CN113345098A - 一种可交互式编辑的实时毛发材质生成方法及系统 - Google Patents

Abstract

发明公开了一种可交互式编辑的实时毛发材质生成方法及系统，能够设置表面网格区域，并在表面网格区域上生成预设数量的毛发三角网格，使用毛发材质渲染参数对毛发三角网格进行渲染，每次修改毛发材质建模参数和毛发材质渲染参数均能实时更新毛发材质建模效果和渲染效果，直到得到的毛发材质效果符合毛发材质的制作要求，保存毛发材质建模参数和毛发材质渲染参数，作为可交互式编辑的实时毛发材质的数据内容；本发明克服现有技术中毛发制作过程中毛发材质的效果不够直观，难以实时验证毛发渲染效果等问题，实现可交互式编辑，能够在预设好的毛发材质的基础上通过修改参数得到批量的毛发材质，提高毛发材质的制作效率。

Description

一种可交互式编辑的实时毛发材质生成方法及系统

技术领域

本发明涉及毛发建模和渲染的技术领域，尤其是指一种可交互式编辑的实时毛发材质生成方法及系统。

背景技术

毛发包括人和动物身上的体毛和头发，毛发的建模和渲染一直是计算机图形学中的一个重要课题，广泛应用于动画、游戏、服装仿真等领域。由于毛发形态和视觉效果的复杂性和多样性，为了给角色或带毛发的材料提供更加真实的渲染效果，需要毛发的渲染算法能够体现不同毛发材料的形态和渲染特性；然而毛发的制作通常需要一个比较复杂的流程，包括建模、仿真、渲染等几个对专业程度要求极高的步骤，才能获得较为逼近真实的毛发视觉效果，而且由于涉及的算法较为复杂和耗时，难以实时预览最后的制作效果，需要多次重复修改后，经过耗时较长的离线渲染，才能判断制作得到的毛发材料是否能够符合要求。

发明内容

本发明目的在于为解决现有技术中的不足，提供了一种可交互式编辑的实时毛发材质生成方法及系统，能够提高毛发材质的制作效率，在完成毛发材质的制作后，只需要调整毛发材质建模参数和毛发材质渲染参数，即可实时获得修改后的毛发材质效果，得到一系列具有逼真效果的毛发材质。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种可交互式编辑的实时毛发材质生成方法，包括以下步骤：

S1：在三角网格模型上设置一个表面网格区域，用于在该区域上生成毛发材质；

S2：使用预设的毛发材质建模参数，在表面网格区域上生成预设数量的毛发三角网格，用于模拟毛发；

S3：使用预设的毛发材质渲染参数，对步骤S2中生成的毛发三角网格进行渲染；

S4：根据毛发材质的生成需要，修改毛发材质建模参数和毛发材质渲染参数；

S5：根据毛发材质建模算法和毛发材质渲染算法，实时更新毛发材质建模效果和毛发材质渲染效果；

S6：重复执行步骤S4和S5，直到得到的毛发材质效果符合毛发材质的制作要求，保存毛发材质建模参数和毛发材质渲染参数，作为可交互式编辑的实时毛发材质的数据内容。

进一步，所述步骤S2包括以下步骤：

S201：在表面网格区域上使用泊松分布采样算法，以毛发材质建模参数中的采样密度参数作为采样密度，在该表面网格区域上生成采样点，当采样点的数量超过设定的阈值时，使用该阈值作为实际生成的采样点个数，以避免采样点个数过多导致的毛发材质建模和毛发材质渲染性能下降，保证毛发材质编辑的实时性；

S202：在每个采样点处构建用于控制毛发形态的毛发引导线，所述毛发引导线划分为多段线段，根据毛发材质建模参数中的毛发长度及分段个数，计算毛发引导线的每段线段的长度，在表面网格区域上的采样点处沿其法线方向生成毛发引导线，并根据毛发材质建模参数对每条毛发引导线进行弯曲、增加重力影响和卷曲操作；

S203：对于每条毛发引导线，首先将毛发材质建模参数中的毛发宽度作为发根宽度，再根据毛发材质建模参数中的毛发锥度，计算发梢位置的毛发宽度，然后采用线性插值计算毛发引导线其他分段点位置的毛发宽度；根据毛发引导线和毛发宽度，毛发引导线的每个分段均生成由两个三角形组成的四边形，其长度方向与相应的毛发引导线分段的生长方向平行，其宽度为该毛发引导线分段的毛发宽度，得到毛发引导线对应的毛发三角网格。

进一步，在步骤S202中，所述对每条毛发引导线进行弯曲操作，具体如下：

若毛发材质建模参数的弯曲度大于零，则预设垂直于毛发引导线延伸方向的单位向量，并将该单位向量乘以弯曲度，构成弯曲向量；对毛发引导线的每个分段点计算弯曲系数，使用弯曲向量和弯曲系数的乘积得到的向量对毛发引导线的每个分段点进行偏移，得到弯曲后的毛发引导线。

进一步，在步骤S202中，所述对每条毛发引导线进行增加重力影响操作，具体如下：

若毛发材质建模参数的重力向量的长度大于零，则对毛发引导线的每个分段点计算重力系数，使用重力向量和重力系数的乘积得到的向量对毛发引导线的每个分段点进行偏移，得到重力影响后的毛发引导线。

进一步，在步骤S202中，所述对每条毛发引导线进行卷曲操作，具体如下：

若毛发材质建模参数的卷曲度和卷曲半径均大于零，则将卷曲度除以毛发引导线的分段个数，得到毛发引导线的每个分段的轴向旋转圈数；将表面网格区域采样点处的切向乘以卷曲半径，得到发根位置的卷曲向量，将毛发引导线发根位置的分段点使用该卷曲向量偏移得到卷曲后的发根点；

对于毛发引导线其余位置的分段点，将轴向旋转圈数乘以分段数，得到相应毛发引导线分段点的轴向旋转圈数，并将该轴向旋转圈数计算转换为旋转角度，以卷曲前的毛发引导线生长方向为轴，将卷曲向量以该旋转角度沿轴旋转，得到相应毛发引导线分段点的卷曲向量，使用该卷曲向量偏移相应毛发引导线分段点，得到卷曲后的相应毛发引导线分段点；重复上述步骤对其余毛发引导线分段点进行卷曲操作，直到所有毛发引导线分段点都完成偏移，得到卷曲后的毛发引导线。

进一步，在步骤S203中，根据毛发材质建模参数中的毛发锥度，计算发梢位置的毛发宽度，具体如下：

发梢位置的毛发宽度＝发根宽度×(1.0-毛发锥度)。

进一步，所述毛发材质建模参数包括采样密度、分段个数、毛发长度、毛发宽度、毛发锥度、弯曲度、重力向量、卷曲半径和卷曲度，其中：

所述采样密度为采用泊松分布采样方法获得采样点后，每单位面积中采样点的数量；

所述分段个数为生成的单个毛发所包含的分段个数；

所述毛发长度为生成的单个毛发的总长度；

所述毛发宽度为生成的单个毛发的宽度；

所述毛发锥度为生成的单个毛发的末梢宽度和根部宽度之差与根部宽度的比例；

所述弯曲度为毛发各分段向模型表面网格法向反向方向的弯曲程度；

所述重力向量为毛发所处的重力场向量；

所述卷曲半径为毛发沿着其轴向螺旋卷曲的半径；

所述卷曲度为单个毛发沿着其轴向螺旋卷曲的总圈数。

进一步，所述毛发材质渲染参数包括漫反射颜色、主高光颜色、次高光颜色、透射颜色和光泽度，其中：

所述漫反射颜色为光线经过毛发表面漫反射后得到的颜色分量；

所述主高光颜色为光线经过毛发表面一次反射后所得到的颜色分量；

所述次高光颜色为光线经过毛发表面一次透射一次反射和一次透射后得到的颜色分量；

所述透射颜色为光线经过毛发表面两次透射后得到的颜色分量；

所述光泽度为主高光颜色分量的光泽度。

本发明所提供的一种可交互式编辑的实时毛发材质生成系统，包括：

参数编辑单元，用于修改毛发材质的建模参数和渲染参数；

毛发建模单元，用于根据毛发材质的建模参数生成毛发模型；

毛发渲染单元，用于根据毛发材质的渲染参数进行毛发的渲染；

毛发材质数据存取单元，用于将编辑完成的毛发材质的建模参数和渲染参数保存到毛发材质数据中，以及导入之前保存的毛发材质数据到系统中。

本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

本发明克服现有技术中毛发制作过程中毛发材质的效果不够直观，难以实时验证毛发渲染效果等问题，并能够形成一套规范的毛发制作流程，实现可交互式编辑，能够在预设好的毛发材质的基础上通过修改部分参数得到批量的毛发材质，保证毛发材质的制作质量，同时提高毛发材质的制作效率。

附图说明

图1为实时毛发材质生成方法的流程图。

图2为毛发引导线和毛发三角网格的结构示意图。

图3为毛发三角网格的建模流程图。

图4为实时毛发材质生成系统的架构图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

参见图1至图3所示，为本实施例所提供的可交互式编辑的实时毛发材质生成方法，包括以下步骤：

S1：在三角网格模型上设置一个表面网格区域3，用于在该区域上生成毛发材质；

S2：使用预设的毛发材质建模参数，在表面网格区域3上生成预设数量的毛发三角网格2，用于模拟毛发，具体包括以下步骤：

S201：在表面网格区域上使用泊松分布采样算法，以毛发材质建模参数中的采样密度参数作为采样密度，在该表面网格区域3上生成采样点，当采样点的数量超过设定的阈值时，使用该阈值作为实际生成的采样点个数，以避免采样点个数过多导致的毛发材质建模和毛发材质渲染性能下降，保证毛发材质编辑的实时性；

S202：在每个采样点处构建用于控制毛发形态的毛发引导线1，所述毛发引导线1划分为多段线段，根据毛发材质建模参数中的毛发长度及分段个数，计算毛发引导线1的每段线段的长度，在表面网格区域3上的采样点处沿其法线方向生成毛发引导线1，并根据毛发材质建模参数对每条毛发引导线1进行弯曲、增加重力影响和卷曲操作；

所述对每条毛发引导线1进行弯曲操作，具体如下：

若毛发材质建模参数的弯曲度大于零，则预设垂直于毛发引导线1延伸方向的单位向量，并将该单位向量乘以弯曲度，构成弯曲向量；对毛发引导线1的每个分段点计算弯曲系数，使用弯曲向量和弯曲系数的乘积得到的向量对毛发引导线1的每个分段点进行偏移，得到弯曲后的毛发引导线1。

所述对每条毛发引导线1进行增加重力影响操作，具体如下：

若毛发材质建模参数的重力向量的长度大于零，则对毛发引导线1的每个分段点计算重力系数，使用重力向量和重力系数的乘积得到的向量对毛发引导线1的每个分段点进行偏移，得到重力影响后的毛发引导线1。

所述对每条毛发引导线1进行卷曲操作，具体如下：

若毛发材质建模参数的卷曲度和卷曲半径均大于零，则将卷曲度除以毛发引导线1的分段个数，得到毛发引导线1的每个分段的轴向旋转圈数；将表面网格区域采样点处的切向乘以卷曲半径，得到发根位置的卷曲向量，将毛发引导线1发根位置的分段点使用该卷曲向量偏移得到卷曲后的发根点；

对于毛发引导线1其余位置的分段点，将轴向旋转圈数乘以分段数，得到相应毛发引导线1分段点的轴向旋转圈数，并将该轴向旋转圈数计算转换为旋转角度，以卷曲前的毛发引导线1生长方向为轴，将卷曲向量以该旋转角度沿轴旋转，得到相应毛发引导线1分段点的卷曲向量，使用该卷曲向量偏移相应毛发引导线1分段点，得到卷曲后的相应毛发引导线1分段点；重复上述步骤对其余毛发引导线1分段点进行卷曲操作，直到所有毛发引导线1分段点都完成偏移，得到卷曲后的毛发引导线1。

S203：对于每条毛发引导线1，首先将毛发材质建模参数中的毛发宽度作为发根宽度，再根据毛发材质建模参数中的毛发锥度，计算发梢位置的毛发宽度，其中发梢位置的毛发宽度＝发根宽度×(1.0-毛发锥度)；

然后采用线性插值计算毛发引导线1其他分段点位置的毛发宽度；根据毛发引导线1和毛发宽度，毛发引导线1的每个分段均生成由两个三角形组成的四边形，其长度方向与相应的毛发引导线1分段的生长方向平行，其宽度为该毛发引导线1分段的毛发宽度，得到毛发引导线1对应的毛发三角网格2。

S3：使用预设的毛发材质渲染参数，对步骤S2中生成的毛发三角网格2进行渲染；

S4：根据毛发材质的生成需要，修改毛发材质建模参数和毛发材质渲染参数；

S5：根据毛发材质建模算法和毛发材质渲染算法，实时更新毛发材质建模效果和毛发材质渲染效果；

S6：重复执行步骤S4和S5，直到得到的毛发材质效果符合毛发材质的制作要求，保存毛发材质建模参数和毛发材质渲染参数，作为可交互式编辑的实时毛发材质的数据内容。

其中，所述毛发材质建模参数包括采样密度、分段个数、毛发长度、毛发宽度、毛发锥度、弯曲度、重力向量、卷曲半径和卷曲度，其中：

所述采样密度为采用泊松分布采样方法获得采样点后，每单位面积中采样点的数量；

所述分段个数为生成的单个毛发所包含的分段个数；

所述毛发长度为生成的单个毛发的总长度；

所述毛发宽度为生成的单个毛发的宽度；

所述毛发锥度为生成的单个毛发的末梢宽度和根部宽度之差与根部宽度的比例；

所述弯曲度为毛发各分段向模型表面网格法向反向方向的弯曲程度；

所述重力向量为毛发所处的重力场向量；

所述卷曲半径为毛发沿着其轴向螺旋卷曲的半径；

所述卷曲度为单个毛发沿着其轴向螺旋卷曲的总圈数。

所述毛发材质渲染参数包括漫反射颜色、主高光颜色、次高光颜色、透射颜色和光泽度，其中：

所述漫反射颜色为光线经过毛发表面漫反射后得到的颜色分量；

所述主高光颜色为光线经过毛发表面一次反射后所得到的颜色分量；

所述次高光颜色为光线经过毛发表面一次透射一次反射和一次透射后得到的颜色分量；

所述透射颜色为光线经过毛发表面两次透射后得到的颜色分量；

所述光泽度为主高光颜色分量的光泽度。

参见图4所示，下面为本实施例所提供的可交互式编辑的实时毛发材质生成系统，上述方法使用了该系统进行操作，该系统包括：

参数编辑单元201，用于修改毛发材质的建模参数和渲染参数；

毛发建模单元202，用于根据毛发材质的建模参数生成毛发模型；

毛发渲染单元203，用于根据毛发材质的渲染参数进行毛发的渲染；

毛发材质数据存取单元204，用于将编辑完成的毛发材质的建模参数和渲染参数保存到毛发材质数据中，以及导入之前保存的毛发材质数据到系统中。

以上所述之实施例只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种可交互式编辑的实时毛发材质生成方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：在三角网格模型上设置一个表面网格区域，用于在该区域上生成毛发材质；

S2：使用预设的毛发材质建模参数，在表面网格区域上生成预设数量的毛发三角网格，用于模拟毛发；

S3：使用预设的毛发材质渲染参数，对步骤S2中生成的毛发三角网格进行渲染；

S4：根据毛发材质的生成需要，修改毛发材质建模参数和毛发材质渲染参数；

S5：根据毛发材质建模算法和毛发材质渲染算法，实时更新毛发材质建模效果和毛发材质渲染效果；

S6：重复执行步骤S4和S5，直到得到的毛发材质效果符合毛发材质的制作要求，保存毛发材质建模参数和毛发材质渲染参数，作为可交互式编辑的实时毛发材质的数据内容。

2.根据权利要求1所述的一种可交互式编辑的实时毛发材质生成方法，其特征在于，所述步骤S2包括以下步骤：

S201：在表面网格区域上使用泊松分布采样算法，以毛发材质建模参数中的采样密度参数作为采样密度，在该表面网格区域上生成采样点，当采样点的数量超过设定的阈值时，使用该阈值作为实际生成的采样点个数，以避免采样点个数过多导致的毛发材质建模和毛发材质渲染性能下降，保证毛发材质编辑的实时性；

S202：在每个采样点处构建用于控制毛发形态的毛发引导线，所述毛发引导线划分为多段线段，根据毛发材质建模参数中的毛发长度及分段个数，计算发引导线的每段线段的长度，在表面网格区域上的采样点处沿其法线方向生成毛发引导线，并根据毛发材质建模参数对每条毛发引导线进行弯曲、增加重力影响和卷曲操作；

S203：对于每条毛发引导线，首先将毛发材质建模参数中的毛发宽度作为发根宽度，再根据毛发材质建模参数中的毛发锥度，计算发梢位置的毛发宽度，然后采用线性插值计算毛发引导线其他分段点位置的毛发宽度；根据毛发引导线和毛发宽度，毛发引导线的每个分段均生成由两个三角形组成的四边形，其长度方向与相应的毛发引导线分段的生长方向平行，其宽度为该毛发引导线分段的毛发宽度，得到毛发引导线对应的毛发三角网格。

3.根据权利要求2所述的一种可交互式编辑的实时毛发材质生成方法，其特征在于，在步骤S202中，所述对每条毛发引导线进行弯曲操作，具体如下：

若毛发材质建模参数的弯曲度大于零，则预设垂直于毛发引导线延伸方向的单位向量，并将该单位向量乘以弯曲度，构成弯曲向量；对毛发引导线的每个分段点计算弯曲系数，使用弯曲向量和弯曲系数的乘积得到的向量对毛发引导线的每个分段点进行偏移，得到弯曲后的毛发引导线。

4.根据权利要求2所述的一种可交互式编辑的实时毛发材质生成方法，其特征在于，在步骤S202中，所述对每条毛发引导线进行增加重力影响操作，具体如下：

若毛发材质建模参数的重力向量的长度大于零，则对毛发引导线的每个分段点计算重力系数，使用重力向量和重力系数的乘积得到的向量对毛发引导线的每个分段点进行偏移，得到重力影响后的毛发引导线。

5.根据权利要求2所述的一种可交互式编辑的实时毛发材质生成方法，其特征在于，在步骤S202中，所述对每条毛发引导线进行卷曲操作，具体如下：

若毛发材质建模参数的卷曲度和卷曲半径均大于零，则将卷曲度除以毛发引导线的分段个数，得到毛发引导线的每个分段的轴向旋转圈数；将表面网格区域采样点处的切向乘以卷曲半径，得到发根位置的卷曲向量，将毛发引导线发根位置的分段点使用该卷曲向量偏移得到卷曲后的发根点；

对于毛发引导线其余位置的分段点，将轴向旋转圈数乘以分段数，得到相应毛发引导线分段点的轴向旋转圈数，并将该轴向旋转圈数计算转换为旋转角度，以卷曲前的毛发引导线生长方向为轴，将卷曲向量以该旋转角度沿轴旋转，得到相应毛发引导线分段点的卷曲向量，使用该卷曲向量偏移相应毛发引导线分段点，得到卷曲后的相应毛发引导线分段点；重复上述步骤对其余毛发引导线分段点进行卷曲操作，直到所有毛发引导线分段点都完成偏移，得到卷曲后的毛发引导线。

6.根据权利要求2所述的一种可交互式编辑的实时毛发材质生成方法，其特征在于，在步骤S203中，根据毛发材质建模参数中的毛发锥度，计算发梢位置的毛发宽度，具体如下：

发梢位置的毛发宽度＝发根宽度×(1.0-毛发锥度)。

7.根据权利要求1所述的一种可交互式编辑的实时毛发材质生成方法，其特征在于：所述毛发材质建模参数包括采样密度、分段个数、毛发长度、毛发宽度、毛发锥度、弯曲度、重力向量、卷曲半径和卷曲度，其中：

所述采样密度为采用泊松分布采样方法获得采样点后，每单位面积中采样点的数量；

所述分段个数为生成的单个毛发所包含的分段个数；

所述毛发长度为生成的单个毛发的总长度；

所述毛发宽度为生成的单个毛发的宽度；

所述毛发锥度为生成的单个毛发的末梢宽度和根部宽度之差与根部宽度的比例；

所述弯曲度为毛发各分段向模型表面网格法向反向方向的弯曲程度；

所述重力向量为毛发所处的重力场向量；

所述卷曲半径为毛发沿着其轴向螺旋卷曲的半径；

所述卷曲度为单个毛发沿着其轴向螺旋卷曲的总圈数。

8.根据权利要求1所述的一种可交互式编辑的实时毛发材质生成方法，其特征在于：所述毛发材质渲染参数包括漫反射颜色、主高光颜色、次高光颜色、透射颜色和光泽度，其中：

所述漫反射颜色为光线经过毛发表面漫反射后得到的颜色分量；

所述主高光颜色为光线经过毛发表面一次反射后所得到的颜色分量；

所述次高光颜色为光线经过毛发表面一次透射一次反射和一次透射后得到的颜色分量；

所述透射颜色为光线经过毛发表面两次透射后得到的颜色分量；

所述光泽度为主高光颜色分量的光泽度。

9.一种可交互式编辑的实时毛发材质生成系统，其特征在于，包括：

参数编辑单元，用于修改毛发材质的建模参数和渲染参数；

毛发建模单元，用于根据毛发材质的建模参数生成毛发模型；

毛发渲染单元，用于根据毛发材质的渲染参数进行毛发的渲染；

毛发材质数据存取单元，用于将编辑完成的毛发材质的建模参数和渲染参数保存到毛发材质数据中，以及导入之前保存的毛发材质数据到系统中。

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