三维人体的弹性表面分层模型研究

【摘要】：随着计算机技术全面进入3D时代,三维人体的建模在图像处理与计算机视觉领域引起许多学者的关注。这一课题在影视动画、虚拟现实、工业设计等方面具有广阔的应用前景。人体模型由线框模型向3D分层模型进化,建模方法结合了三维构型、运动检测、数学分析以及生物力学、解剖学等多方面的知识,成为各国计算机图形学专家竞相研究的热点。目前国内外的相关研究有两个特点,一是侧重于数学模型的构建而缺乏实际人体数据的支持,只能对人体局部进行模拟,另一个是投入大量的人力物力建立相当完善的虚拟人。对于视觉上可接受的,用于三维动画的人体模型的研究还不多。 国内自主研制并已成熟的三维激光扫描系统能够得到比较完整的人体表面信息,在此基础上,结合国内外的研究成果,能够对人体的弹性表面分层模型进行深入的研究。人体分层模型从外到内包括皮肤层、肌肉层、结缔组织层和骨架层,每一层都有自己的生理特征和物理属性,需要采用适当的分析方法进行建模,最后还要将各层整合起来,生成外观逼真,运动自然的三维人体。 分层模型的优势在于,可以将骨架动画和皮肤变形这两个问题分开,基于各层的特点分别建模,构建角色动画管道,得到满足要求的混杂模型。同时在受力分析上能够对外部环境力和内部约束力进行详尽的分析,并用离散化的方法对运动的正则方程求解。 对人体各层的建模需要分别采用合适的方法。例如,用广义的弹性表面模型为皮肤层建模,表现皮肤的粘弹性和可塑性,对皮肤的永久皱褶(表明皮肤的老化)和暂时皱褶(生成脸部表情)进行了仿真;对于最富于变化的人脸皮肤,在简化的人脸模型基础上,分析了肌肉遮罩和皮下组织对脸部皮肤生成表情的影响,引入了弹性、粘性和可塑性的权重因子,从而能够根据实验数据调节权重,生成人脸动画。 骨骼和结缔组织与肌肉运动紧密相关,分层人体模型建立在肌肉驱动的基础上,于是可以将骨架层视为带铰链的刚性架构,用铰链表示关节,它将随着肌肉的牵引而运动。结缔组织被当作传递肌肉力的介质,用弹簧-质点模型进行了模拟。在模型中用弹簧网格模拟肌肉片,用角弹簧模拟结缔组织,分析了肌肉片所受到的弹性力。进一步地,用 WP=4 自由形变FFD模型简化了软组织的变形效果,表现了对肌肉的约束。 肌肉层在分层人体模型中最为复杂,也是分层模型研究的重点。步骤首先是采用类似于解剖学中采用的方法——分析肌肉表面形态与下垫结构之间的关系——理解并表现肌肉形状的变化。进而分析骨架和关节与骨骼肌的关系,以及肌腹和肌腱的变形与力的关系,建立骨骼肌的通用模型,用面向对象的建模语言加以表现。 为了满足实时变形的要求,在实践中,需要首先用单纯的几何理论进行肌肉建模,然后在肌肉的生理特征基础上生成变形。包括两个步骤:确定肌肉的控制轴曲线,然后指定它的控制横截面。轴的曲线与横截面的绑定,以及肌肉表面的渲染都可以自动获得。 为了精确模拟人体运动姿态的改变,有必要开发骨骼肌的计算模型,用有限元法FEM获取肌肉的几何特性和下垫骨骼的生理特征,以及它们相互影响的方式。这种基于生物力学的模型将非线性力应用到有限元网格节点上,通过设定关键的量值完善FEM模型,并在此基础上对重要变量的定义和关键算法的设计进行了探讨。 在各层模型建立之后,隐式曲面的子集——元球(metaballs)得以应用,通过横截面采样,基于骨架自动建立人体表面,经过元球势场混合和B样条集混合,减少了模型的数据量。在人物原型的基础上,调整隐式曲面的参数生成不同的人体姿态,能够生成不同体型的人体模型。用元球法生成的人体可根据动画师编写的动画脚本运动,充分应用其变形能力,能够方便地实现传统动画效果。 最后,3D人体的编码传输得到研究,在MPEG-4框架内分析了体定义参数BDP和体动画参数BAP,以及参数的编码方式,对变化最为精细的人手和人脸的动画序列的生成提供了模型上的支持。 在三维彩色扫描系统的研制中有相当的技术积累,如散乱点构型和几何模型简化算法等,它们在人体建模中的应用具有很好的前景。