CN105427386A - 基于输入人体姿态实时生成的服装变形方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种基于输入人体姿态实时生成的服装变形方法，所述方案涉及的主要算法包括骨架驱动的敏感性分析算法，基于敏感性的混合服装算法和基于贪心算法提出的一个随机优化方案去构建服装实例数据库。所述算法流程如下：当给定一个输入姿势后，根据骨架驱动分析方法对骨架进行蒙皮计算及处理，得到人体蒙皮模型并将其细分为几个单个区域，在已构建的服装数据库中查询与该蒙皮模型各区域姿态相似的服装样本，对每一个服装样本进行变形处理，再使用混合服装算法去对服装样本进行拟合得到一个初始化的服装变形效果，并对其进行穿透和摩擦效果处理得到最终的服装变形效果。使用该方法可以优化服装变形模拟过程并得到逼真的服装变形效果。

Description

基于输入人体姿态实时生成的服装变形方法

技术领域

本发明属于视觉及数字化服装设计领域和计算机图形学领域，具体涉及基于输入人体姿态实时生成的服装变形方法。

背景技术

在近20年来，在计算机图形学领域，基于物理的服装模拟已经成了一个热门的研究领域。它的主要工作是对不同造型的服装变形行为构建不同的模型。这些措施包括屈曲效果模型，非线性拉伸刚度模型以及接触自防撞模型，除了薄壳模型外，Kaldor等人提出了以纱线，针织为主的布料模拟方法。由于高分辨率的布网格仿真会带来了巨大的计算量，为了使仿真更有效的进行，研究人员推出自适应网格来进行服装仿真。目前的服装仿真开始于模拟复杂的内部摩擦现象和接触摩擦使布料产生逼真的布料皱纹效果。很多商业游戏引擎，例如Nvidia的PhyXTM等支持用简化的质量弹簧系统来进行服装的实时模拟，并且利用GPU来加快仿真速度。然而，大多数游戏依然采用类似蒙皮的技术来合成服装动画，这样使得即使在低分辨率的情况下，矩阵求解器的成本和运行时碰撞处理的成本都在增加。目前，产生高质量的实时服装变形效果仍然是一个挑战。一个微小的潜在的身体姿势的变化都会导致服装产生丰富的褶皱和复杂的变形行为，而且这种身体动作的变化对服装变形的非线性影响是非局部的，例如抬起手臂的动作会引起腹部服装的变形。

基于物理的服装仿真可以直接模拟服装的非线性特性。但是要生成逼真的衣物变形效果就需要高分辨率的服装网格和昂贵的非线性求解器，这就导致它们在实时应用上具有一定的困难，比如游戏和虚拟试衣。数据驱动的服装仿真方法是从预先计算的服装在不同的身体姿势上的变形样品中合成服装变形效果。为了实现实时性能，只有通过简化服装变形和在假设线性和局部性的潜在身体姿势之间的关系来降低服装变形效果质量的方法来实现。

多分辨率服装仿真是将服装分割成几个不同部分的粗网格，然后分别计算它们的变形。一个能够很好的描述粗网格仿真时各网孔顶点详细褶皱的网格是仿真效果较好的网格。粗网格可以用来表现静态高分辨率的服装模拟，也可以在几次迭代后合成详细的服装褶邹效果，在实际生活中应用这种仿真方法之一的就是电脑游戏。

另一种方法是研究与粗网格仿真效果相关且具有高分辩率的服装变形之间的映射关系，如隐含的几何变形或局部位移向量。虽然这种方法可以产生详细的褶皱效果，但是他们推出的角色运动的动画仿真仍然受到数据库中训练数据的限制。

数据驱动的服装变形方法意在从之前预先计算的服装变形数据中得到衣服近似的静态和动态的表现形式。使用这种服装仿真方法时，只须关注较详细的仿真过程的数据驱动方法，James等人创建了一个易于控制的且减少了状态空间的服装模型，它可以实时响应用户的一些简单交互，如平移或旋转。Cordier等人提出了一个方法去找到服装和人体的潜在冲突区域。他们还开发了一个几何方法使用离线服装仿真数据进行实时仿真来推断出详细的服装变形，该技术通过匹配身体形状和混合的服装样例来计算混纺权重。Weber等人用潜在的身体姿势来参数化服装变形。控制参数和相应的服装变形之间关系的简洁表示可以通过构建一个复原模型来实现，这个方法被广泛的应用于角色蒙皮去提高骨骼空间变形质量。

敏感性分析在图形的各种优化问题上也得到了应用，如2D线条的设计和3D平面的设计。除了优化问题外，Umetani等人提出应用灵敏性分析从物理仿真中得到服装图案的交互式设计和互动开始的反馈信息。他们还可以利用这项技术去进行结构更加完善的服装模型设计。

发明内容

本发明目的是针对目前虚拟试衣系统中服装仿真和变形模拟中存在的仿真过程复杂，算法计算量大，内存消耗过大和变形仿真效果不理想，不能实时表达人体姿态的问题，提出了一种基于输入人体姿态实时生成服装变形方法。

发明为实现上述目的，采用如下技术方案：

本发明一种基于输入人体姿态实时生成服装变形方法，包括骨架驱动的敏感性分析方法，基于敏感性的拟合服装方案，基于贪心算法的随机优化操作方案去构建服装数据库的方法，骨架驱动的敏感性方法产生身体蒙皮模型为后续的混合服装变形提供基本姿势蒙皮模型，构建的服装数据库为服装变形提供服装姿势样本。

基于输入人体姿态实时生成服装变形算法的实现过程主要分为两个阶段，具体如下：、

第一阶段：离线阶段的蒙皮优化操作

1-1）输入一个要进行服装变形模拟的姿态；

1-2）在系统中输入将要进行蒙皮的身体网格和网格各顶点以及服装网格和网格各顶点来构造身体姿势和服装变形姿势；

1-3）计算身体网孔变形各网孔顶点的权重，并在二维坐标系原点上定义骨骼根骨架，用以防止身体网孔的平移和变化；

1-4）分别计算骨骼的旋转权重和平移权重对身体表面网孔变形的影响；

1-5）合成一个基于输入姿态的身体网孔模型；

第二阶段：运行阶段的实时服装变形效果合成

2-1）将蒙皮后的人体模型分为若干个区域分别进行服装变形；

2-2）对每一个区域，在服装样例数据库中按照计算得出的各网格的旋转和平移权重选择相似的服装变形样例；

2-3）将选出的各区域的服装变形的各部分进行拟合，得到一个初始化的基于输入姿态的服装变形；

2-4）再对得到的初始化的服装变形样本进行穿透处理并增加动态效果与摩擦效果对服装变形的影响，得到最终的服装变形效果。

本发明主要针对以上的两个阶段提出了三个算法流程：a.如何对输入系统的姿势进行骨骼蒙皮b.怎样将蒙皮后的人体网格表面分成若干部分再进行服装变形模拟c.怎样解决服装变形过程中的穿透问题。

1)在本发明方案中，我们首先在每一个样例姿势的离线阶段去操作样例姿势的服装形状使其和潜在的身体骨骼的骨架变化相对应。为了模拟身体运动对服装变形的非局部影响，我们的方法是使用相邻的骨骼变形来对数据库中相似的服装变形效果进行比较将每一个布料的顶点联系起来。在运行时段，我们合成输入姿势的服装变形方法是通过混合周围实例身体动作的服装变形计算得到的。

2)骨骼蒙皮部分运用骨骼旋转权重和平移权重这两个参数来进行的，根据输入姿态的骨骼旋转权重可以实现对样例服装的变形，骨骼平移权重可以通过改变骨骼中心点位置来对服装变形进行影响，姿势旋转和平移的组合就类似于非线性和非局部的服装变形行为的组合。对于每一个样例姿势，我们的基于敏感性的优化方案为每一个服装顶点都选择了相应骨骼部分的旋转权重和平移权重。

3)服装变形模拟部分在服装的运行阶段进行，我们使用基于敏感性的距离测量，在样例数据库中搜索与各部分变形效果相似的服装变形，然后再混合各个相似的样例服装来的到一个完整的服装变形效果。我们可以使用敏感性分析去构建每一个实例姿势的蒙皮方案并详细描述仿真结果是怎样随着输入参数的一阶精度的微小变化而变化的。

4)穿透问题和衰落问题对服装变形的影响的解决过程中，我们可以在服装合成阶段引入阻尼来防止这样的问题，阻尼值可以通过对当前时间段的值和前一时间段的值的混合来得到，服装在0.05秒内是连续变化的。阻尼方案的这个方法可以减少在身体快速运动时服装变形响应的衰减影响。

5)该基于样例服装的实时生成服装变形的解决方案可以快速，简洁的为各种类型的服装实时生成逼真的动画效果，并且可以详细的模拟出服装随着人体运动产生的各种逼真的褶皱效果，该算法方案还可以同时产生上百种不同的姿势不同的服装变形的实时模拟效果图。

有益效果

1、骨架驱动的敏感性优化方案可以产生身体蒙皮模型为后续的混合服装变形提供基本姿势蒙皮模型，提高人体建模效率和身体蒙皮模型骨骼大小的准确性。

、该方案降低了服装变形算法的计算量和内存消耗，可以得到理想的服装变形仿真效果。

附图说明

图1：本发明方案流程结构图；

图2：服装变形效果合成流程图；

图3：骨骼蒙皮算法流程图；

图4：服装数据库建立流程图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细阐述：

本发明一种基于人体输入姿态实时生成的服装变形算法，首先要输入一个要进行服装变形模拟的人体姿态，如图1所示，再对输入的人体姿态进行骨骼蒙皮处理，再将骨骼蒙皮后的模型分成很多个（一定数目的）区域，对各个区域进行单独服装变形处理，最后进行整体拟合后进行穿透等各种服装效果处理后得到最终的服装变形，具体实施方式如下：

如图1所示，一种基于人体输入姿态实时生成的服装变形算法，包括查询输入姿态、蒙皮处理，分区服装变形和穿透处理4个过程。所述查询输入姿态采用深度摄像头不仅采集用户的骨骼流信息、三维尺寸和身高数据，以用于后续建立骨骼蒙皮模型，而且实时捕捉用户各身体部位的运动矢量信息，以用于建立运动状态下服装变形模型。所述蒙皮处理用于抽象出带权重的高运动灵敏性用户骨架模型，以建立特定用户的基本骨架及运动关节的参数结构。所述分区服装变形过程根据捕捉到的高敏感度运动矢量信息，比对骨骼蒙皮模型参数对服装各部位做出逼真的变形效果，以使用户达到身临其境的体验效应。所述穿透处理用于用户运动时及时更新相应的服装变形部分以实现随用户举手投足和旋转身躯时服装随之而动的动态的服装变形效果。

进一步地，本实施所述区域细分部位是根据人体3D模型的提高视觉体验的切分，所划总区域数目n，根据动态效果和算法复杂度做最优处理。

进一步地，本实施例的查询输入状态采用kinect，通过kinect采集用户姿态输入，并实时反映用户运动状况。

如图2所示，本实施提出服装变形效果合成流程包括以下步骤：

S1分解人体模型为若干个区域

S2计算相应的平移与旋转权重

S3各区域变形处理

S4拟合各区域模型变形效果

S5摩擦与穿透处理

S6完整的服装变形效果

如图3所示，本实施提出一种骨骼蒙皮算法包括以下步骤，

S1创建模型和骨骼

S2绑定模型和骨骼

S3拉伸皮肤网格

S4增加额外关节点

S5设置皮肤网点和权重

S6得到最终蒙皮效果

如图4所示，本实施优化了服装数据库的建立算法，包括服装样本数据采集过程、骨骼状态数学模型创建过程和后续贪心和优化算法三个阶段。

所述服装样本数据采集过程包含三个步骤：

S1采集数据点；

S2构造Markov链；

S3计算后验分布样本。

所述骨骼状态数学模型创建过程包含两个步骤：

S1输入骨骼状态模型；

S2建立数学模型。

根据骨骼状态数据和服装数据进行三个后续贪心和优化算法的步骤处理：

S1贪心算法进行分析；

S2得出局部匹配度最优解；

S3创建新数据点。

Claims (1)

1.一种基于输入人体姿态实时生成服装变形方法，其特征在于，分为两个阶段，具体如下：

第一阶段：离线阶段的蒙皮优化操作

1-1）输入一个要进行服装变形模拟的姿态；

1-2）在系统中输入将要进行蒙皮的身体网格和网格各顶点以及服装网格和网格各顶点来构造身体姿势和服装变形姿势；

1-3）计算身体网孔变形各网孔顶点的权重，并在二维坐标系原点上定义骨骼根骨架，用以防止身体网孔的平移和变化；

1-4）分别计算骨骼的旋转权重和平移权重对身体表面网孔变形的影响；

1-5）合成一个基于输入姿态的身体网孔模型；

第二阶段：运行阶段的实时服装变形效果合成

2-1）将蒙皮后的人体模型分为若干个区域分别进行服装变形；

2-2）对每一个区域，在服装样例数据库中按照计算得出的各网格的旋转和平移权重选择相似的服装变形样例；

2-3）将选出的各区域的服装变形的各部分进行拟合，得到一个初始化的基于输入姿态的服装变形；

2-4）再对得到的初始化的服装变形样本进行穿透处理并增加动态效果与摩擦效果对服装变形的影响，得到最终的服装变形效果。