置面料的質(zhì)地、圖案、色彩、尺寸及環(huán)境的燈光、重力、風(fēng)源、風(fēng)速、風(fēng)向等,以及人體與服裝的動(dòng)力學(xué)約束,才能完成服裝動(dòng)態(tài)特性的運(yùn)動(dòng)模擬和仿真。服裝的幾何建模能方便模擬面料的幾何表象,但也只能實(shí)現(xiàn)服裝的外觀形狀。物理建模技術(shù)大多用于對(duì)單個(gè)織物的動(dòng)態(tài)模擬,對(duì)整個(gè)由衣片縫合而成的、具有一定款式和飾物的服裝造型則過于復(fù)雜。
要實(shí)現(xiàn)虛擬試衣、虛擬時(shí)裝表演、服裝的網(wǎng)上展示和虛擬購(gòu)物等的虛擬環(huán)境,不僅需要建立人體和服裝的模型,而且還要考慮人體、服裝間、人體與服裝間的碰撞,因此統(tǒng)一人體和服裝的造型是必需的。結(jié)合幾何建模和物理建模的各自優(yōu)點(diǎn),接近人體解剖結(jié)構(gòu),把最外層設(shè)置為服飾層的人體多層次模型將是今后重點(diǎn)研究的方向。
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