CN104156502B

CN104156502B - 一种基于位置的衣物褶皱几何生成方法

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Publication number: CN104156502B
Application number: CN201410344881.9A
Authority: CN
Inventors: 何兵; 陈元为
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2014-07-18
Filing date: 2014-07-18
Publication date: 2017-06-20
Anticipated expiration: 2034-07-18
Also published as: CN104156502A

Abstract

一种基于位置的衣物褶皱几何生成方法，对衣物褶皱脊线中基点所处褶皱的高度和宽度进行求解的阶段，使用褶皱高度和宽度退化函数，使之更符合衣物褶皱的变化规律；在衣物褶皱截面点位置计算阶段，使用一套更符合衣物褶皱截面真实形态的几何函数，使模拟出的效果更加逼真；在衣物褶皱平滑处理阶段，采用距中心点越近的点对其影响越大的原则来确定权值分配。其步骤是(1)对已知位置的衣物褶皱脊线上的基点，计算每个基点所在褶皱截面的高度和宽度值；(2)对衣物褶皱截面，使用一套几何函数计算出褶皱截面上点的位置；(3)对褶皱变形点，采用近点权值大的原则，进行第一次平滑处理；(4)对褶皱影响区域内未被变形的点进行第二次平滑处理。

Description

一种基于位置的衣物褶皱几何生成方法

技术领域

本发明涉及一种基于位置的衣物褶皱几何生成方法，属于衣物仿真技术领域。

背景技术

衣物褶皱的模拟是衣物仿真模拟研究的重要组成部分之一，褶皱模拟的效果很大程度上决定了衣物仿真模拟的真实感。另一方面，褶皱模拟是衣物仿真中的一个难点，真实世界中的褶皱总是形状各异，规则性较弱，并且随着穿着衣物的人体的运动动态的分离和融合。获取具有视觉真实性的褶皱效果是如今衣物模拟仿真的一大研究热点。目前，褶皱的模拟方法与衣物建模方法类似，相同部分不再赘述，主要可以分为基于物理的褶皱模拟方法、基于几何的褶皱建模方法和基于数据库的方法。

基于物理的褶皱模拟方法主要有限元、质点弹簧等物理模型，结合显式积分或隐式积分的数值积分方法，考虑衣物的质量、弹性、摩擦力等物理属性，以实现具有真实感的褶皱模拟。在积分方法方面，Volino等人对比了一系列积分方法的效率，显式积分方法简单，易于操作，但稳定性差；隐式积分计算比较复杂，稳定性强。Bridson等人提出一种显式积分和隐式积分混合的物理仿真方案，在衣物与人体碰撞检测方面采用水平集的方法，以获取动态褶皱等仿真细节，该方法结合考虑显式积分在处理仿真系统非线性方面的灵活性和隐式积分的速度。为了对织物与变形物体之间碰撞接触行为进行精确和有效的模拟，Chen等人最近进行了系统性研究，充分考虑了织物与物体之间的摩擦力，空气阻力等因素，并获得了具有真实性的效果。然而，要获得具有真实感的褶皱细节，需要比较精细的网格，关于人体运动的精确信息以及大量的物理参数信息。因此，基于物理的褶皱模拟方法比较耗时。

基于几何的褶皱建模方法不考虑衣物的质量、弹性、摩擦力等物理属性，计算相对简单，效率高。Volino等人根据预定义的褶皱高度图，提出一种快速的褶皱模拟方法，通过调节预定于褶皱高度图的幅度来实现表面不变的仿真，由一些褶皱模板来合成复杂的褶皱变形，该方法适用于任何粗糙网格变形模型。Hadap等人利用用户定义的的褶皱模式生成凹凸图，以实现褶皱的建模。Kimmerle等人以三角形的压缩方向为原方向，合成纹理模式，并采用位移匹配进行变形作用，生成最终的衣物褶皱。Larboulette等人通过限制曲线的长度不变，在衣物上形成正弦曲线形状的褶皱。Tang等人借鉴画法几何学里的概念，提出采用边界三角化方法对给定的边界带上的可展表面进行近似化，以模拟具有真实视觉效果的衣物褶皱。该方法通过使织物从一端旋转到另一端时的折叠过程达到能量最小化，实现边界三角化。Decaudin等人基于对褶皱形状的类似性分析，为宽松的衣物添加褶皱细节。采用该方法模拟出来的褶皱比较规整，因此缺乏一定的视觉真实性。Rohmer等人的研究发现衣物布料的可展性、网格单元的变形与褶皱的形成有着密切联系。因此，他们采用变形后的衣物网格相对静止态的衣物网格的网格拉伸情况作为褶皱形成的依据。然而，基于几何的褶皱建模方法具有一定的局限性，较之基于物理的褶皱模拟方法难以模拟连续变化的褶皱动态变形效果。

基于数据库的褶皱生成方法对大量的衣物模型进行相应的特征提取，形成训练集，抓取衣物褶皱的形成特征，并根据输入的衣物特例的特征进行褶皱合成。Cordier等人利用预先模拟好的褶皱样本预测新的褶皱几何形状。首先在一系列具有代表性的姿势的训练集上生成褶皱作为参考集，这一步骤由艺术专业人员人为添加褶皱完成，然后根据输入衣物的姿势、静态姿势以及训练集，生成应力图，进而形成最终的褶皱。该方法存在两个缺点：一是在训练集上添加褶皱需要专业的艺术人才，专业技能要求比较高；二是真实世界中的衣物褶皱是连续变化的，随着时间动态地分离或融合，而人为添加褶皱的方式只适用于固定帧。现有的衣物捕捉技术可以成功地获取衣物形状和姿态信息，但往往难以捕捉大量的褶皱信息，Popa等人通过数据库的褶皱生成方法在捕获的衣物上添加褶皱细节。deAguiar等人和Wang等人通过机器学习的方法进行实时褶皱的合成，然而这些方法需要限定应用范围的例子以训练数据。

传统衣物褶皱仿真方法主要存在以下一些问题：

(1)在对褶皱截面模拟的过程中，模拟效果欠佳，采用的模拟函数与衣物真实褶皱形态存在一定差别，这样模拟出的效果欠逼真。

(2)褶皱模拟效果欠平滑，楞次感明显。

针对以上问题，本发明提出了一种基于位置的衣物褶皱几何生成方法，其核心内容可以总结为：首先根据退化函数计算出衣物褶皱脊线上每个基点所处褶皱截面的高度和宽度；然后，根据褶皱截面函数计算出褶皱截面点的位置；然后，对褶皱变形点集进行第一次平滑处理；最后，对褶皱影响区域内未被变形的点集进行第二次平滑处理。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一套适合衣物褶皱仿真的几何方法，增强衣物褶皱仿真的效果。

本发明采用的技术方案：在于对衣物褶皱脊线中基点所处褶皱的高度和宽度进行求解的阶段，使用褶皱高度和宽度退化函数，使之更符合衣物褶皱的变化规律；在衣物褶皱截面点位置计算阶段，使用一套更符合衣物褶皱截面真实形态的几何函数，使模拟出的效果更加逼真；在衣物褶皱平滑处理阶段，采用距中心点越近的点对其影响越大的原则来确定权值分配，得到的处理效果更平滑、更自然。该方案实现的步骤，如图1所示：

(1)对已知位置的衣物褶皱脊线上的基点，计算每个基点所在褶皱截面的高度和宽度值；

(2)对衣物褶皱截面，使用一套几何函数计算出褶皱截面上点的位置；

(3)对褶皱变形点，采用近点权值大的原则，进行第一次平滑处理；

(4)对褶皱影响区域内未被变形的点进行第二次平滑处理。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

模拟效果更符合真实衣物的褶皱形态，模拟效果更平滑、更自然，真实感更强。

附图说明

图1一种基于位置的衣物褶皱几何生成方法步骤示意图；

图2(a)是褶皱脊线示意图，(b)是褶皱截面示意图；

图3新截面函数曲线图；

图4原截面函数曲线图；

图5不同截面函数生成衣物褶皱效果对比图；

图6平滑前后效果对比图；

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式对本发明进一步详细说明。

第一步，获取用户输入的褶皱退化位置，中点褶皱截面高度和宽度值。

第二步，计算基点距褶皱脊线中点的距离，使用褶皱退化函数，求出每个基点所在褶皱截面的高度和宽度，如图2所示。褶皱高度和宽度退化函数如公式1、公式2所示。

其中公式中的d₀和w₀分别为褶皱脊线中点位置的高度和宽度值，l＇为基点距中点的距离，L为褶皱脊线的长度，图2(a)中的A，B两点分别对应公式中的η和ε，A,B为褶皱高度和宽度退化位置。

第三步，根据基点所处平面的法向量，计算出当前基点的法向量，如公式3所示，进行归一化处理，再计算出基点的变形位置，如公式4所示。

n＝n1+n2+n3+n4 公式3

d＝d0+height*n 公式4

其中n1至n4分别为共点的四个面的法向量，n为顶点法向量，d0为网格顶点起始点位置，height为顶点变形距离即褶皱高度，d为顶点目标位置。

第一步，使用当前基点到前一个基点和后一个基点的向量来确定当前基点的切线方向，如公式5所示；

n＝n1-n2 公式5

第二步，根据基点位置和切线向量，确定过基点的法平面；

第三步，法平面与褶皱影响区域内的衣物网格线段求交；

第四步，计算交点到基点的距离，根据褶皱截面函数计算截面点的变形距离，即公式6中y的值。截面函数如公式6所示，函数图像如图3所示。

k为褶皱高度和宽度之比。根据k的不同选择带入相应的公式。

第五步，截面点的法向方向与基点一致，计算出截面点的目标位置。

(3)对褶皱变形点，采用近点权值大的原则，进行第一次平滑处理

第一步，搜索褶皱变形点集，计算遍历点与当前点的距离，确定当前点平滑半径范围内的点集；

第二步，根据权值与距离成反比，如公式7所示，计算出每个点的权值，如公式8所示；

假设平滑区域内各点距中心点的距离分别为a,b,c,d......

第三步，对平滑半径范围内点集的变形距离和权值进行加权求和，对当前点变形距离进行修正，如公式9所示。

(4)对褶皱影响区域内未被变形的点进行第二次平滑处理

第一步，根据褶皱影响半径，在褶皱影响区域内搜索未被变形的点集；

第二步，对未被变形点，计算该点到所有变形点的距离，找到平滑半径范围内的变形点；

第三步，根据权值与距离成反比的原则，确定平滑半径范围内点集的权值，采用加权求和的方式，计算出当前未被变形点的变形距离，并将该点加入到变形点集中。

不同截面函数的效果对比实验：与本发明进行对比的褶皱截面函数如公式10所示，d(l＇)为褶皱高度，w(l＇)为褶皱宽度，l为截面点距基点的距离，S(l)为截面点高度值，α控制函数形状。函数图像如图4所示。两种方法均未进行平滑处理且采用相同的参数设置，如下表所示，其中原截面函数参数α＝0.6。

褶皱ID	高度	宽度	A	B
					1	0.0041	0.004	45	55
2	0.005	0.004	45	55

图5为本实验的效果图，由图可以看出使用原截面函数生成的衣物褶皱，在褶皱底端发生了凹陷现象，失真明显；而使用新截面函数生成的衣物褶皱，在褶皱底端未发生凹陷，更接近衣物褶皱的真实形态，证明了本文提出的褶皱截面函数的有效性和先进性。

褶皱平滑前后效果对比实验：对三条褶皱进行实验对比，实验参数设置如下表所示，平滑前后采用相同的参数设置。

褶皱	高度	宽度	A	B
					一	0.0051	0.005	45	55
二	-------	0.005	45	55
					三	0.004	------	45	70

图6为本实验效果图，观察可知，进行平滑处理后，生成的衣物褶皱明显比平滑处理前要平滑，真实感更强，仿真效果更逼真。证明了本文采用平滑算法的有效性。

Claims

1.一种基于位置的衣物褶皱几何生成方法，其特征在于通过以下步骤实现：

(2)对衣物褶皱截面，使用一套几何函数新截面函数公式6计算出褶皱截面上点的位置,即公式6中y的值：

k为褶皱高度和宽度之比,根据k的不同选择带入相应的公式,x为截面上任意一点到褶皱脊线的水平距离；

(4)对褶皱影响区域内未被变形的点进行第二次平滑处理；

所述步骤(1)中的褶皱截面高度和宽度的计算，基点位置的计算，使用一种高度和宽度退化函数，方法如下：

(1.1)获取用户数据，获取用户输入的褶皱高度和宽度的退化位置，中点褶皱截面的高度和宽度值；

(1.2)计算基点距褶皱脊线中点的距离，根据退化函数公式1和2，计算出每个基点所在褶皱截面的高度和宽度：

其中公式中的d₀和w₀分别为褶皱脊线中点位置的高度和宽度值，l＇为基点距中点的距离，L为褶皱脊线的长度，A，B两点最初是根据用户选出褶皱最明显的两个端点，然后通过实验最终选出与实际褶皱最相近的A,B两点，A，B两点分别对应公式中的η和ξ，A,B为褶皱高度和宽度退化位置；

(1.3)根据基点所处平面法向量，取平均值求得基点法向量，再计算出基点的变形位置。

2.根据权利要求1所述的一种基于位置的衣物褶皱几何生成方法，其特征在于：所述步骤(2)中的使用一套几何函数计算出褶皱截面上点的位置，方法如下：

(2.1)使用当前基点到前一个基点和后一个基点的向量来确定当前基点的切线方向；

(2.2)根据切线方向和基点位置，确定法平面；

(2.3)法平面与褶皱影响区域内的衣物网格求交，并计算交点到基点的距离；

(2.4)根据褶皱截面函数计算截面点的变形距离，即公式6中变形前二维脊线和变形后空间脊线间的距离，也就是y的值，截面点与基点的法向一致，从而确定截面点的变形位置。

3.根据权利要求1所述的一种基于位置的衣物褶皱几何生成方法，其特征在于：所述步骤(3)中的对褶皱变形点进行第一次平滑处理，方法如下：

(3.1)搜索褶皱变形点集，确定在当前变形点平滑半径范围内的点集；

(3.2)根据权值与距离成反比，确定平滑邻域内所有点的权值；

(3.3)对平滑半径范围内点集的变形距离即平滑前脊线和平滑后脊线的位置差和权值进行加权求和，对当前点的变形距离进行修正。

4.根据权利要求1所述的一种基于位置的衣物褶皱几何生成方法，其特征在于：所述步骤(4)中的对褶皱影响区域内未被变形的点进行第二次平滑处理，方法如下：

(4.1)搜索褶皱影响区域，确定未被变形的点集；

(4.2)对未被变形的点，在变形点集中搜索其平滑半径范围内的点集；

(4.3)确定平滑半径范围内点集的权值，计算出当前未变形点的变形距离，并将之加入到变形点集中。