基于骨架重合的真实人体模型动态仿真.pdf

第3 I 卷第1 1 期纺织学报V 0 1 3 1，N o 1 12 0 1 0 年11 月J o u r n a lo fT e x t i l eR e s e a r c hN o v，2 0 1 0文章编号：0 2 5 3-9 7 2 1(2 0 1 0)1 1 0 1 4 0-0 5基于骨架重合的真实人体模型动态仿真李端1”，钟跃崎1 2(1 东华大学纺织面料技术教育部重点实验室，上海2 0 1 6 2 0；2 东华大学纺织学院，上海2 0 1 6 2 0)摘要在虚拟试衣系统中，生动的人体动画能够更好地表现服装的特性。本文提供的算法将捕捉到的人体运动数据(记录为B V H 格式)嵌入到三维人体模型中，并驱动三维人体进行仿真运动。三维人体模型的骨架通过自动人体测量进行提取。驱动骨架和三维人体模型之间的姿态差异通过仿射变换得到补偿，其中皮肤层的变形通过计算分配给依附在骨架节点上的顶点的权重值予以实现。为使权重分配更加精确，使用骨架节点和肢体分界点作为权重边界的划分依据。实验结果表明，该方法能有效地使用动作捕捉文件来实现着装模拟效果。关键词骨架嵌人；动作捕捉；三维虚拟人体；姿态同步；动态仿真中图分类号：I S9 4 1 1 7文献标志码：AD y n a m i cs i m u l a t i o no ft h r e e-d i m e n s i o n a la v a t a rb a s e do ns k e l e t o nc o i n c i d e n c eL ID u a n l-Z H O N GY u e q i l，2(1 K e yL a b o r a t o r yo fT e x t i l eS c i e n c e&T e c h n o l o g y，M i n i s t r yo f E d u c a t i o n，D o n g h u aU n w e n i t y，S h a n g h a i2 0 1 6 2 0，C h i n a；2 C o l l e g eo fT e x t i l e s。D o n g h u aU n i v e r s i t y，S h a n g h a i2 0 1 6 2 0，C h i n a)A b s t r a c tI nt h e3Dv i r t u a lt r yo ns y s t e m，t h ec h a r a c t e r i s t i c so fc l o t h i n gw i l lb eb e t t e rd i s p l a y e di ft h ec l o t h i n gi ss i m u l a t e dv i av i v i da n i m a t i o n I nt h i sp a p e r，am e t h o dW a Sp r o p o s e dt oe m b e dt h ec a p t u r e dm o t i o n s(r e c o r d e da sB V Hf o r m a t)i n t oat h r e e d i m e n s i o n a la v a t a r，a n dt od r i v ei tw i t ht h es a m em o v e m e n t T h es k e l e t o no ft h ea v a t a ri se x t r a c t e dv i aa u t o m a t i cb o d ym e a s u r e m e n t T h ep o s ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h et e m p l a t em o d e la n dt h ea v a t a ri sc o m p e n s a t e dv i aa f f i n et r a n s f o r m a t i o n s T h es k e l e t o n d r i v e ns k i nd e f o r m a t i o ni sr e a c h e db ya s s i g n i n gw e i g h tv a l u e st ot h ev e r t i c e sa t t a c h e dw i t ht h eb o n e s T oe n h a n c et h ea c c u r a c yo fw e i g h td i s t r i b u t i o n，t h eb o n e sa n dt h ej o i n t sa r ee m p l o y e dt oc o n s t r a i nt h ew e i g h tb o u n d a r i e s E x p e r i m e n t a lr e s u l t sv a l i d a t et h a tt h em e t h o di sa ne f f e c t i v ea p p r o a c hi nr e u s i n gt h em o t i o nc a p t u r e df i l e sf o rd r e s s i n gs i m u l a t i o n K e yw o r d ss k e l e t o ne m b e d d i n g；m o t i o nc a p t u r e；t h r e e d i m e n s i o n a la v a t a r；a t t i t u d es y n c h r o n i z a t i o n；d y n a m i cs i m u l a t i o n随着虚拟试衣系统研究的深入及其应用的推广，对真实人体动态仿真的简便性和真实感的要求也越来越高。动作捕捉(m o t i o nc a p t u r e)技术记录了大量真实人体运动数据。1，三维人体扫描技术H q l 提供了l：1 的真实人体三维模型，利用动作捕捉技术记录的人体运动数据作为骨架，驱动真实人体三维模型，就能简化动作编辑，提高真实感。本文提出了一种基于骨架重合的人体动态仿真方法，能够利用已有的运动数据记录和真实的人体三维扫描模型，快速准确地生成多样的人体动画。其操作步骤为：第1 步，利用动作捕捉文件中记录的骨架信息生成一个人体骨架，称为驱动骨架，用来驱动三维人体模型；第2 步，驱动骨架姿态与三维模型的原始姿态同步。在这步中，首先提取三维人体的姿态骨架，称为原始姿态骨架。然后将驱动骨架与原始姿态骨架进行骨架重合，骨架重合程序分为骨收稿日期：2 0 0 9 一l l 一2 6修回日期：2 0 1 0 0 3 0 8作者简介：李端(1 9 8 l 一)，男，硕士生。主要研究方向为数字化纺织服蓑。钟跃崎。通讯作者，E m a i l：z h y q d h u e d u c n。万方数据第1 1 期李端等：基于骨架重合的真实人体模型动态仿真1 4 1 架肢体长度匹配和骨架姿态重合。第3 步，将三维人体按驱动骨架节点影响区域进行分割，以进行权重的分配。为使权重分配准确，各区域的分界线通过三维人体测量程序得到。1算法实现1 1动作捕捉文件简介动作捕捉技术有多种记录格式，其基本构成分为有继承关系的骨架(s k e l e t o n)以及每个关节点在动画序列中的运动数据。以B V H 文件格式旧3 为例，使用B V H 文件中骨架信息生成的驱动骨架与驱动骨架节点的树形结构如图1 2 所示，使用B V H 文件中每个关节点的运动数据生成骨架运动序列，如图3 所示。l。-图IB V H 文件中的骨架示意图F i g 1S k e l e t o nv i e wi nB V Hf i l e图2 骨架节点的树形结构F i g 2T r e e s t r u c t u r eo fs k e l e t o n有了驱动骨架及其相应的运动数据，就可得到每帧中每个骨架节点的仿射矩阵，用其驱动三维人体模型，从而产生三维人体模型的动态仿真运动。1 2 真实人体模型的骨架重合为使驱动骨架对三维人体模型的驱动不产生断裂、扭曲，由B V H 生成的驱动骨架需要与三维人体农奎一爽图3 骨架运动序列F i g 3S k e l e t a la n i m a t i o ns e q u e n c e的原始姿态同步，其实质为骨架系统的初始仿射矩阵的统一，可通过2 个步骤来实现姿态同步：1)生成原始姿态骨架；2)调整驱动骨架，使其主要骨架节点与原始姿态骨架节点重合。为生成原始姿态骨架。，对三维扫描人体模型进行自动测量，以获得能够代表人体姿态的骨架。首先将人体按照生理特征分为6 个部分：左腿、右腿、左臂、右臂、头部和躯干p 。在人体分割之后，通过确定各部分分界处轮廓的几何中心，就可方便地确定骨架节点的位置，如图4 所示。IIz 恤I2 图4 骨架节点的确定F i g 4C a l c u l a t i n gj o i n ta Bc e n t e ro fc o n t o u ra ta n t h r o p o m e t r i cp o s i t i o n连接点0 的坐标为：0 x=(X 幽+X 一)2，0 y=，0 z=(Z m I n+z。)2。其中Y 为该位置轮廓的高度。当所需要的骨架节点确定以后，就能够构建一个具有继承关系的骨架。以手臂链接为例，其父节点为肩关节，子节点为肘关节，孙子节点为腕关节，各肢体最末端用”E n ds i t e”表示，以此类推(如图5 所示)。B V H 文件中驱动骨架与原始姿态骨架重合分为2 步：第l 步，骨架肢体长度重合；第2 步，骨架肢体姿态重合。对于第1 步，由于在三维人体测量中，人体各肢体的长度都已经有了准确的测量，所以，可直接将相万方数据1 4 2 纺织学报第3 l 卷图5 三维人体生成的骨架F i g 5S k e l e t o no f3 Da v a t a l F应的肢体长度赋值给驱动骨架，这样就可得到与三维人体大小比例一致的骨架结构，如图6 所示。图中a 为驱动骨架，b 为原始姿态骨架。长度童台首长度重合后图6 驱动骨架与人体原始姿态骨架的长度重合F i g 6L e n g t hc o i n c i d e n c eo fd r i v e s k e l e t o na n db o d ys k e l e t o n驱动骨架与原始姿态骨架肢体长度重合以后，骨架肢体姿态重合可用递归仿射变换实现。有2 种类型的仿射变换，如图7 所示，变换类型I 用于只有1 个父节点和多个子节点的链接结构中。变换类型用于符合变换类型I 的关节点的子节点中，在这些子节点中只有1 个父节点和1 个子节点(或者1 个子节点也没有，如末节点)。对属于变换类型l 的骨架节点，仿射变换可直接从P d r i v e。P“，。h i I d 旋转到P b o d，。P 酬讪蹦。其中：P d r i v e。与P 抽“。分别为驱动骨架中的父节点和子o ，驱动骨架人体骨架变换类型I气d驱动骨架P b m H人体骨架变换类型图7 仿射变换F i g 7A f f i n et r a n s f o r m a t i o n节点；P，。与P 州山洲分别为原始姿态骨架中的父节点和子节点；d，为驱动骨架；d：为人体骨架；0 为驱动骨架与人体骨架的夹角。第1 步计算d。到d：的倾斜角度，以得到d。到d：旋转矩阵R。第2 步将R 与P 岫。相乘，以得到平移矩阵r。P d ，e m t=R P d d，。m tT=P d i，。r o o t P d ，e m t第3 步将仿射变换矩阵应用。M=T RP d d，。c h i l d=肼