基于物理的布料及服饰仿真关键技术研究

虚拟角色的整体动画效果往往因为其所穿的服装缺少物理特性而显得真实感不足。基于物理的布料仿真是目前解决此问题的最有效手段。尽管该技术近年来得到飞速发展，但仍无法满足某些应用（如游戏、网上试衣等）的要求。我们首先回顾了国内外发展的现状并剖析了制约该技术得到普及应用的瓶颈问题。针对这些问题，我们拟对四方面关键技术进行研究：（1）任意三角形网格上的防止过度拉伸的布料力学模型的构建；（2）针对任意三角形网格，如何在不牺牲求解质量的前提下减少浮点运算量从而加快仿真速度；（3）提出一个用基于物理的Morphing方法来做碰撞响应的算法；（4）尝试构建一个层次细节（LOD）模型，并设计基于层次细节的力学算法和碰撞检测及响应算法。我们期望通过对上述关键技术的研究，能够在真实感效果和计算速度上均有明显提高。同时，我们将逐渐积累成型一套较为实用的、能满足不同需求的布料仿真系统软件。

本项目围绕高度真实感的虚拟服装系统这个主题，对服装动力学仿真技术、服装模型的获取及表示技术、人体模型的参数化技术、人体运动跟踪与数据获取及人体动画技术进行了研究，取得多项研究成果。.　　服装力学效果的仿真是本项目最重要的研究内容。 高效而又可靠的碰撞检测与碰撞响应是当前的难点之一，我们抛弃了主流的“碰撞避免”策略，大胆启用了非主流的“碰撞修复”策略，提出了基于排斥法线的响应方法，从而不再依赖连续碰撞检测(CCD)而是采用更快的离散检测(DCD)，而且可容忍的时间步长也增大了。在碰撞响应时除了对错位的网格点进行再定位，我们进一步尝试用几何流方法为位移向量构造一个光滑向量场，使再定位过程对物理解算造成尽可能少的负面影响。布料网格的过度拉伸也是困扰之一，特别是针对三角形网格的拉伸问题有效的方法还不多。我们提出了一种新方法，在每个三角面片上通过奇异值分解找到最大拉伸方向作为一个约束，假定布料模型有m个三角形和n个质点，该模型就可以通过建立一个含义（3n-m）自由度的系统来解决仿真中的过度拉伸问题。.　　服装模型的获取及表示技术方面，本项目提出基于部件的三维服装造型设计与试穿仿真新模式，从而克服了传统的通过二维裁片在三维人体模型上缝合生成三维模型的方法的不足，让作为消费主体的客户参与到设计过程，有效支持了以客户参与为核心的服装个性化定制。提出基于体变形与服装-人体曲面相似性匹配相结合，将三维服装部件直接试穿到三维个性人体模型上，并根据目标人体的体形与姿态自适应变形服装曲面；提出基于特征曲线网引导，在三维人体模型上直接拼合服装部件生成三维服装模型；提出基于特征曲线网参数化拟合服装曲面，实现对三维服装保细节参数化交互编辑；提出基于人体模型驱动体空间变形的三维服装个性化放码方法。. 在人体运动跟踪与数据获取技术方面，针对基于惯性传感器的动作捕获技术，提出了一种基于扩展卡尔曼滤波的标定方法，用于标定传感器与其所依附的骨骼的相对位置，提高了的运动跟踪的精度和稳定性。在人体动画技术方面，我们提出一种自动的骨架-皮肤隐式绑定方法，发展了蒙皮动画技术。