虛擬人動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)實和計算機(jī)圖形學(xué)領(lǐng)域的研究熱點之一，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，實現(xiàn)三維人體著裝的動靜態(tài)模擬，讓設(shè)計者和客戶在計算機(jī)屏幕前直接從各個方向和角度觀看穿著效果，并通過實時交互對服裝的款式或尺碼進(jìn)行選擇和修改，這些功能無疑還會有更廣泛的應(yīng)用前景，例如基于互聯(lián)網(wǎng)的服裝個性化訂制、產(chǎn)品銷售和虛擬展示等等。然而，服

2、裝物理仿真通常計算量龐大，如何在低端硬件平臺或交互式環(huán)境(例如普通：PC或視頻游戲)進(jìn)行高質(zhì)量模擬是一個新的挑戰(zhàn)。 本文對虛擬人動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、角色動畫、布料物理模擬以及可變形體碰撞檢測與響應(yīng)，總體目標(biāo)是構(gòu)建一個完整的三維服裝仿真環(huán)境，并且圍繞系統(tǒng)實時性能完成高效算法的開發(fā)： (1)考慮到三維服裝仿真對個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)人體測量

3、學(xué)的相關(guān)原理和方法，結(jié)合計算機(jī)圖形學(xué)軸變形技術(shù)，所實現(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單和建模速度快的優(yōu)點。 (2)為了給三維服裝動態(tài)展示提供角色動畫支持，研究了骨架驅(qū)動的皮膚網(wǎng)格變形技術(shù)。對基于關(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)，引入軸心頂點校正機(jī)制改善皮膚網(wǎng)格的變形質(zhì)量。同時，單位四元數(shù)量化查找表的構(gòu)造以及插值表的預(yù)計算進(jìn)一步提高了算法的執(zhí)行效率。 (3)針對布料物理建

4、模的計算效率和穩(wěn)定性問題，提出一種基于約束的布料質(zhì)點彈簧模型。非線性彈簧內(nèi)力是影響微分方程數(shù)值求解穩(wěn)定性和限制積分時間步長的主要因素，本文模型直接通過逆向動力學(xué)約束來模擬內(nèi)力，進(jìn)而避免了對其的顯示計算。其它外力，例如重力等，都作為相對約束引入，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)是絕對約束。該模型可以采用較大的時間步長生成布料動畫，總體計算量小，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)的實時交互性能，提出一種快速處理布料與環(huán)境對象碰撞的新方法。該方法以擬合性較好的三維凸包對環(huán)境對象的幾何形狀進(jìn)行估計，將可變形網(wǎng)格模型之間的碰撞接觸問題轉(zhuǎn)化為布料質(zhì)點相對于凸包剛體的穿透測試，極大地提高了系統(tǒng)整體性能。同時，結(jié)合三維凸包的一些特殊幾何性質(zhì)，本文還通過引入約束簡化和預(yù)計算外圍映射機(jī)制來進(jìn)一步降低運(yùn)行時算法的計算復(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，給出了不同的驗證實例。開發(fā)了一個簡