三维虚拟人头发动态仿真研究

摘要

随着虚拟现实技术及计算机硬件性能的发展，计算机创造的虚拟人在众多领域正扮演着越来越重要的作用。头发作为一种传递特性和感觉的媒介，对于虚拟人的真实感起着重要的作用。但是，头发本身数量巨大、几何性质复杂，现有的头发仿真算法往往不能同时满足实时性和真实性。因此，虚拟人头发仿真技术的研究有着积极的现实意义。
　　本文主要研究内容包括头发建模、头发渲染、碰撞检测与响应三部分。在头发建模方面，在对3D头部模型文件重绘的基础上，利用重绘式拾取法在头皮层指定头发生长区域，并对单根发丝构建质点-弹簧模型。再根据质点的受力情况，采用动态跟踪控制点算法对发丝进行变形计算，并通过一种基于跟踪控制点思想的快速插值算法生成其他的发丝。在头发渲染方面，使用Marschner光照模型对环境光进行模拟，并基于阴影图算法和深度不透明阴影图算法对头发进行自阴影计算。同时，对头发进行半透明和抗锯齿处理，增强头发渲染的真实感。在碰撞检测与响应方面，通过对人体构造k-DOPs层次包围盒来处理头发与人体间的体碰撞问题，并运用流体力学的思想，利用FLIP(Fluid Implicit Particle)来维持头发所占有的体积以及处理彼此间的自碰撞问题。
　　在上述研究的基础上，本文建立了一个带有键鼠交互功能的三维虚拟人头发动态仿真统，该系统可以通过调节系统参数仿真出相对真实的虚拟人头发。实验结果表明，在普通的硬件配置下，本文提出的方法能够完成高质量的头发绘制和动态模拟。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 面临的困难和挑战

1．3 国内外研究现状

1．3．1 头发建模的研究现状

1．3．2 头发渲染的研究现状

1．4 研究目标及内容

1．4．1 研究目标

1．4．2 研究内容

1．5 本文结构安排

第2章 头发建模

2．1 头部模型文件的读取和绘制

2．1．1 OBJ文件格式解析

2．1．2 OBJ文件的读取

2．2 头发生长区域的确定

2．2．1 特征点法

2．2．2 重绘式拾取法

2．3 单根发丝的合成

2．4 变形计算

2．5 头发束的合成

2．5．1 发束分布控制

2．5．2 头发插值

2．6 本章小结

第3章 头发渲染

3．1 光照模型

3．1．1 Kajiya-Kay光照模型

3．1．2 Marschner光照模型

3．2 自阴影

3．2．1 阴影图算法

3．2．2 深度不透明阴影图算法

3．3 半透明

3．4 抗锯齿

3．5 本章小结

第4章 碰撞检测与响应

4．1 体碰撞的检测与响应

4．1．1 构造k-DOPs包围盒

4．1．2 构造k-DOPs包围盒树

4．1．3 头发与人体的碰撞检测与响应

4．2 自碰撞的检测与响应

4．2．1 构造速度场

4．2．2 更新速度场

4．3 本章小结

第5章 仿真结果与分析

5．1 实验开发环境

5．2 系统界面及各模块介绍

5．3 系统总体设计

5．4 实现细节与分析

5．4．1 三次样条插值

5．4．2 头发的绘制

5．4．3 多种头发造型的生成

5．4．4 风力作用下的头发运动

5．5 与传统算法的比较

5．6 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果