虚拟人头发实时模拟研究

摘要

随着计算机图形学的发展和显示技术的不断更新，把虚拟人体作为动画角色已经成为计算机动画中的研究热点。当前，计算机创造的虚拟人物在电影、游戏、广告等领域都有着广泛的应用。头发绘制对于绘制真实的人体起着至关重要的作用。然而，如何在实时条件下实现头发的真实绘制一直是计算机图形学领域中一个非常具有挑战性的问题。可编程图形硬件技术的高速发展为虚拟人头发的实时模拟提供了可能。 本文提出了一种基于可编程图形硬件支持的实时头发绘制算法。传统的基于交互的头发建模，会遇到头皮模型复杂、效率较低和手工分布发束工作量大的困难，本文通过在第三方软件中设置关键发线的方式，可以完成发线在头皮网格上的均匀分布和发束面片的生成。算法独立于头部网格模型的几何特性，能够应用于不同的场景。 由于头发的各向异性，传统光照算法很难在实时条件下完成复杂头发模型的光照计算。为了增强模拟的真实性，本文利用Kajiya-Kay光照模型完成对头发漫反射光和镜面反射光的模拟，算法支持光源的动态调整，能够实时计算出不同光照影响下头发表面的几何和光学特性。并利用阴影图实时生成头发阴影，借助可编程流水线加快实时阴影模拟的效率。 最后，本文利用OpenGL作为虚拟人头发实时模拟的开发平台和工具，实验结果表明，使用普通的硬件配置，本文算法就可以实现头发的实时模拟。

目录

文摘

英文文摘

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第一章绪论

1.1虚拟人动画

1.2头发动画模拟

1.2.1研究现状

1.2.2存在挑战

1.3论文工作

1.4论文组织

第二章头发模拟的相关技术

2.1几何建模

2.1.1发线模型

2.1.2发簇模型

2.1.3表面模型

2.1.4粒子系统

2.2运动模拟

2.3头发渲染

2.4小结

第三章头发建模

3.1基于交互的几何建模

3.2头部模型优化

3.2.1原始模型生成

3.2.2基于层次的网格简化

3.3发束控制与生成

3.3.1头发模型分析

3.3.2特征发线指定

3.3.3发束分布控制

3.3.4发束面片生成

3.4小结

第四章光照与阴影模拟

4.1光照模型

4.1.1 Marschner模型

4.1.2简化光照模型

4.2阴影模拟

4.3小结

第五章渲染与实验结果

5.1图形编程流水线

5.1.1顶点着色

5.1.2像素着色

5.2绘制

5.3实验结果与分析

5.4与传统算法的比较

5.5小结

第六章总结与展望

6.1总结

6.2主要创新点

6.3展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文