CN108230455A - 一种基于骨骼驱动的虚拟服装变形仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于骨骼驱动的虚拟服装变形仿真方法，该方法包括以下步骤：(1)载入虚拟服装的三维网格模型和人体骨骼模型；(2)借鉴虚拟人的骨骼模型的创建方法，为导入的服装模型匹配骨骼系统；(3)按照骨骼的长度将服装模型分段，分段计算的多边形网格在该段的圆柱状包围盒，当骨骼进行运动时，服装网格和包围盒也将随之产生相应的变形；(4)对变形后的服装模型和人体模型进行碰撞检测。该方法使整个仿真变形过程简单易行，降低了服装和人体模型的碰撞检测的计算量并且增加了仿真的真实感，降低了计算的开销。

Description

一种基于骨骼驱动的虚拟服装变形仿真方法

技术领域

本发明涉及计算机仿真方法，尤其涉及一种基于骨骼驱动的虚拟服装变形仿真方法。

背景技术

虚拟服装是指利用多媒体及虚拟仿真技术在计算机中导入、展示和修改的三维服装模型，它已经被广泛地应用于虚拟试衣、计算机游戏、服装设计和网络购物等领域。随着互联网技术的发展，人们已经不满足于在购物店选择试穿有限的实体服装，而是希望通过网络浏览大量的虚拟服装，并通过虚拟试穿获得真实的穿着体验。因为穿着服装的人体的形体各异，随着人体的运动，服装的穿着效果更是千差万别，所以对虚拟服装进行变形仿真，展示出虚拟服装被穿着后的动态效果，是在虚拟试衣中获得真实穿着体验的关键技术。

服装是由天然或人工纤维编织成的布料经过裁剪和缝合而形成的。布料是柔性物质，具有各向异性、不可压缩以及抗拉不抗弯等力学特征，由于外力的作用，会产生褶皱、悬垂感和屈曲等形变效果。而服装由于其布料的材质和缝合方法的不同，产生的动态形变效果更是复杂。

目前，布料的变形仿真方法主要分为几何建模方法和物理建模方法。几何建模方法是用几何方程表示布料的一些几何特性，使用数学方法来模拟复杂织物的形状和运动。几何建模方法计算量小，速度快，但是由于完全不考虑布料的质量、弹性系数，光滑程度等组织结构和物理特性，仅仅着眼于其几何外观，因此仿真的效果不真实，而且适用性差。物理建模方法把布料看作是许多微小元素或粒子的合集，通过计算每个粒子相关的作用力来模拟三维服装布料。物理建模方法仿真效果好，但是计算量大、速度慢，对计算的性能要求高。而且由于仿真过程中会产生严重的“超弹性”现象，使得模拟效果失真。为了得到实时的布料模拟效果，可以采用物理方法与其他方法混合的算法，把布料分成几个部分，不同部分采用不同的算法。这样既得到了物理方法的真实感，又可使计算开销降低。

虚拟服装的变形仿真方法主要包括2D的布料缝合到3D的虚拟人体模型上。基于物理的建模方法是对布料建立弹簧-质子的力学模型，施加将缝合力和重力作为外力施加在布料上，使其产生形变，贴合在三维人体模型上。基于几何的建模方法是将多边形网格的几何模型的一些特征顶点贴合到对应的三维人体模型上，然和采用几何弯曲的方法将其余的顶点进行相应的位置调整，实现变形的结果。无论是哪种方法，为了体现服装穿着在人体上的动态效果的真实感，必须对变形建立约束，增加褶皱细节。常用的约束包括多边形面片之间的弯曲约束、距离约束以及服装定位在三维人体模型上的定位点约束等等。

最后，三维服装的变形模拟还需要解决和人体模型的碰撞问题，也就是衣服模型不能被人体模型穿透，同时布料面片本身也不能互相交叉。布料碰撞检测的方法可以分为两大类：空间分解法和层次包围盒。所谓空间分解法，是将很大的空间看作由小的立方体组成的集合。所谓层次包围盒，就是针对比较复杂的模型递归把它包围起来，经过这样的处理以后，我们就可首先对外层包围盒进行碰撞检测。为了达到更加真实的模拟效果，组成衣片和人体的三角形数目可能十分巨大，如果对人体上的每一个三角形和衣片上的每一个三角形进行一一检测，需要花费大量的时间。为了减少碰撞检测的次数，加快模拟速度，采用基于包围盒的碰撞检测技术来处理衣片和人体之间的碰撞。现在的包围盒碰撞检测法包括球形包围盒检测法、坐标轴的轴向包围盒(AABB)检测法、带方向的包围盒OBB(orientedbounding box)检测法、散方向多面体(k-DOP)检测法、固定方向凸包FDH(flxeddirections hulls)检测法等。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种基于骨骼驱动的虚拟服装变形仿真方法，该方法使整个仿真变形过程简单易行，降低了服装和人体模型的碰撞检测的计算量并且增加了仿真的真实感，降低了计算的开销。

技术方案：本发明所述的基于骨骼驱动的虚拟服装变形仿真方法，该方法包括以下步骤：

(1)载入虚拟服装的三维网格模型和人体骨骼模型；

(2)借鉴虚拟人的骨骼模型的创建方法，为导入的服装模型匹配骨骼系统；

(3)按照骨骼的长度将服装模型分段，分段计算的多边形网格在该段的圆柱状包围盒，当骨骼进行运动时，服装网格和包围盒也将随之产生相应的变形；

(4)对变形后的服装模型和人体模型进行碰撞检测。

优选的，所述步骤(2)中，将人体骨骼模型定位到衣服中，与衣服的中轴线重合，进行肩部和腰部的定位，同时在定位点施加约束，限制所述定位位置顶点的运动。

优选的，所述步骤(3)又分为：

(31)根据所述骨骼长度将骨骼均分为若干段，对附着在每一段骨骼上的服装的多边形网格计算最小圆柱包围盒；

(32)关节位置附近所述包围盒会相交，远离关节的位置所述包围盒不会相交，根据所述包围盒相交的情况，多边形网格的顶点采用不同的变形方法。

优选的，所述步骤(32)中的变形方法包括：

没有相交的所述包围盒的顶点直接绕关节进行刚性变形，而属于相交包围盒的顶点进行基于物理方法的柔性变形，施加相应的约束，形成动态效果。

优选的，所述步骤(4)中，对变形后的服装网格和人体模型进行碰撞检测方法为：

将所述人体模型同样分段包裹在所述圆柱形包围盒中，如果衣物的模型在变形的过程中侵入了所述包围盒，则将该节点沿射线方向移出包围盒。

有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点是：1、本发明是直接对3D的服装进行变形，省略了对服装进行虚拟缝合的过程，使得整个变形过程简单易行；2、本发明采用了圆柱状的包围盒，使得服装和人体模型的碰撞检测的计算量大大降低；3、采用了基于骨骼的服装变形仿真算法，对接近关节位置的服装采用基于物理的仿真方法，而对于其它的部位则采用刚性变形的方法，这种混合仿真的方法这样既得到了物理方法的真实感，又可使计算开销大大降低。

附图说明

图1是本发明仿真过程的流程图；

图2是人体的骨骼和关节系统的结构图；

图3是人体骨骼系统匹配到上衣的网格模型中的示意图；

图4是人体骨骼系统匹配到裤子的网格模型中的示意图；

图5是衣服基于骨骼进行变形方法的示意图；

图6是本发明涉及的服装和人体模型碰撞检测的示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明所述的方法主要包括4个主要步骤：

步骤1，载入虚拟服装的三维网格模型和人体骨骼模型。如图2，本发明采用的人体的骨骼和关节系统主要包括头部、胸部、腰部、臀部、左右上臂、前臂和手以及左右大腿、小腿和脚17个部分，以及颈关节、胸关节、腰关节以及左右肩关节、肘关节、腕关节、髋关节、膝关节和左右踝关节等15个关节。

步骤2，借鉴虚拟人的骨骼模型的创建方法，为导入的服装模型匹配骨骼系统。将人体骨骼模型定位到衣物中，与衣服的中轴线重合，进行肩部和腰部的定位，同时在定位点施加约束，限制这些位置顶点的运动。定位点的选取按照一般衣物的判断标准即可，如上衣在变形过程中，有些点是不能动的，比如肩部的某些点，裤子变形时腰部的一些点也是不动的等。如图3和图4，将人体骨骼系统匹配到上衣和裤子的网格模型中。

步骤3，匹配好衣服的骨骼之后，衣服的每一部分都是附着在某段骨骼上，并随骨骼运动，按照骨骼的长度将服装模型分段，分段计算的多边形网格在该段的圆柱状包围盒，当骨骼进行运动时，服装网格和包围盒也将随之产生相应的变形。如图5，衣服基于骨骼进行变形方法，其中O_i，O_i+1和O_i-1为关节点，则和为对应的骨骼。将这两根代表骨骼的线段分别根据其长度均分为N和M段，图中是都分为3段的情况。在每段内依次求出每个顶点到骨骼的距离，去最大值，然后以骨骼为中轴线，以这个最大距离为半径做圆柱体，顶面和底面以将所有的顶点封在这个圆柱中的最小圆柱为准，得到服装表面模型的最小圆柱状包围盒。

随着骨骼的运动，距离比较远的包围盒不会交叉，而比较近的包围盒就会产生交叉情况，从图中可以看出的最后一个包围盒和的最前一个包围盒发生了重叠。随着骨骼旋转角度的加大以及分割段数的增加，包围盒交叉的情况就会更加复杂。分割方法一般采用均分，分割数越大，服装的褶皱部分就会越精细，但是计算量大大增加，所以根据计算机的并行计算能力，这个分割数尽可能大。而分段可以根据计算机的情况随机设置。

随后判断从相距较近的包围盒开始成对判断包围盒是否交叉，例如首先判断N₁和M₁包围盒，然后在判断N₂和M₂，直到找到两个不相交的包围盒，则后面的包围盒就不用判断了，也认为是不会相交的。对于属于不相交的包围盒所包围的衣服模型，直接采用刚性变形的方法，使得所有的网格顶点绕关节点，一般为铰链，旋转。而对于属于相交的包围盒中的网格顶点，按照传统的基于物理的变形方法进行处理，同时施加约束的方法，使其不能产生穿透情况，反而会产生比较真实的褶皱。

上述采用的约束包括控制两个相邻三角面之间的夹角不能小于某个角度，该角度跟布料的厚薄有关，越厚的布料这个角度越大，一般取30度，以及某个点到三角面的距离不能小于某个阈值，这个阈值是根据三角面片的精细程度有关的，一般应该和上面那个角度计算出来的两个三角面的最大距离同量级。由于经过上述判断后，需要进行物理变形的三角网格数会大大减少，使得对这些网格进行物理建模的计算量大大减小了。

步骤4，对变形后的服装模型和人体模型进行碰撞检测，防止服装穿透人体模型的情况发生。图6是服装模型和人体模型碰撞检测的示意图。其中O点为骨骼系统，虚线为人体模型和垂直于骨骼的截断平面相交后的封闭折线L^H，实线为衣物模型和该平面相交后的封闭折线L^G。实线圆为最小圆柱状包围盒的横截面，可见L^H位于包围盒内。当衣物模型上的一个点p_i∈L^G侵入了包围盒，就认为服装和人体模型穿透了，这是将该点沿矢量向外延伸，直到L^G所有的折线都移动到包围盒外面，该点的新位置记作p_i′，可见移动后的封闭折线L^G′，其中p_i′∈L^G′，全部位于包围盒的外部。

Claims (5)

1.一种基于骨骼驱动的虚拟服装变形仿真方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)载入虚拟服装的三维网格模型和人体骨骼模型；

(2)借鉴虚拟人的骨骼模型的创建方法，为导入的服装模型匹配骨骼系统；

(3)按照骨骼的长度将服装模型分段，分段计算的多边形网格在该段的圆柱状包围盒，当骨骼进行运动时，服装网格和包围盒也将随之产生相应的变形；

(4)对变形后的服装模型和人体模型进行碰撞检测。

2.根据权利要求1所述的基于骨骼驱动的虚拟服装变形仿真方法，其特征在于，所述步骤(2)中，将人体骨骼模型定位到衣服中，与衣服的中轴线重合，进行肩部和腰部的定位，同时在定位点施加约束，限制所述定位位置顶点的运动。

3.根据权利要求1所述的基于骨骼驱动的虚拟服装变形仿真方法，其特征在于，所述步骤(3)又分为：

(31)根据所述骨骼长度将骨骼均分为若干段，对附着在每一段骨骼上的服装的多边形网格计算最小圆柱包围盒；

(32)关节位置附近所述包围盒会相交，远离关节的位置所述包围盒不会相交，根据所述包围盒相交的情况，多边形网格的顶点采用不同的变形方法。

4.根据权利要求3所述的基于骨骼驱动的虚拟服装变形仿真方法，其特征在于，所述步骤(32)中的变形方法包括：

没有相交的所述包围盒的顶点直接绕关节进行刚性变形，而属于相交包围盒的顶点进行基于物理方法的柔性变形，施加相应的约束，形成动态效果。

5.根据权利要求1所述的基于骨骼驱动的虚拟服装变形仿真方法，其特征在于，所述步骤(4)中，对变形后的服装网格和人体模型进行碰撞检测方法为：

将所述人体模型同样分段包裹在所述圆柱形包围盒中，如果衣物的模型在变形的过程中侵入了所述包围盒，则将该节点沿射线方向移出包围盒。