[發(fā)明專利]一種基于層次模型的虛擬人皮膚物理變形方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200910243532.7
• 申請日: 2009-12-25
• 公開（公告）號: CN101719284A
• 公開（公告）日: 2010-06-02
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 梁曉輝;趙沁平;沈旭昆;曹遠(yuǎn)
• 申請（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類號: G06T15/70
• 分類號: G06T15/70;G06T17/00
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責(zé)任公司 11251
• 代理人: 李新華

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及虛擬人體仿真、虛擬人運(yùn)動模擬技術(shù)中的人體皮膚變形方法。

背景技術(shù)

隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)據(jù)獲取及表現(xiàn)的能力越來越強(qiáng)。尤其是虛擬人仿真與模擬，在影視娛樂、虛擬現(xiàn)實(shí)、遠(yuǎn)程醫(yī)療等諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但如何更真實(shí)地呈現(xiàn)虛擬人形態(tài)并提高實(shí)時性以拓寬應(yīng)用范圍，仍需要深入研究以期滿足不同領(lǐng)域的需求。其中，人體皮膚作為虛擬人最外在的表現(xiàn)形式，得到了更多的關(guān)注。人體皮膚變形技術(shù)一般可分為基于表面模型的皮膚變形和基于層次模型的皮膚變形。基于表面模型的皮膚變形技術(shù)計(jì)算過程簡單、運(yùn)算速度較快，但視覺、物理真實(shí)感比較差；基于層次模型的皮膚變形技術(shù)能夠很好地和人體解剖學(xué)、彈性力學(xué)、生物力學(xué)等相關(guān)理論結(jié)合，通過加入生物模型或物理模型，可顯著提高變形效果的真實(shí)感，但往往存在計(jì)算量龐大、不能滿足實(shí)時要求的問題。因此，如何更好地平衡真實(shí)感和實(shí)時性，成為了人體皮膚變形重點(diǎn)研究的問題之一。

基于表面模型的皮膚變形技術(shù)主要采用了幾何變形理論。比如：基本的剛性變形法采用局部皮膚對應(yīng)局部骨骼的方式，以驅(qū)動局部骨骼的運(yùn)動來產(chǎn)生皮膚變形效果；局部表面算子法將人體皮膚定義為多個連續(xù)函數(shù)，每個函數(shù)對應(yīng)一塊局部皮膚，以此保證各塊局部皮膚之間的連續(xù)性；蒙皮法將皮膚網(wǎng)格頂點(diǎn)和多段骨骼相關(guān)聯(lián)，每個皮膚頂點(diǎn)將受到多段骨骼的影響，經(jīng)過一定的插值策略得到更加全面而準(zhǔn)確的變形結(jié)果；截面輪廓線變形法將皮膚擬合成一系列橢圓形截面，通過處理數(shù)量遠(yuǎn)小于頂點(diǎn)的橢圓截面來快速得到變形結(jié)果。基于表面的皮膚變形技術(shù)本質(zhì)上是種簡化模型，忽略了人體內(nèi)部組織，其主要存在問題是變形效果較差，很難準(zhǔn)確刻畫大幅度變形、關(guān)節(jié)皮膚細(xì)節(jié)變化等，雖然運(yùn)行速度快但需要復(fù)雜的前期設(shè)計(jì)，并且變形過程需要一定的人為控制。

基于層次模型的皮膚變形技術(shù)即是針對人體的真實(shí)結(jié)構(gòu)，參考人體解剖學(xué)理論，建立多層次模型以對應(yīng)人體不同組織，并設(shè)計(jì)各層次之間的映射關(guān)系，變形過程中由里至外逐層分析、遞進(jìn)處理，最終驅(qū)動表面皮膚獲得變形效果。基于層次模型的皮膚變形技術(shù)主要研究內(nèi)容是如何構(gòu)建各層次的模型結(jié)構(gòu)和各層次模型之間的映射關(guān)系及驅(qū)動方法。從實(shí)施方式來看，可大致分為基于幾何的方法和基于物理的方法。基于幾何的方法關(guān)注于人體組織的幾何形狀，構(gòu)建各層次幾何模型并運(yùn)用幾何約束關(guān)系驅(qū)動皮膚變形；基于物理的方法考慮了人體組織的物理屬性，使用質(zhì)點(diǎn)彈簧、有限元等物理模型構(gòu)建各層次模型，進(jìn)一步提高了變形效果的真實(shí)感。基于層次模型的皮膚變形技術(shù)的難點(diǎn)在于模型本身的復(fù)雜度、物理屬性的參數(shù)設(shè)置、計(jì)算量和運(yùn)算時間的控制等。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，綜合運(yùn)用幾何方法和物理方法，提供一種基于層次模型的虛擬人皮膚物理變形方法，在保留物理變形真實(shí)感優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，結(jié)合層次模型數(shù)據(jù)組織靈活的特點(diǎn)，分別構(gòu)建了用于虛擬人皮膚繪制的精細(xì)網(wǎng)格和用于變形控制及物理計(jì)算的簡化網(wǎng)格，在保證虛擬人精確變形過程與真實(shí)繪制效果的前提下，極大減少計(jì)算開銷，形成了一種有效的虛擬人皮膚變形方法。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案：一種基于層次模型的虛擬人皮膚物理變形方法，其特征在于步驟如下：

(1)構(gòu)造層次模型

進(jìn)行虛擬人層次模型的構(gòu)造，形成用于控制運(yùn)動的骨骼層模型、用于物理變形的物理層模型和用于最終繪制的表面層模型，并建立骨骼層模型與物理層模型、物理層模型與表面層模型的映射關(guān)系；

(2)物理變形

依據(jù)用戶設(shè)定的運(yùn)動方式，骨骼層模型產(chǎn)生運(yùn)動趨勢并帶動物理層模型進(jìn)行物理變形；

(3)驅(qū)動皮膚

在物理變形過程中，按照物理層模型和表面層模型的映射關(guān)系，驅(qū)動表面層模型隨之運(yùn)動和變化，生成變形的動態(tài)效果。

所述步驟(1)中構(gòu)造層次模型的步驟如下：

(1.1)通過三維掃描儀獲取并生成人體表面三維網(wǎng)格數(shù)據(jù)，所述網(wǎng)格數(shù)據(jù)即為用于繪制的表面層模型；

(1.2)確定表面層中各關(guān)節(jié)截面并獲取截面中心點(diǎn)；兩兩直線連接相鄰的關(guān)節(jié)截面中心點(diǎn)，形成的線段即為骨骼；若干相連骨骼構(gòu)成骨骼層模型；

(1.3)對表面層模型采取半邊折疊化簡操作，得到簡化網(wǎng)格；對簡化網(wǎng)格每條邊設(shè)置面彈簧參數(shù)；對簡化網(wǎng)格每個頂點(diǎn)設(shè)置物理參數(shù)；連接頂點(diǎn)和該頂點(diǎn)在骨骼上的垂直映射點(diǎn)，設(shè)置體彈簧參數(shù)；中間層頂點(diǎn)、面彈簧、體彈簧所構(gòu)成的質(zhì)點(diǎn)彈簧模型，即為物理層模型。

所述步驟(1)中建立各層模型之間映射關(guān)系的步驟如下：