虚拟人动画中的三维服装仿真技术研究

摘要

基于物理的三维服装仿真近几年是虚拟现实和计算机图形学领域的研究热点之一，作为三维服装CAD系统集成的核心部分，它可以有效克服传统二维CAD从前期设计到后期造型存在的一系列直观性差和效率低的缺陷。此外，实现三维人体着装的动静态模拟，让设计者和客户在计算机屏幕前直接从各个方向和角度观看穿着效果，并通过实时交互对服装的款式或尺码进行选择和修改，这些功能无疑还会有更广泛的应用前景，例如基于互联网的服装个性化订制、产品销售和虚拟展示等等。然而，服装物理仿真通常计算量庞大，如何在低端硬件平台或交互式环境(例如普通：PC或视频游戏)进行高质量模拟是一个新的挑战。 本文对虚拟人动画中的三维服装仿真技术进行了研究，包括虚拟人体建模、角色动画、布料物理模拟以及可变形体碰撞检测与响应，总体目标是构建一个完整的三维服装仿真环境，并且围绕系统实时性能完成高效算法的开发： (1)考虑到三维服装仿真对个性化人体模型的需求，提出了一种参数化人体形态建模方法。特征参数的确定依据人体测量学的相关原理和方法，结合计算机图形学轴变形技术，所实现的人体建模系统提供了非常直观的输入接口，并且该方法还有操作简单和建模速度快的优点。 (2)为了给三维服装动态展示提供角色动画支持，研究了骨架驱动的皮肤网格变形技术。对基于关节旋转单位四元数球面线性插值的骨骼混合算法进行了改进，引入轴心顶点校正机制改善皮肤网格的变形质量。同时，单位四元数量化查找表的构造以及插值表的预计算进一步提高了算法的执行效率。 (3)针对布料物理建模的计算效率和稳定性问题，提出一种基于约束的布料质点弹簧模型。非线性弹簧内力是影响微分方程数值求解稳定性和限制积分时间步长的主要因素，本文模型直接通过逆向动力学约束来模拟内力，进而避免了对其的显示计算。其它外力，例如重力等，都作为相对约束引入，结合Verlet数值积分器，模拟系统可以在较大程度上保持稳定。此外，碰撞响应是绝对约束。该模型可以采用较大的时间步长生成布料动画，总体计算量小，能够满足服装仿真应用的速度需求。 (4)为了保证仿真系统的实时交互性能，提出一种快速处理布料与环境对象碰撞的新方法。该方法以拟合性较好的三维凸包对环境对象的几何形状进行估计，将可变形网格模型之间的碰撞接触问题转化为布料质点相对于凸包刚体的穿透测试，极大地提高了系统整体性能。同时，结合三维凸包的一些特殊几何性质，本文还通过引入约束简化和预计算外围映射机制来进一步降低运行时算法的计算复杂度。 (5)将上述研究成果集成应用到三维服装仿真环境中，给出了不同的验证实例。开发了一个简单的二维衣片设计系统，通过虚拟缝合完成二维衣片到三维服装的转换。利用参数化人体建模技术，实现了不同体态特征人体对服装的款式和尺码的虚拟试穿效果展示。结合角色动画、布料物理模拟以及非精确可变形体碰撞处理等技术，最终得到了虚拟人体穿着服装的实时仿真动画。

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

1.1研究背景

1.2相关工作和研究现状

1.2.1概述

1.2.2人体建模

1.2.3角色动画技术

1.2.4基于物理的布料模拟

1.2.5可变形体碰撞检测与响应

1.3论文工作的意义和内容

1.4论文章节组织结构

第二章参数化三维人体形态建模技术

2.1引言

2.2相关工作

2.2.1人体建模方法

2.2.2空间几何变形技术

2.3人体测量与特征参数

2.3.1人体形态测量

2.3.2建模特征参数选择

2.4人体模板的选取与参数化

2.4.1测量平面的定义

2.4.2长度信息的提取

2.4.3围度信息的提取

2.5基本变形建模控制方法

2.5.1轴变形原理

2.5.2增加径向控制的扩展轴变形

2.6控制体的构造与变形建模

2.6.1长度变形控制

2.6.2围度变形控制

2.6.3变形建模

2.7变形网格自适应细分

2.8实验结果

2.9本章小结

第三章优化关联的骨骼皮肤动画技术

3.1引言

3.2相关工作

3.3改进的骨骼混合算法

3.3.1四元数与单位四元数插值

3.3.2角色骨架结构与运动表示

3.3.3基于旋转四元数球面线性插值的骨骼混合算法

3.3.4运行时皮肤网格顶点的轴心校正

3.4插值预计算性能优化

3.4.1单位四元数量化索引表的生成

3.4.2构造单位四元数插值表

3.4.3单位球剖分与算法验证

3.4.4数据结构运算的进一步优化

3.5皮肤网格顶点法向量的动态更新

3.6试验结果

3.7本章小节

第四章布料物理建模与实时仿真技术

4.1引言

4.2相关工作

4.2.1布料建模方法

4.2.2动力学方程数值求解

4.3基于约束的布料物理建模方法

4.3.1约束质点弹簧模型

4.3.2 Verlet积分器

4.4流体外力模型

4.5布料与简单几何实体的碰撞检测与响应

4.5.1几何体穿透测试

4.5.2碰撞响应策略

4.6算法流程描述

4.7实验结果

4.8本章小节

第五章布料实时碰撞检测与响应

5.1引言

5.2相关工作

5.2.1可变形体碰撞检测

5.2.2布料模拟的自碰撞检测优化

5.2.3模型简化

5.3空间剖分精确碰撞检测方法

5.3.1基本原理

5.3.2剖分空间体素哈希

5.3.3针对静止刚体与布料之间的碰撞处理

5.4基于对象几何简化凸包估计的快速碰撞检测算法

5.4.1碰撞对象的近似几何表示

5.4.2三维凸包

5.4.3凸包约束简化

5.4.4点在简化凸包内的快速判别

5.4.5快速计算碰撞响应信息

5.5实验结果

5.6本章小结

第六章三维服装仿真系统集成

6.1引言

6.2二维衣片辅助设计系统

6.2.1交互式绘制

6.2.2衣片生成与二维边界缝合

6.3基于物理的三维衣片虚拟缝合

6.4三维服装动态仿真

6.4.1人体模型碰撞预处理

6.4.2质点几何约束

6.4.3动态实时仿真流程

6.5各部分工作的系统集成

6.6实验结果

6.7本章小结

第七章总结与展望

7.1本文研究工作

7.2论文创新点

7.3主要成果

7.4展望

参考文献

攻读博士学位期间的成果

致谢