交互式服装实时动画的研究与实现

提出了一种基于物理模型且与人体模型相结合的交互式服装实时动画的方法.在以往的研究中,人们提出了许多的交互式服装运动的方法,但这些方法的一个主要缺点是复杂高、计算效率低,无法满足实时交互式服装设计与动画的要求.文中提出的方法首先根据服装本身的物理特性,通过减少弹簧的类型来简化"质点-弹簧"模型;其次,利用"半刚性复杂摆"模型经向与纬向约束分开计算的优点;最后,根据服装与人体模型之间碰撞检测存在的局部性,通过时间与空间相关性来加速碰撞检测.因此大大减少了计算,确保了稳定性;运用跨平台语言java3D实现了与人体模型相结合的交互式服装的实时动画,并且可直接通过IE浏览器应用于电子商务与服装三维虚拟展示,达到了理想的实验结果.     

服装动画中一种新的三维模型的建立方法

提出了一种交互式服装实时动画中新的三维模型的建立方法.在分析当前织物的两套物理模型优缺点的基础上,结合这两个模型的优点,提出了这两种模型相结合的模型.提出的方法根据服装的物理特性,采用简化的"质点-弹簧"模型,同时又充分利用"半刚性复杂摆"模型经向和纬向约束分离的优点.实验证明,该方法减少了计算,确保了稳定性,可实现随人体运动的交互式服装实时动画;并且采用Java3D编程实现,从而可直接通过IE浏览器应用于电子商务.     

一种基于混合模型的实时虚拟人服装动画方法

实时服装动画生成技术能够为三维虚拟角色实时地生成逼真的服装动态效果,在游戏娱乐、虚拟服装设计展示等领域有着广泛的应用前景.其难点在于如何建立服装动画计算模型,在实时计算的前提下获得最佳的服装动画生成效果.在对服装模型与人体模型在运动过程中发生的位置冲突(collision,也称碰撞)进行分析的基础上,研究并提出了一种基于混合模型的实时虚拟人服装动画计算模型.首先,根据服装动画样本数据中服装与人体发生位置冲突的信息,对服装与人体的运动相关性进行分析;在此基础上,提出并实现一种新的混合策略,将具有较好服装动态模拟效果的动力学计算模型与具有较高计算效率的几何变形方法进行混合,建立支持实时计算且效率可动态控制的服装动画计算模型.实验结果表明,该计算模型能够实时地生成具有较好视觉逼真性的服装动画.     

结合一种面-面碰撞检测算法的服装动态模拟

实时的服装动态模拟一直是计算机动画的研究热点。在回顾弹性模型及其碰撞问题的相关研究工作的基础上，采用基于质点－弹簧模型的动态模拟方法，产生了虚拟3D模特表面的服装动态效果。其中考虑了织物的非理想弹性属性和变化的空气流作用力，并针对系统实现的瓶颈－服装和人体的碰撞问题，提出一种碰撞检测算法。     

服装动画中人体运动与服装变形的相关性学习

针对服装动画中人体运动与服装变形的关系,首先对服装动画中人体运动特征和服装变形特征进行定义和提取;其次建立多套服装在多种人体运动下的高精度服装动画实例数据,并基于4种机器学习模型从实例中学习二者之间的关系.对不同学习模型进行实验的结果表明,由于服装动画中人体运动与服装变形之间存在较强的相关性,因此利用人体运动可以较为准确地预测服装的变形分布;相比BP神经网络,广义回归神经网络和支持向量机等方法,随机森林模型可以更有效地获取人体运动与服装变形的关系,最终误差可控制在理想范围内.     

基于双层候选集的快速人体-服装冲突检测

冲突检测是人体-服装动画研究的核心技术之一,已有的层次冲突检测方法在处理服装变形时需要对层次节点进行大量更新,计算复杂度高,难以满足实时检测的要求,针对人体和服装的特殊位置关系和运动规律,提出一种基于双层候选集的实时冲突检测方法.首先为服装模型的每个顶点建立可能发生位置冲突的人体模型面片候选集,利用候选集的母子双层结构剔除绝大多数不可能发生冲突的图元.该候选集相对于已有的层次方法具有更快的更新速度且具有较好的独立性,便于并行处理;在确定可能冲突的图元后,采用GPU片段程序来加速大规模图元间的相交测试.实验结果表明,该方法检测迅速准确,对一般人体-服装模型(10000面以下)能达到30～75帧/s的实时处理.     

基于角色几何碰撞体估计的实时服装仿真

提出了一种快速处理三维服装仿真中角色与服装碰撞的方法.该方法能够满足交互式实时仿真环境的需求.在预处理阶段,根据蒙皮动画的特点,将角色的几何形状以球和简化凸包等简单碰撞体进行估计.在实时模拟阶段,这些碰撞体跟随骨架运动并代替角色模型网格完成与虚拟服装之间的碰撞处理.此外,为了能够快速计算碰撞响应信息,该方法还利用外围映射机制进一步开发了相交测试的空间局部性.实验结果表明,应用该方法可以有效避免衣片与角色模型之间的相互穿透,同时大幅度地减少碰撞处理计算量.实时仿真系统对于复杂服装网格仍然保持了较高的模拟帧速率.     

计算机视觉与机器学习技术在三维人体动画中的应用综述

近年来计算机视觉与机器学习技术广泛应用于三维人体动画领域中.基于图像/视频的人体运动数据获取技术、数字角色和场景建模、交互式角色动画控制与运动生成等方面都大量应用了计算机视觉技术;同时,机器学习理论在三维人体运动数据重用以及后期智能角色动画创作中扮演了越来越重要的角色,并得到一些很好的研究成果.文中以三维人体动画创作流程为主线对这些方法的基本思想和关键技术进行了归纳与分析,并讨论了三维人体动画制作技术的发展趋势.     

一种基于传感器的人体上肢运动实时跟踪方法

实时跟踪人体运动是人机交互的重要研究课题,可以广泛应用于虚拟现实、虚拟人运动合成、聋人手语自动生成、计算机3D动画、机器人运动控制、远程人机交互等领域。文中介绍了一种基于传感器的人体上肢运动实时跟踪方法,给出了该方法的虚拟人模型、计算原理与校正方法,最后介绍了整个方法的实现以及在中国聋人手语自动合成中的应用。该方法具有使用传感器少,运动跟踪精度高、计算过程简单而且速度快等特点。     

二维面片头发模型中的碰撞检测

在头发动画中,发丝之间;发丝和人体或其他物体之间的碰撞检测是真实感的重要保证.由于头发数量的巨大,简化的发丝模型和简化的人体模型都是实现实时碰撞检测的关键.在此选择使用二维发带对头发进行建模.引入椭球体包围盒进行发丝和人体及其他物体之间的碰撞检测,使得计算复杂性与人体的复杂性无关.对于发带之间的碰撞则采用最简单有效的密度值比较进行检测.     

Partitioning and Handling Massive Models for Interactive Collision Detection

We describe an approach for interactive collision detection and proximity computations on massive models composed of millions of geometric primitives. We address issues related to interactive data access and processing in a large geometric database, which may not fit into main memory of typical desktop workstations or computers. We present a new algorithm using overlap graphs for localizing the "regions of interest" within a massive model, thereby reducing runtime memory requirements. The overlap graph is computed off-line, pre-processed using graph partitioning algorithms, and modified on the fly as needed. At run time, we traverse localized sub-graphs to check the corresponding geometry for proximity and pre-fetch geometry and auxiliary data structures. To perform interactive proximity queries, we use bounding-volume hierarchies and take advantage of spatial and temporal coherence. Based on the proposed algorithms, we have developed a system called IMMPACT and used it for interaction with a CAD model of a power plant consisting of over 15 million triangles. We are able to perform a number of proximity queries in real-time on such a model. In terms of model complexity and application to large models, we have improved the performance of interactive collision detection and proximity computation algorithms by an order of magnitude.     

三维服装仿真中的"服装-人体"快速冲突检测及响应算法

维胆装仿真可以为三维人体动画生成逼真的服装动态效果，但其中的冲突检测与仿真计算的时间复杂度太高，其实用性一直受到很大限制．提出了一种快速的“服装-人体”冲突检测友响应算法，在人体运动状态下，快速检测服装与人体之间的位置冲突，其时间复杂度仅为O（n）（n为服装模型上的顶点数目）．在此基础上，提出一种合理有效的冲突响应机制，并实现快速稳定的三维服装仿真，取得了真实的仿真结果．     

服装动态效果的仿真技术

真实性和实时性一直是服装动态效果仿真所追求的目标.为了对服装的动态效果进行真实的仿真,就必须对织物的所有主要参数进行精确的模拟,如弹力和粘力.实时服装动画的一个难点就是对服装褶皱的模拟,以及相应的碰撞检测问题.对服装动态效果仿真技术的现状进行了介绍,并对未来的发展提出了一些看法.     

基于细分曲面的三维服装柔性实体模拟

提出一种基于细分曲面的三维服装柔性实体模拟算法，该算法将整个模拟过程分为两个阶段：首先利用四点细分曲面造型方法生成三维服装刚性曲面，然后在刚性曲面基础上通过引入织物的物理模型来模拟三维服装柔性曲面，通过物理和几何模拟方法有机结合，算法有效解决了复杂衣片间的缝合问题，较大地提高了模拟的计算效率，同时，也提出了一种基于细分曲面层次数据结构的碰撞检测算法，有效提高了模拟速度，提出的算法已全部在所开发的三维虚拟服装试衣系统中得以实现，实验结果表明：该算法具有模拟效率高、交互性强和易于计算机实现等优点。     

From early virtual garment simulation to interactive fashion design

Virtual garment design and simulation involves a combination of a large range of techniques, involving mechanical simulation, collision detection, and user interface techniques for creating garments. Here, we perform an extensive review of the evolution of these techniques made in the last decade to bring virtual garments to the reach of computer applications not only aimed at graphics, but also at CAD techniques for the garment industry.As a result of the advances in the developments of virtual garment simulation technologies, we then detail a framework which fits the needs of the garment industry of virtual garment design and prototyping, concentrating on interactive design, simulation and visualization features. The framework integrates innovative tools aimed towards efficiency and quality in the process of garment design and prototyping, taking advantage of state-of-the-art algorithms from the field of mechanical simulation, animation and rendering.     

Designing Personalized Garments with Body Movement

The standardized sizes used in the garment industry do not cover the range of individual differences in body shape for most people, leading to ill-fitting clothes, high return rates and overproduction. Recent research efforts in both industry and academia, therefore, focus on virtual try-on and on-demand fabrication of individually fitting garments. We propose an interactive design tool for creating custom-fit garments based on 3D body scans of the intended wearer. Our method explicitly incorporates transitions between various body poses to ensure a better fit and freedom of movement. The core of our method focuses on tools to create a 3D garment shape directly on an avatar without an underlying sewing pattern, and on the adjustment of that garment's rest shape while interpolating and moving through the different input poses. We alternate between cloth simulation and rest shape adjustment based on stretch to achieve the final shape of the garment. At any step in the real-time process, we allow for interactive changes to the garment. Once the garment shape is finalized for production, established techniques can be used to parameterize it into a 2D sewing pattern or transform it into a knitting pattern.     

服装参数化设计中的碰撞检测技术研究

服装参数化设计中的碰撞检测属于静态碰撞检测,具有精确性和实时性的要求,服装约束系统的有效性也需要维护。将服装参数化模型分为4个层次,针对各个层次提出不同的碰撞检测要求。碰撞检测对约束求解产生影响,通过改变约束求解顺序或改变约束链,达到对约束系统有效性的维护。分片构建具有统一拓扑结构的服装初始网格曲面,利用分片细分技术构造服装显示网格曲面,通过对显示曲面的碰撞检测来提高碰撞检测精度,相应地依赖于显示曲面的服装款式切割线,也需要映射到服装初始网格曲面上。服装曲面细分碰撞对速度产生影响,利用分片分区技术并综合多种方法提高碰撞检测速度。对服装曲面的自碰撞检测和具有约束的碰撞精确反应,也给出了多种解决方法。实例表明,本文的算法是健壮和有效的,并在开发的服装3维设计系统中得到应用。     

基于混合包围体的OpenMP并行化碰撞检测算法

针对交互式系统中碰撞检测实时性、精确性的要求,提出了一种共享存储系统的并行碰撞检测算法.利用AABB包围盒较好的紧密性和包围球计算简单的优点来构建物体的混合包围体层次(S-AABB),快速排除不相交的物体以加速算法,利用OpenMP并行模型来并行遍历混合包围体层次,进一步加速碰撞检测算法.实验结果表明,与现有经典的I-COLLIDE等算法相比,该算法在效率、精确性方面具有明显优势,能够满足交互式复杂虚拟环境的实时性和精确性的要求.同时,还与已经提出的MPI及Pipelining等并行算法进行比较,从时间效率和资源消耗两个方面说明本文基于OpenMP算法的优点.