基于物理的實時人體皮膚變形.pdf

1、人體皮膚變形是人體動畫的一個重要部分，在娛樂、虛擬現(xiàn)實等應(yīng)用領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。它研究的是在特定的人體模型的基礎(chǔ)上，建立皮膚變形機制，從而得到運動時的人體皮膚形狀的變化。如今，三維游戲等實時應(yīng)用領(lǐng)域，對人體皮膚變形的真實感和實時性提出了越來越高的要求。其中，真實感又包括視覺真實感和物理真實感。傳統(tǒng)的人體皮膚變形技術(shù)，難以在真實感和實時性兩方面同時達到良好指標(biāo)?；趲缀蔚钠つw變形技術(shù)應(yīng)用廣泛，它具有計算快速、容易獲得實時性的優(yōu)點，其缺點是

2、無法獲得物理真實感?；谖锢淼钠つw變形，根據(jù)人體的物理屬性建立物理模型，因而同時獲得了良好的視覺真實感和物理真實感。其缺點是物理計算復(fù)雜，導(dǎo)致計算速度慢，難以獲得實時性。 為同時達到足夠的真實感和高度的實時性，本文提出了新的人體模型及其皮膚變形機制，并提出了快速算法。具體而言，本文的主要貢獻如下： 首先，提出了三層次人體模型及其皮膚變形機制。針對給定的人體皮膚網(wǎng)格，構(gòu)建由骨架層、中間層和網(wǎng)格體構(gòu)成的三層次人體模型，并建立

3、網(wǎng)格體和皮膚之間的幾何映射關(guān)系。模型的驅(qū)動機制為：(1)骨架層驅(qū)動中間層，根據(jù)截面輪廓線變形法得到中間層的變形：(2)中間層驅(qū)動網(wǎng)格體，對網(wǎng)格體建立物理模型，采用有限元方法求得網(wǎng)格體的變形；(3)最后，根據(jù)網(wǎng)格體和皮膚之間的幾何映射關(guān)系，得到皮膚的變形。引入中間層后，能夠方便地實現(xiàn)手臂的彎曲和扭轉(zhuǎn)，變形不失真。借助基于物理模型的網(wǎng)格體，實現(xiàn)了皮膚的動力學(xué)和靜力學(xué)變形。本模型適用于任意拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和高分辨率的皮膚網(wǎng)格，因此能保持皮膚外觀的細(xì)節(jié)

4、。此外，大部分建模工作自動完成，簡化了設(shè)計師的工作。 其次，提出了快速算法，使基于三層次人體模型的皮膚變形獲得高度的實時性。物理計算在整體計算中占了絕大部分時間，而網(wǎng)格體的分辨率和數(shù)值算法是影響物理計算速度的兩大因素。本文采用低分辨率的網(wǎng)格體，顯著降低了物理方程的求解自由度，大大加快了物理方程的計算速度。對于求解物理方程的數(shù)值算法，本文通過以下三個措施提高計算速度：對網(wǎng)格體作小變形假設(shè)，將非線性問題轉(zhuǎn)化為線性問題；利用隱式差分法

5、將常微分方程組轉(zhuǎn)化為線性方程組，從而以較大的時間步求得穩(wěn)定解；采用預(yù)處理共軛梯度法快速求解線性方程組。實驗結(jié)果表明基于以上算法的皮膚變形獲得了高度的實時性。 最后，在三層次人體模型的基礎(chǔ)上進行擴展，實現(xiàn)肌肉控制下的皮膚變形。本文根據(jù)骨骼肌的力學(xué)性質(zhì)，利用擴展的自由變形(Extended Free FormDeformation，EFFD)技術(shù)建立了肌肉模型：伸屈肌EFFD塊和筋腱肌EFFD塊。伸屈肌EFFD塊用以模擬人體上臂處的