虛擬人動(dòng)畫中的三維服裝仿真技術(shù)研究.pdf

1、基于物理的三維服裝仿真近幾年是虛擬現(xiàn)實(shí)和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一，作為三維服裝CAD系統(tǒng)集成的核心部分，它可以有效克服傳統(tǒng)二維CAD從前期設(shè)計(jì)到后期造型存在的一系列直觀性差和效率低的缺陷。此外，實(shí)現(xiàn)三維人體著裝的動(dòng)靜態(tài)模擬，讓設(shè)計(jì)者和客戶在計(jì)算機(jī)屏幕前直接從各個(gè)方向和角度觀看穿著效果，并通過(guò)實(shí)時(shí)交互對(duì)服裝的款式或尺碼進(jìn)行選擇和修改，這些功能無(wú)疑還會(huì)有更廣泛的應(yīng)用前景，例如基于互聯(lián)網(wǎng)的服裝個(gè)性化訂制、產(chǎn)品銷售和虛擬展示等等。然而，服

2、裝物理仿真通常計(jì)算量龐大，如何在低端硬件平臺(tái)或交互式環(huán)境(例如普通：PC或視頻游戲)進(jìn)行高質(zhì)量模擬是一個(gè)新的挑戰(zhàn)。 本文對(duì)虛擬人動(dòng)畫中的三維服裝仿真技術(shù)進(jìn)行了研究，包括虛擬人體建模、角色動(dòng)畫、布料物理模擬以及可變形體碰撞檢測(cè)與響應(yīng)，總體目標(biāo)是構(gòu)建一個(gè)完整的三維服裝仿真環(huán)境，并且圍繞系統(tǒng)實(shí)時(shí)性能完成高效算法的開發(fā)： (1)考慮到三維服裝仿真對(duì)個(gè)性化人體模型的需求，提出了一種參數(shù)化人體形態(tài)建模方法。特征參數(shù)的確定依據(jù)人體測(cè)量

3、學(xué)的相關(guān)原理和方法，結(jié)合計(jì)算機(jī)圖形學(xué)軸變形技術(shù)，所實(shí)現(xiàn)的人體建模系統(tǒng)提供了非常直觀的輸入接口，并且該方法還有操作簡(jiǎn)單和建模速度快的優(yōu)點(diǎn)。 (2)為了給三維服裝動(dòng)態(tài)展示提供角色動(dòng)畫支持，研究了骨架驅(qū)動(dòng)的皮膚網(wǎng)格變形技術(shù)。對(duì)基于關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)單位四元數(shù)球面線性插值的骨骼混合算法進(jìn)行了改進(jìn)，引入軸心頂點(diǎn)校正機(jī)制改善皮膚網(wǎng)格的變形質(zhì)量。同時(shí)，單位四元數(shù)量化查找表的構(gòu)造以及插值表的預(yù)計(jì)算進(jìn)一步提高了算法的執(zhí)行效率。 (3)針對(duì)布料物理建

4、模的計(jì)算效率和穩(wěn)定性問(wèn)題，提出一種基于約束的布料質(zhì)點(diǎn)彈簧模型。非線性彈簧內(nèi)力是影響微分方程數(shù)值求解穩(wěn)定性和限制積分時(shí)間步長(zhǎng)的主要因素，本文模型直接通過(guò)逆向動(dòng)力學(xué)約束來(lái)模擬內(nèi)力，進(jìn)而避免了對(duì)其的顯示計(jì)算。其它外力，例如重力等，都作為相對(duì)約束引入，結(jié)合Verlet數(shù)值積分器，模擬系統(tǒng)可以在較大程度上保持穩(wěn)定。此外，碰撞響應(yīng)是絕對(duì)約束。該模型可以采用較大的時(shí)間步長(zhǎng)生成布料動(dòng)畫，總體計(jì)算量小，能夠滿足服裝仿真應(yīng)用的速度需求。 (4)為了

5、保證仿真系統(tǒng)的實(shí)時(shí)交互性能，提出一種快速處理布料與環(huán)境對(duì)象碰撞的新方法。該方法以擬合性較好的三維凸包對(duì)環(huán)境對(duì)象的幾何形狀進(jìn)行估計(jì)，將可變形網(wǎng)格模型之間的碰撞接觸問(wèn)題轉(zhuǎn)化為布料質(zhì)點(diǎn)相對(duì)于凸包剛體的穿透測(cè)試，極大地提高了系統(tǒng)整體性能。同時(shí)，結(jié)合三維凸包的一些特殊幾何性質(zhì)，本文還通過(guò)引入約束簡(jiǎn)化和預(yù)計(jì)算外圍映射機(jī)制來(lái)進(jìn)一步降低運(yùn)行時(shí)算法的計(jì)算復(fù)雜度。 (5)將上述研究成果集成應(yīng)用到三維服裝仿真環(huán)境中，給出了不同的驗(yàn)證實(shí)例。開發(fā)了一個(gè)簡(jiǎn)