基于物理的實(shí)時(shí)人體皮膚變形.pdf

1、人體皮膚變形是人體動(dòng)畫的一個(gè)重要部分，在娛樂、虛擬現(xiàn)實(shí)等應(yīng)用領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。它研究的是在特定的人體模型的基礎(chǔ)上，建立皮膚變形機(jī)制，從而得到運(yùn)動(dòng)時(shí)的人體皮膚形狀的變化。如今，三維游戲等實(shí)時(shí)應(yīng)用領(lǐng)域，對(duì)人體皮膚變形的真實(shí)感和實(shí)時(shí)性提出了越來越高的要求。其中，真實(shí)感又包括視覺真實(shí)感和物理真實(shí)感。傳統(tǒng)的人體皮膚變形技術(shù)，難以在真實(shí)感和實(shí)時(shí)性兩方面同時(shí)達(dá)到良好指標(biāo)。基于幾何的皮膚變形技術(shù)應(yīng)用廣泛，它具有計(jì)算快速、容易獲得實(shí)時(shí)性的優(yōu)點(diǎn)，其缺點(diǎn)是

2、無法獲得物理真實(shí)感?；谖锢淼钠つw變形，根據(jù)人體的物理屬性建立物理模型，因而同時(shí)獲得了良好的視覺真實(shí)感和物理真實(shí)感。其缺點(diǎn)是物理計(jì)算復(fù)雜，導(dǎo)致計(jì)算速度慢，難以獲得實(shí)時(shí)性。 為同時(shí)達(dá)到足夠的真實(shí)感和高度的實(shí)時(shí)性，本文提出了新的人體模型及其皮膚變形機(jī)制，并提出了快速算法。具體而言，本文的主要貢獻(xiàn)如下： 首先，提出了三層次人體模型及其皮膚變形機(jī)制。針對(duì)給定的人體皮膚網(wǎng)格，構(gòu)建由骨架層、中間層和網(wǎng)格體構(gòu)成的三層次人體模型，并建立

3、網(wǎng)格體和皮膚之間的幾何映射關(guān)系。模型的驅(qū)動(dòng)機(jī)制為：(1)骨架層驅(qū)動(dòng)中間層，根據(jù)截面輪廓線變形法得到中間層的變形：(2)中間層驅(qū)動(dòng)網(wǎng)格體，對(duì)網(wǎng)格體建立物理模型，采用有限元方法求得網(wǎng)格體的變形；(3)最后，根據(jù)網(wǎng)格體和皮膚之間的幾何映射關(guān)系，得到皮膚的變形。引入中間層后，能夠方便地實(shí)現(xiàn)手臂的彎曲和扭轉(zhuǎn)，變形不失真。借助基于物理模型的網(wǎng)格體，實(shí)現(xiàn)了皮膚的動(dòng)力學(xué)和靜力學(xué)變形。本模型適用于任意拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和高分辨率的皮膚網(wǎng)格，因此能保持皮膚外觀的細(xì)節(jié)

4、。此外，大部分建模工作自動(dòng)完成，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)師的工作。 其次，提出了快速算法，使基于三層次人體模型的皮膚變形獲得高度的實(shí)時(shí)性。物理計(jì)算在整體計(jì)算中占了絕大部分時(shí)間，而網(wǎng)格體的分辨率和數(shù)值算法是影響物理計(jì)算速度的兩大因素。本文采用低分辨率的網(wǎng)格體，顯著降低了物理方程的求解自由度，大大加快了物理方程的計(jì)算速度。對(duì)于求解物理方程的數(shù)值算法，本文通過以下三個(gè)措施提高計(jì)算速度：對(duì)網(wǎng)格體作小變形假設(shè)，將非線性問題轉(zhuǎn)化為線性問題；利用隱式差分法

5、將常微分方程組轉(zhuǎn)化為線性方程組，從而以較大的時(shí)間步求得穩(wěn)定解；采用預(yù)處理共軛梯度法快速求解線性方程組。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明基于以上算法的皮膚變形獲得了高度的實(shí)時(shí)性。 最后，在三層次人體模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)肌肉控制下的皮膚變形。本文根據(jù)骨骼肌的力學(xué)性質(zhì)，利用擴(kuò)展的自由變形(Extended Free FormDeformation，EFFD)技術(shù)建立了肌肉模型：伸屈肌EFFD塊和筋腱肌EFFD塊。伸屈肌EFFD塊用以模擬人體上臂處的