CN113947653B - 一种真实质感毛发的模拟方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种真实质感毛发的模拟方法，包括：构建毛发质感模型的三层架构，并建立毛发质感模型的参数体系；根据毛发的几何特性和光学特性，设定和计算毛发质感模型的参数，并通过毛发质感模型进行真实质感毛发的模拟。本发明构建了能够反应毛发的几何特性和光学特性的毛发质感模型，一方面不需要设计师手工对毛发的几何细节和光影变化逐一绘制，另一方面也不依赖计算量庞大的图像渲染引擎，解决了现有毛发的模拟方法对计算机硬件配置要求高、渲染速度慢的问题，也可满足设计师绘制效果图时实时性和真实性的需求。

Description

一种真实质感毛发的模拟方法
技术领域
本发明涉及计算机图形学技术领域，具体涉及一种真实质感毛发的模拟方法。
背景技术
在革制品设计、服装设计、工业设计和平面设计中，设计师通常需要在绘制产品效果图时表现毛发质感。毛发数量大，直径小且呈现很强的不规则性，导致毛发质感相较于其他质感更难去表现。
当前设计师在绘制毛发质感时通常采用手绘和采用设计软件中毛刷画笔的方法，采用这两种方法往往需要对毛发的几何细节和光影变化逐一绘制，要求绘制者有较好的美术基础，其较大的工作量无法满足设计师快速表现效果图的时效性需求。为了绘制毛发质感，计算机图形学技术领域的相关工作者进行了大量的研究，但现有研究对计算机硬件配置要求较高，渲染速度较慢，不能满足设计师在绘制效果图时的实时性需求。
因此，为了解决目前大量普通设计师无有效办法快速表现具有真实质感的毛发这一现状，发明一种可以提高绘制效率同时又能满足毛发真实质感的绘制方法至关重要。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种真实质感毛发的模拟方法解决了现有毛发的模拟方法对计算机硬件配置要求高、渲染速度慢，不能满足设计师在工程过程中绘制效果图时的实时性需求的问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
一种真实质感毛发的模拟方法，包括以下步骤：
S1、构建毛发质感模型的三层架构，并建立毛发质感模型的参数体系；
S2、根据毛发的几何特性和光学特性，设定和计算毛发质感模型的参数，并通过毛发质感模型进行真实质感毛发的模拟。
本发明的有益效果为：构建了能够反应毛发的几何特性和光学特性的毛发质感模型，一方面不需要设计师手工对毛发的几何细节和光影变化逐一绘制，另一方面也不依赖计算量庞大的图像渲染引擎，解决了现有毛发的模拟方法对计算机硬件配置要求高、渲染速度慢的问题，也可满足设计师绘制效果图时实时性和真实性的需求。
进一步地，所述毛发质感模型，用于通过片元素构成真实质感毛发的基本单元，并通过片元素的错位叠加进行真实质感毛发的模拟；
所述片元素包括：1个皮板单元和Q个毛发单元。
上述进一步方案的有益效果为：真实世界毛发的几何结构可以近似看作大量细小的圆锥体聚集而成的不规则表面，其发根处接触表皮，因此对于毛发图像而言，可以视作皮板与毛发的错位叠加，本发明以二维的带有皮板单元和毛发单元的片元素作为毛发图像的基本单元模拟真实质感毛发，既结合自然规律，能反应毛发的质感，又大大降低了计算机的计算量。
进一步地，所述毛发质感模型的三层架构为：毛发质感模型低层，用于以基圆表征皮板单元，以角形表征毛发单元，并通过毛发质感模型低层参数构建片元素；毛发质感模型中层，用于通过毛发质感模型中层参数进行片元素的差异化调节；毛发质感模型高层，用于通过毛发质感模型高层参数进行片元素的错位叠加；
所述片元素包括：1个基圆和Q个角形，每个角形均包括：发尖顶点、发根第一顶点和发根第二顶点；所述每个角形的发根第一顶点和发根第二顶点均位于基圆的圆边上；所述片元素还包括外辅助同心圆；所述每个角形的发尖顶点均位于外辅助同心圆的圆边上；
所述毛发质感模型的参数体系由毛发质感模型低层参数、毛发质感模型中层参数和毛发质感模型高层参数组成。
进一步地，所述毛发质感模型高层参数包括：片元素叠加方式值ω，用于通过数值表征异轴错位叠加方式和同轴错位叠加方式，若其为1，则表示片元素叠加方式为异轴错位叠加方式，若其为0，则表示片元素叠加方式为同轴错位叠加方式；片元素间距
Figure BDA0003282189180000031
若片元素叠加方式为异轴错位叠加方式，则片元素间距
Figure BDA0003282189180000036
用于表示相邻片元素基圆中心点间隔距离，若片元素叠加方式为同轴错位叠加方式，则片元素间距
Figure BDA0003282189180000032
用于表示相邻片元素基圆半径和外辅助同心圆半径的长度差；初始基圆中心点坐标P0；终点基圆中心点坐标PZ；基圆设定半径ξ；毛发设定长度δ；毛发设定密度ρ；毛发相对细度x，其为比率型数值，用于控制片元素的毛发细度；毛发差异度γ，用于控制片元素毛发单元参数的随机生成数值的差异；强光环境毛发光线衰减缓和度β+；弱光环境毛发光线衰减缓和度β-。
进一步地，所述毛发质感模型中层参数包括：毛发的发根宽度Λ、片元素外辅助同心圆的圆心角θ、第i片元素基圆中心点坐标Pi、第i片元素外辅助同心圆半径τi、第i片元素基圆半径ξi、片元素角形顶点数目Numvertex、片元素的毛发单元长度Furlength、片元素的毛发单元细度Furfineness、片元素毛发单元长度随机改变量矩阵
Figure BDA0003282189180000033
片元素毛发单元相对细度随机改变量矩阵
Figure BDA0003282189180000034
和片元素毛发单元旋转角度随机改变量矩阵
Figure BDA0003282189180000035
i为片元素索引号，其值为小于等于Z的正整数，Z为片元素总数；所述片元素外辅助同心圆的圆心角θ为以片元素外辅助同心圆的圆心为顶点，以片元素外辅助同心圆的圆心至第j角形发根第一或第二顶点的线段为一条边，以片元素外辅助同心圆的圆心至第j角形发尖顶点为另一条边的锐角的角度。
进一步地，所述毛发质感模型低层参数包括：第i片元素的第j角形发尖顶点坐标Ti,j、第i片元素的第j角形发根第一顶点坐标Bi,j,1和第i片元素的第j角形发根第二顶点坐标Bi,j,2；所述j为片元素内的角形索引号，其值为小于等于Q的正整数；
Bi,j,2＝Bi,j+1,1
其中，Bi,j+1,1为第i片元素的第j+1角形发根第一顶点坐标。
上述进一步方案的有益效果为：毛发质感模型高层参数是面向设计者的参数，设计者通过真实世界毛发的几何特性和光学特性配置这些参数，毛发质感模型便可进行三层级的运算，最终确定其低层参数，构成毛发图像的基本框线和着色，实现真实质感毛发的模拟。
进一步地，所述步骤S2包括以下分步骤：
S21、根据毛发的几何特性，设定片元素叠加方式值ω、初始基圆中心点坐标P0、终点基圆中心点坐标PZ和片元素间距
Figure BDA0003282189180000041
并根据初始基圆中心点坐标P0、终点基圆中心点坐标PZ和片元素间距
Figure BDA0003282189180000042
通过以下两式计算第i片元素基圆中心点坐标Pi：
Figure BDA0003282189180000043
Figure BDA0003282189180000044
其中，xi为第i片元素基圆中心点坐标Pi的横坐标，yi为第i片元素基圆中心点坐标Pi的纵坐标，x0为初始基圆中心点坐标P0的横坐标，y0为初始基圆中心点坐标P0的纵坐标，xz为终点基圆中心点坐标PZ的横坐标，yz为终点基圆中心点坐标PZ的纵坐标，κ为限制因子，min(·,·)为取两自变量最小值的函数；
S22、根据毛发的几何特性，设定基圆设定半径ξ、毛发设定长度δ、毛发设定密度ρ和毛发相对细度χ，并计算第i片元素基圆半径ξi、第i片元素外辅助同心圆半径τi、片元素角形顶点数目Numvertex、片元素外辅助同心圆的圆心角θ、片元素内的角形总数Q和毛发的发根宽度Λ；
S23、根据毛发的几何特性，设定毛发差异度γ，并根据毛发差异度γ、毛发设定长度δ、毛发相对细度χ和片元素外辅助同心圆的圆心角θ，并计算片元素毛发单元长度随机改变量矩阵
Figure BDA0003282189180000051
片元素毛发单元相对细度随机改变量矩阵
Figure BDA0003282189180000052
和片元素毛发单元旋转角度随机改变量矩阵
Figure BDA0003282189180000053
S24、根据第i片元素基圆中心点坐标Pi、第i片元素基圆半径ξi、片元素外辅助同心圆的圆心角θ、片元素毛发单元长度随机改变量矩阵
Figure BDA0003282189180000054
片元素毛发单元相对细度随机改变量矩阵
Figure BDA0003282189180000055
和片元素毛发单元旋转角度随机改变量矩阵
Figure BDA0003282189180000056
并计算第i片元素的第j角形发尖顶点坐标Ti,j、第i片元素的第j角形发根第一顶点坐标Bi,j,1和第i片元素的第j角形发根第二顶点坐标Bi,j,2；
S25、根据所有片元素的基圆和角形的坐标参数的数值进行毛发图像的边框图线绘制；
S26、根据毛发的光学特性，设定强光环境毛发光线衰减缓和度β+和弱光环境毛发光线衰减缓和度β_，并根据强光环境毛发光线衰减缓和度β+和弱光环境毛发光线衰减缓和度β-，对毛发图像进行着色，完成真实质感毛发的模拟。
进一步地，所述步骤S22的计算表达式包括：
ξi＝ξ
τi＝ξi+δ
Numvertex＝Q＝int(2π·ξi·ρ)
2θ＝2π/Numvertex
Λ＝2·ξi·sinθ·x
其中，int(·)为取整数的函数。
进一步地，所述步骤S23的计算表达式包括：
Figure BDA0003282189180000061
Figure BDA0003282189180000062
Figure BDA0003282189180000063
Figure BDA0003282189180000064
SFFi,j＝random[-γ·χ,γ·(100％-χ)]
SFAi,j＝random(-γ·2θ,γ·2θ)
其中，SFLi,j为第i片元素第j角形表征的毛发单元长度随机改变量，SFFi,j为第i片元素第j角形表征的毛发单元相对细度随机改变量，SFAi,j为第i片元素第j角形表征的毛发单元旋转角度随机改变量，random(·,·)为生成两自变量之间任意一个数值的随机数生成函数。
进一步地，所述步骤S24的计算表达式包括：
Figure BDA0003282189180000065
Figure BDA0003282189180000066
Figure BDA0003282189180000067
Figure BDA0003282189180000071
Figure BDA0003282189180000072
Figure BDA0003282189180000073
其中，xi,j T为第i片元素的第j角形发尖顶点坐标Ti,j的横坐标，yi,j T为第i片元素的第j角形发尖顶点坐标Ti,j的纵坐标，xi,j,1 B为第i片元素的第j角形发根第一顶点坐标Bi,j,1的横坐标，yi,j,1 B为第i片元素的第j角形发根第一顶点坐标Bi,j,1的纵坐标，xi,j,2 B为第i片元素的第j角形发根第二顶点坐标Bi,j,2的横坐标，yi,j,2 B为第i片元素的第j角形发根第二顶点坐标Bi,j,2的纵坐标。
上述进一步方案的有益效果为：先根据真实世界毛发的几何特性和光学特性进行毛发质感模型各中间参数的计算，再在参数控制下差异化随机微调片元素基圆和角形的坐标参数，使片元素具有差异化，而差异化的片元素错位叠加，便可模拟出真实质感的毛发；同时，为了使模拟的毛发图像更具有真实性，其着色也考虑到了光线衰减缓和度。整体计算过程简单快捷，不依赖计算量庞大的图像渲染引擎，实时性强。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种真实质感毛发的模拟方法流程示意图；
图2为片元素错位叠加模拟真实质感毛发的原理示意图；
图3为片元素示意图；
图4为光线对片元素着色影响示意图；
图5为片元素着色原理示意图；
图6为真实质感毛发的模拟效果图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1所示，在本发明的一个实施例中，一种真实质感毛发的模拟方法，包括以下步骤：
S1、构建毛发质感模型的三层架构，并建立毛发质感模型的参数体系。
如图2所示，毛发质感模型用于通过片元素构成真实质感毛发的基本单元，并通过片元素的错位叠加进行真实质感毛发的模拟；片元素包括：1个皮板单元和Q个毛发单元。
真实世界毛发的几何结构可以近似看作大量细小的圆锥体聚集而成的不规则表面，其发根处接触表皮，因此对于毛发图像而言，可以视作皮板与毛发的错位叠加，本发明以二维的带有皮板单元和毛发单元的片元素作为毛发图像的基本单元模拟真实质感毛发，既结合自然规律，能反应毛发的质感，又大大降低了计算机的计算量。
毛发质感模型的三层架构为：毛发质感模型低层，用于以基圆表征皮板单元，以角形表征毛发单元，并通过毛发质感模型低层参数构建片元素；毛发质感模型中层，用于通过毛发质感模型中层参数进行片元素的差异化调节；毛发质感模型高层，用于通过毛发质感模型高层参数进行片元素的错位叠加。
因此，如图3所示，以基圆表征皮板单元并以角形表征毛发单元后的片元素包括：1个基圆和Q个角形，每个角形均包括：发尖顶点、发根第一顶点和发根第二顶点；所述每个角形的发根第一顶点和发根第二顶点均位于基圆的圆边上；所述片元素还包括外辅助同心圆；所述每个角形的发尖顶点均位于外辅助同心圆的圆边上。
毛发质感模型的参数体系由毛发质感模型低层参数、毛发质感模型中层参数和毛发质感模型高层参数组成。
毛发质感模型高层参数包括：片元素叠加方式值ω，用于通过数值表征异轴错位叠加方式和同轴错位叠加方式，若其为1，则表示片元素叠加方式为异轴错位叠加方式，若其为0，则表示片元素叠加方式为同轴错位叠加方式；片元素间距
Figure BDA0003282189180000091
若片元素叠加方式为异轴错位叠加方式，则片元素间距
Figure BDA0003282189180000092
用于表示相邻片元素基圆中心点间隔距离，若片元素叠加方式为同轴错位叠加方式，则片元素间距
Figure BDA0003282189180000093
用于表示相邻片元素基圆半径和外辅助同心圆半径的长度差；初始基圆中心点坐标P0；终点基圆中心点坐标PZ；基圆设定半径ξ；毛发设定长度δ；毛发设定密度ρ；毛发相对细度χ，其为比率型数值，用于控制片元素的毛发细度；毛发差异度γ，用于控制片元素毛发单元参数的随机生成数值的差异；强光环境毛发光线衰减缓和度β+；弱光环境毛发光线衰减缓和度β-。
毛发质感模型中层参数包括：毛发的发根宽度Λ、片元素外辅助同心圆的圆心角θ、第i片元素基圆中心点坐标Pi、第i片元素外辅助同心圆半径τi、第i片元素基圆半径ξi、片元素角形顶点数目Numvertex、片元素的毛发单元长度Furlength、片元素的毛发单元细度Furfineness、片元素毛发单元长度随机改变量矩阵
Figure BDA0003282189180000094
片元素毛发单元相对细度随机改变量矩阵
Figure BDA0003282189180000095
和片元素毛发单元旋转角度随机改变量矩阵
Figure BDA0003282189180000096
i为片元素索引号，其值为小于等于Z的正整数，Z为片元素总数；所述片元素外辅助同心圆的圆心角θ为以片元素外辅助同心圆的圆心为顶点，以片元素外辅助同心圆的圆心至第j角形发根第一或第二顶点的线段为一条边，以片元素外辅助同心圆的圆心至第j角形发尖顶点为另一条边的锐角的角度。
毛发质感模型低层参数包括：第i片元素的第j角形发尖顶点坐标Ti,j、第i片元素的第j角形发根第一顶点坐标Bi,j,1和第i片元素的第j角形发根第二顶点坐标Bi,j,2；所述j为片元素内的角形索引号，其值为小于等于Q的正整数。
在数值上：Bi,j,2＝Bi,j+1,1，其中，Bi,j+1,1为第i片元素的第j+1角形发根第一顶点坐标。
毛发质感模型高层参数是面向设计者的参数，设计者通过真实世界毛发的几何特性和光学特性配置这些参数，毛发质感模型便可进行三层级的运算，最终确定其低层参数，构成毛发图像的基本框线和着色，实现真实质感毛发的模拟。
S2、根据毛发的几何特性和光学特性，设定和计算毛发质感模型的参数，并通过毛发质感模型进行真实质感毛发的模拟。
步骤S2包括以下分步骤：
S21、根据毛发的几何特性，设定片元素叠加方式值ω、初始基圆中心点坐标P0、终点基圆中心点坐标PZ和片元素间距
Figure BDA0003282189180000101
并根据初始基圆中心点坐标P0、终点基圆中心点坐标PZ和片元素间距
Figure BDA0003282189180000102
通过以下两式计算第i片元素基圆中心点坐标Pi：
Figure BDA0003282189180000103
Figure BDA0003282189180000104
其中，xi为第i片元素基圆中心点坐标Oi的横坐标，yi为第i片元素基圆中心点坐标Pi的纵坐标，x0为初始基圆中心点坐标P0的横坐标，y0为初始基圆中心点坐标P0的纵坐标，xz为终点基圆中心点坐标PZ的横坐标，yz为终点基圆中心点坐标PZ的纵坐标，κ为限制因子，min(·,·)为取两自变量最小值的函数。
在本实施例中，限制因子κ取值为0.05。
S22、根据毛发的几何特性，设定基圆设定半径ξ、毛发设定长度δ、毛发设定密度ρ和毛发相对细度χ，并通过以下各式计算第i片元素基圆半径ξi、第i片元素外辅助同心圆半径τi，片元素角形顶点数目Numvertex、片元素外辅助同心圆的圆心角θ、片元素内的角形总数Q和毛发的发根宽度Λ：
ξi＝ξ
τi＝ξi+δ
Numvertex＝Q＝int(2π·ξi·ρ)
2θ＝2π/Numvertex
Λ＝2·ξi·sinθ·χ
其中，int(·)为取整数的函数。
S23、根据毛发的几何特性，设定毛发差异度γ，并根据毛发差异度γ、毛发设定长度δ、毛发相对细度χ和片元素外辅助同心圆的圆心角θ，通过以下各式计算片元素毛发单元长度随机改变量矩阵
Figure BDA0003282189180000111
片元素毛发单元相对细度随机改变量矩阵
Figure BDA0003282189180000112
和片元素毛发单元旋转角度随机改变量矩阵
Figure BDA0003282189180000113
Figure BDA0003282189180000114
Figure BDA0003282189180000115
Figure BDA0003282189180000116
Figure BDA0003282189180000117
SFFi,j＝random[-γ·χ,γ·(100％-χ)]
SFAi,j＝random(-γ·2θ,γ·2θ)
其中，SFLi,j为第i片元素第j角形表征的毛发单元长度随机改变量，SFFi,j为第i片元素第j角形表征的毛发单元相对细度随机改变量，SFAi,j为第i片元素第j角形表征的毛发单元旋转角度随机改变量，random(·,·)为生成两自变量之间任意一个数值的随机数生成函数。
S24、根据第i片元素基圆中心点坐标Pi、第i片元素基圆半径ξi、片元素外辅助同心圆的圆心角θ、片元素毛发单元长度随机改变量矩阵
Figure BDA0003282189180000121
片元素毛发单元相对细度随机改变量矩阵
Figure BDA0003282189180000122
和片元素毛发单元旋转角度随机改变量矩阵
Figure BDA0003282189180000123
通过以下各式计算第i片元素的第j角形发尖顶点坐标Ti,j、第i片元素的第j角形发根第一顶点坐标Bi,j,1和第i片元素的第j角形发根第二顶点坐标Bi,j,2：
Figure BDA0003282189180000124
Figure BDA0003282189180000125
Figure BDA0003282189180000126
Figure BDA0003282189180000127
Figure BDA0003282189180000128
Figure BDA0003282189180000129
其中，xi,j T为第i片元素的第j角形发尖顶点坐标Ti,j的横坐标，yi,j T为第i片元素的第j角形发尖顶点坐标Ti,j的纵坐标，xi,j,1 B为第i片元素的第j角形发根第一顶点坐标Bi,j,1的横坐标，yi,j,1 B为第i片元素的第j角形发根第一顶点坐标Bi,j,1的纵坐标，xi,j,2 B为第i片元素的第j角形发根第二顶点坐标Bi,j,2的横坐标，yi,j,2 B为第i片元素的第j角形发根第二顶点坐标Bi,j,2的纵坐标。
S25、根据所有片元素的基圆和角形的坐标参数的数值进行毛发图像的边框图线绘制。
S26、根据毛发的光学特性，设定强光环境毛发光线衰减缓和度β+和弱光环境毛发光线衰减缓和度β-，并根据强光环境毛发光线衰减缓和度β+和弱光环境毛发光线衰减缓和度β-，对毛发图像进行着色，完成真实质感毛发的模拟。
在本实施例中，对毛发图像进行着色的过程，采用了渐变色的方式：对于第i片元素，从第i片元素基圆中心点坐标Pi到其每个角形发尖顶点，采用黑白色渐变来模拟光线从发尖到发根的衰减。
如图4所示，光线对片元素着色会造成影响，因此，本发明设置了强光环境毛发光线衰减缓和度β+和弱光环境毛发光线衰减缓和度β-这两大参数。
在本实施例中，采用了如图5的方式进行着色：若为强光环境，则根据强光环境毛发光线衰减缓和度β+，计算图5中的Dgmax参数，Dgmax参数为纯白色与强光环境亮度转折点η的距离；若为弱光环境，则根据弱光环境毛发光线衰减缓和度β_，计算图5中的Dlmax参数，Dlmax参数为纯黑色与弱光环境亮度转折点
Figure BDA0003282189180000131
的距离。计算表达式如下：
Dgmax＝τi(1-β+)
Dlmax＝τi(1-β-)
先根据真实世界毛发的几何特性和光学特性进行毛发质感模型各中间参数的计算，再在参数控制下差异化随机微调片元素基圆和角形的坐标参数，使片元素具有差异化，而差异化的片元素错位叠加，便可模拟出真实质感的毛发；同时，为了使模拟的毛发图像更具有真实性，其着色也考虑到了光线衰减缓和度。整体计算过程简单快捷，不依赖计算量庞大的图像渲染引擎，实时性强。
本发明实施例基于以上步骤，便可完成真实质感毛发的模拟，绘制出接近于真实世界毛发的图像。
毛发质感模型高层参数中的片元素叠加方式值ω、片元素间距
Figure BDA0003282189180000142
基圆设定半径ξ、毛发设定长度δ、毛发设定密度ρ、毛发相对细度χ、毛发差异度γ、强光环境毛发光线衰减缓和度β+和弱光环境毛发光线衰减缓和度β-，是提供给本发明方法使用者的关键参数，通过这些参数的调节，可以模拟真实世界的各种毛发，结合理论分析与实验探索，本发明实施例提供了这些参数的取值范围及计算机数据存储类型，如表1所示。
表1毛发质感模型各参数取值范围
Figure BDA0003282189180000141
本发明实施例还进行了本方法在通用设计软件中的验证。为了让设计师更加便捷地使用本发明所提方法构建毛发质感模型，本发明探索了所描述的毛发片元素模型在设计师通用的矢量绘图软件Adobe Illustrator CC(AI)环境下进行构建的可能性。在AI软件中，操作者可以通过设置软件中的参数绘制出多样的矢量图形。通过前期实验，筛选出了AI中可以用来构建毛发片元素模型的相关工具，分别为：星形绘制工具、收缩和膨胀工具、粗糙度工具、混合工具和渐变工具。其中，星形绘制工具中包含的控制参数为星形内半径、星形外半径和角点数；收缩和膨胀工具中包含的控制参数为收缩值和膨胀值；粗糙度工具中包含的控制参数为粗糙度大小和粗糙度细节；混合工具中包含的控制参数为混合间距；渐变工具中包含的控制参数为渐变类型、渐变滑块位置等。通过分析以上工具的参数变化对图形的影响，建立了两者之间的对应关系，见表2。
采用本发明方法在AI中构建毛发质感模型的主要操作如下：第一步，选择星形工具，设置星形的内半径，并根据毛发长度和毛发密度设置星形外半径和角点数；第二步，使用直接选择工具将星形的尖角变圆角，选择收缩和膨胀工具，根据毛发相对细度需求设置圆角星形的收缩值；第三步，选择粗糙度工具，根据毛发差异度需求设置粗糙度大小值，粗糙度细节为0；第四步，选择渐变工具，设置从片元素圆心到最外侧角点的径向渐变，根据光照衰减缓和度设置亮暗滑块的位置；第五步，复制并平移片元素，选择混合工具，根据片元素间距设置混合间距，选择两片元素进行混合。通过以上五个步骤即可绘制出毛发片元素叠加而成的毛发质感。
表2毛发质感模型与Adobe Illustrator软件中参数的对应关系
Figure BDA0003282189180000151
本发明的方法能够通过调整参数绘制不同长度、密度、粗糙度和光照特性的毛发质感，所绘制的毛发效果具备较高的真实感。
本发明实施例的效果如图6所示，采用基本的几何图元组成矢量毛发，因此具备矢量图形的所有优点，即：可扩展性强、易于编辑与修改、文件小和兼容性强。
综上，本发明构建了能够反应毛发的几何特性和光学特性的毛发质感模型，一方面不需要设计师手工对毛发的几何细节和光影变化逐一绘制，另一方面也不依赖计算量庞大的图像渲染引擎，解决了现有毛发的模拟方法对计算机硬件配置要求高、渲染速度慢的问题，也可满足设计师绘制效果图时实时性和真实性的需求。
本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种真实质感毛发的模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、构建毛发质感模型的三层架构，并建立毛发质感模型的参数体系；所述毛发质感模型的三层架构为：毛发质感模型低层，用于以基圆表征皮板单元，以角形表征毛发单元，并通过毛发质感模型低层参数构建片元素；毛发质感模型中层，用于通过毛发质感模型中层参数进行片元素的差异化调节；毛发质感模型高层，用于通过毛发质感模型高层参数进行片元素的错位叠加；
所述片元素包括：1个基圆和Q个角形，每个角形均包括：发尖顶点、发根第一顶点和发根第二顶点；所述每个角形的发根第一顶点和发根第二顶点均位于基圆的圆边上；所述片元素还包括外辅助同心圆；所述每个角形的发尖顶点均位于外辅助同心圆的圆边上；
所述毛发质感模型的参数体系由毛发质感模型低层参数、毛发质感模型中层参数和毛发质感模型高层参数组成；
S2、根据毛发的几何特性和光学特性，设定和计算毛发质感模型的参数，并通过毛发质感模型进行真实质感毛发的模拟；包括以下分步骤：
S21、根据毛发的几何特性，设定片元素叠加方式值ω、初始基圆中心点坐标P0、终点基圆中心点坐标PZ和片元素间距
Figure FDA0004083908980000011
并根据初始基圆中心点坐标P0、终点基圆中心点坐标PZ和片元素间距
Figure FDA0004083908980000012
通过以下两式计算第i片元素基圆中心点坐标Pi：
Figure FDA0004083908980000013
Figure FDA0004083908980000014
其中，xi为第i片元素基圆中心点坐标Pi的横坐标，yi为第i片元素基圆中心点坐标Pi的纵坐标，x0为初始基圆中心点坐标P0的横坐标，y0为初始基圆中心点坐标P0的纵坐标，xz为终点基圆中心点坐标PZ的横坐标，yz为终点基圆中心点坐标PZ的纵坐标，k为限制因子，min(·，·)为取两自变量最小值的函数；
S22、根据毛发的几何特性，设定基圆设定半径ξ、毛发设定长度δ、毛发设定密度ρ和毛发相对细度χ，并计算第i片元素基圆半径ξi、第i片元素外辅助同心圆半径τi、片元素角形顶点数目Numvertex、片元素外辅助同心圆的圆心角θ、片元素内的角形总数Q和毛发的发根宽度Λ；
S23、根据毛发的几何特性，设定毛发差异度γ，并根据毛发差异度γ、毛发设定长度δ、毛发相对细度χ和片元素外辅助同心圆的圆心角θ，并计算片元素毛发单元长度随机改变量矩阵
Figure FDA0004083908980000021
片元素毛发单元相对细度随机改变量矩阵
Figure FDA0004083908980000022
和片元素毛发单元旋转角度随机改变量矩阵
Figure FDA0004083908980000023
S24、根据第i片元素基圆中心点坐标Pi、第i片元素基圆半径ξi、片元素外辅助同心圆的圆心角θ、片元素毛发单元长度随机改变量矩阵
Figure FDA0004083908980000024
片元素毛发单元相对细度随机改变量矩阵
Figure FDA0004083908980000025
和片元素毛发单元旋转角度随机改变量矩阵
Figure FDA0004083908980000026
并计算第i片元素的第j角形发尖顶点坐标Ti，j、第i片元素的第j角形发根第一顶点坐标Bi,j，1和第i片元素的第j角形发根第二顶点坐标Bi,j,2；
S25、根据所有片元素的基圆和角形的坐标参数的数值进行毛发图像的边框图线绘制；
S26、根据毛发的光学特性，设定强光环境毛发光线衰减缓和度β+和弱光环境毛发光线衰减缓和度β-，并根据强光环境毛发光线衰减缓和度β+和弱光环境毛发光线衰减缓和度β-，对毛发图像进行着色，完成真实质感毛发的模拟。
2.根据权利要求1所述的真实质感毛发的模拟方法，其特征在于，所述毛发质感模型，用于通过片元素构成真实质感毛发的基本单元，并通过片元素的错位叠加进行真实质感毛发的模拟；
所述片元素包括：1个皮板单元和Q个毛发单元。
3.根据权利要求1所述的真实质感毛发的模拟方法，其特征在于，所述毛发质感模型高层参数包括：片元素叠加方式值ω，用于通过数值表征异轴错位叠加方式和同轴错位叠加方式，若其为1，则表示片元素叠加方式为异轴错位叠加方式，若其为0，则表示片元素叠加方式为同轴错位叠加方式；片元素间距
Figure FDA0004083908980000031
若片元素叠加方式为异轴错位叠加方式，则片元素间距
Figure FDA0004083908980000032
用于表示相邻片元素基圆中心点间隔距离，若片元素叠加方式为同轴错位叠加方式，则片元素间距
Figure FDA0004083908980000033
用于表示相邻片元素基圆半径和外辅助同心圆半径的长度差；初始基圆中心点坐标P0；终点基圆中心点坐标PZ；基圆设定半径ξ；毛发设定长度δ；毛发设定密度ρ；毛发相对细度χ，其为比率型数值，用于控制片元素的毛发细度；毛发差异度γ，用于控制片元素毛发单元参数的随机生成数值的差异；强光环境毛发光线衰减缓和度β+；弱光环境毛发光线衰减缓和度β-。
4.根据权利要求3所述的真实质感毛发的模拟方法，其特征在于，所述毛发质感模型中层参数包括：毛发的发根宽度Λ、片元素外辅助同心圆的圆心角θ、第i片元素基圆中心点坐标Pi、第i片元素外辅助同心圆半径τi、第i片元素基圆半径ξi、片元素角形顶点数目Numvertex、片元素的毛发单元长度Furlength、片元素的毛发单元细度Furfineness、片元素毛发单元长度随机改变量矩阵
Figure FDA0004083908980000034
片元素毛发单元相对细度随机改变量矩阵
Figure FDA0004083908980000035
和片元素毛发单元旋转角度随机改变量矩阵
Figure FDA0004083908980000036
i为片元素索引号，其值为小于等于Z的正整数，Z为片元素总数；所述片元素外辅助同心圆的圆心角θ为以片元素外辅助同心圆的圆心为顶点，以片元素外辅助同心圆的圆心至第j角形发根第一或第二顶点的线段为一条边，以片元素外辅助同心圆的圆心至第j角形发尖顶点为另一条边的锐角的角度。
5.根据权利要求4所述的真实质感毛发的模拟方法，其特征在于，所述毛发质感模型低层参数包括：第i片元素的第j角形发尖顶点坐标Ti，j、第i片元素的第j角形发根第一顶点坐标Bi,j，1和第i片元素的第j角形发根第二顶点坐标Bi,j,2；所述j为片元素内的角形索引号，其值为小于等于Q的正整数；
Bi,j,2＝Bi,j+1，1
其中，Bi，j+1，1为第i片元素的第j+1角形发根第一顶点坐标。
6.根据权利要求1所述的真实质感毛发的模拟方法，其特征在于，所述步骤S22的计算表达式包括：
ξi＝ξ
τi＝ξi+δ
Numvertex＝Q＝int(2π·ξi·ρ)
2θ＝2π/Numvertex
Λ＝2·ξi·sinθ·χ
其中，int(·)为取整数的函数。
7.根据权利要求6所述的真实质感毛发的模拟方法，其特征在于，所述步骤S23的计算表达式包括：
Figure FDA0004083908980000041
Figure FDA0004083908980000042
Figure FDA0004083908980000043
Figure FDA0004083908980000051
SFFi，j＝random[-γ·χ，γ·(100％-χ)]
SFAi,j＝random(-γ·2θ，γ·2θ)
其中，SFLi,j为第i片元素第j角形表征的毛发单元长度随机改变量，SFFi，j为第i片元素第j角形表征的毛发单元相对细度随机改变量，SFAi,j为第i片元素第j角形表征的毛发单元旋转角度随机改变量，random(·，·)为生成两自变量之间任意一个数值的随机数生成函数。
8.根据权利要求7所述的真实质感毛发的模拟方法，其特征在于，所述步骤S24的计算表达式包括：
Figure FDA0004083908980000052
Figure FDA0004083908980000053
Figure FDA0004083908980000054
Figure FDA0004083908980000055
Figure FDA0004083908980000056
Figure FDA0004083908980000057
其中，xi,j T为第i片元素的第j角形发尖顶点坐标Ti，j的横坐标，yi,j T为第i片元素的第j角形发尖顶点坐标Ti，j的纵坐标，xi,j,1 B为第i片元素的第j角形发根第一顶点坐标Bi,j，1的横坐标，yi,j，1 B为第i片元素的第j角形发根第一顶点坐标Bi,j，1的纵坐标，xi,j,2 B为第i片元素的第j角形发根第二顶点坐标Bi,j,2的横坐标，yi,j,2 B为第i片元素的第j角形发根第二顶点坐标Bi,j,2的纵坐标。
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