基于物理建模的三维扫描服装重用技术

摘要

本文通过三维扫描仪对着装人体进行扫描以得到服装的三维几何模型，该模型精确地反映了真实服装的三维数据，是最接近真实服装形态的模型。但此时所获得的几何模型不能随着人体的体型和姿态变化而同步变形，影响了该类模型的可重用性。扫描服装这一特定的刚性外壳在应用到其他人体模型上时不能产生相应的变形，为了使其能够随着人体模型的变化而产生相应的褶皱等效果，我们将这一刚性外壳转化成柔性体也就是扫描服装的可重用性。因此，本文从重用扫描服装几何模型的角度出发，将其转换为基于物理建模的柔性对象，以实现在人体模型上的进一步着装。这里的关键问题是处理服装与人体的碰撞检测与响应，并保证在给定的应变约束阀值内服装对象的变形接近真实服装。所采用的技术包括几何模型拓扑结构的转换、应变约束、碰撞检测和响应技术，积分方法的选择以及仿真效果的细化等。
　　 在扫描服装几何模型的建立过程中，一般从原始的扫描点云到初始的较为光滑的几何模型需要经过降噪、重建、补洞等操作，我们采用Geomagic表面处理软件完成这三方面的操作，得到一个完整的服装几何模型。由于此时得到的是高密度表面网格，在柔性对象的转化过程中开销巨大，所以需要算法降低网格表面密度，并尽可能保持原有几何模型的拓扑结构，而一般的简化处理算法会导致网格的分布不匀，从而导致转化为基于质点一弹簧系统的物理模型时的一些潜在不稳定性，为此我们设计规则化处理算法改变原始不规则网格的拓扑结构，使其尽可能的均匀化。本文将服装几何模型转化为可重用性模型的处理流程是:首先对服装几何模型的网格进行规则化处理以得到规则网格。然后根据质点一弹簧系统将规则网格模型转化为柔性对象。在这个过程中使用瞬时速度控制法约束服装对象的尺寸稳定性。为提高仿真过程中积分方程求解的数值稳定性，在柔性对象的转化过程中采用了隐式积分方法。在服装转化为柔性对象以后，使用AABB(AxisAlignedBoundingBoxes)包围盒技术加速检测柔性对象与人体之间的碰撞，从而减少了几何碰撞单元之间交叉检测的时间复杂度。并采用了两种类型的碰撞处理方案:第一类型，检测真正发生碰撞的元素，通过求解碰撞时间，施加冲量防止碰撞的发生，但已经发生的穿透不能仅依靠这一阶段的处理完全恢复。第二类型，检测到已经发生穿透的元素，通过迭代过程解决已经发生的穿透。最后为了提高仿真的视觉效果，对模拟结果进行了表面细分，并通过迭代方法解决细分之后所产生的碰撞。本文的创新点如下:
　　 1、提出将服装的三维几何模型转化为柔性对象以增强其可重用性，使用规则化网格处理技术将不规则网格转化为稳定性更高的基于物理建模的柔性对象，并通过实验验证证明规则化处理效果前后的网格在视觉效果上基本一致，细节损失可以忽略不计，规则化网格完全可以替代原有的扫描服装几何模型，并采用悬垂实验验证了规则化处理在柔性对象的转化过程中的必要性，规则网格比不规则网格更能够体现原有扫描服装的穿着风格，更能体现可重用性的初衷，分析不规则网格与规则网格之间产生这种效果差异的主要原因，通过对多种服装模型分别作出曲率分布曲线和曲率分布图来验证原因分析的正确性。
　　 2、在碰撞检测与响应的处理方法上，使用AABB加速柔性对象与人体之间的碰撞检测，检测到邻近元素及实际发生穿透的元素。提出两种类型方法进行碰撞处理，第一类型的碰撞处理通过施加冲量有效防止邻近元素的碰撞;第二类型的碰撞处理将已经发生穿透的元素予以补偿校正，通过两种类型的碰撞处理有效去除服装与人体之间的穿透。
　　 3、采用质点-弹簧系统分别对织物和服装进行悬垂模拟，比较了几种常见积分方法的稳定性、网格拓扑结构、应变约束控制方法等技术进行了优化组合，综合外观视觉效果、模拟稳定性和模拟速度得出在无碰撞条件下最适于织物模拟的组合为规则网格拓扑结果下使用瞬时速度控制法控制应变约束，利用VelocityVerlet积分方法对数值方程进行求解。
　　 4、为提高仿真效果的逼真度，我们对于模拟后的结果进行细分和平滑等处理，由于细分造成网格顶点的移动使无穿透状态被破坏，细分网格与物体之间产生了新的碰撞，我们使用AABB包围盒与连续碰撞方法结合来检测这些碰撞，并对这些碰撞进行响应，使其移动到碰撞发生前的位置，迭代响应碰撞使其达到无穿透的状态，从而实现了提高模拟效果逼真度的目标。