真实感人体动画技术中人体造型与皮肤变形的研究

摘要

计算机动画是计算机图形学和艺术相结合的产物，它在计算机上生成连续的虚拟真实或仿真画面。人体动画技术是计算机动画领域内一个富有挑战性的研究方向，因为人体有200 个以上的自由度和非常复杂的运动，而且不同人之间的皮肤形状不同，人的肌肉会在运动中拉伸和收缩，因此人体的造型和动画具有高度的复杂性。并且计算机动画面向的观众就是人本身，人对计算机动画中人体的运动和皮肤变形是非常敏感的，往往可以察觉非常细微的区别，因此要求具有相当高的真实性。 基于人体生理结构的层次式建模技术和基于运动捕获数据的人体动画技术是真实感人体动画领域新的研究方向，能够产生非常逼真的人体动画效果。首先基于人体解剖学，构造人体的骨骼-肌肉模型，然后扫描真实的人体皮肤，再用捕获到的人体真实运动的数据来驱动这些模型变形产生人体动画。由于是根据解剖学和人体真实运动数据来生成人体动画，并且模拟了肌肉的拉伸和隆起变形，因此更加接近物理现实，具有高度真实感。 人体动画的研究主要集中在两个方面：人体的运动控制技术和人体造型与皮肤变形技术。前一部分实验室里已经做过多年的研究，本文主要针对后一部分进行研究。 本文依托于国家自然科学基金项目数据驱动的真实感人体建模与运动控制技术（60573147）。主要的创新工作包括： 1．建立人体骨骼-肌肉模型作为模板，用户不用关心骨骼和肌肉的形状等细节，只需要指定皮肤的骨架（局部坐标信息），骨骼-肌肉模板就可以自动变形配准皮肤，这大大降低了现有的基于解剖学建模方法的复杂度。采用运动数据驱动扫描到的皮肤，比根据骨骼-肌肉模型生成的隐式面更具人体真实感。 2．本文提出了一种肌肉参数自动化设置方法，能自动找到肌肉重采样的作用点，大大简化了系统中耗时的人工设置肌肉参数阶段，提升了系统的效率和准确率。本方法需要使用曲线重建算法如Crust 算法。 3．基于骨骼-肌肉模型和运动捕获数据驱动人体皮肤变形方法，本文提出了一种基于肌肉网格顶点驱动变形的自由变形方法（Free-Formdeformation），待变形物体可以不必局限于特定空间内，增加了算法的灵活性。