一种适用于头发和物体碰撞的实时运动仿真方法技术

本发明专利技术公开了一种实时头发物体碰撞运动仿真方法，该方法基于少量预计算训练数据，对虚拟发型生成自适应简化模型，用于实时选取与插值，并进行碰撞修正，从而实现实时高质量头发物体碰撞运动仿真。该方法主要包括如下步骤：1）简化模型预计算：基于预计算仿真数据，选取代表发丝并生成简化模型；2）实时运动仿真与插值：对实时仿真的代表发丝进行聚类，选取简化模型并进行插值；3）碰撞修正：进行碰撞检测并将修正力作用于代表发丝以修正碰撞情况。本发明专利技术首次提出了实时头发物体碰撞仿真方法，在大大减少计算耗时的同时达到与离线仿真类似的效果，可对复杂角色发型实现高质量碰撞运动仿真，优于现有方法，具有通用性强、使用简便等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种适用于头发和物体碰撞的实时运动仿真方法
本专利技术涉及计算机运动仿真领域，尤其涉及对虚拟角色头发进行实时运动仿真的方法。
技术介绍
本专利技术相关的研究背景简述如下：逼真的虚拟头发运动建模与仿真在计算机动画、虚拟现实等领域有非常重要的应用。从早期的完全不考虑发丝之间相互作用的工作(Rosenblum,R.E.,Carlson,W.E.,andTripp,E.1991.Simulatingthestructureanddynamicsofhumanhair:modelling,renderingandanimation.TheJournalofVisualizationandComputerAnimation2,4,141–148.)(Anjyo,K.-I.,Usami,Y.,andKurihara,T.1992.Asimplemethodforextractingthenaturalbeautyofhair.InACMSIGGRAPHComputerGraphics,vol.26,ACM,111–120.)开始，头发运动仿真一直是一个热门的研究课题。针对高质量的头发运动仿真，最常见的方法是对每个单独的发丝进行仿真，从而获得最为精细的运动细节。为了尽可能模拟真实世界中的发丝运动，许多研究工作针对单独发丝的运动提出不同的运动仿真模型，如(Bertails,F.,Audoly,B.,Cani,M.-P.,Querleux,B.,Leroy,F.,andLeveque,J.-L.2006.Super-helicesforpredictingthedynamicsofnaturalhair.InACMTransactionsonGraphics(TOG),vol.25,ACM,1180–1187.)(Selle,A.,Lentine,M.,andFedkiw,R.2008.Amassspringmodelforhairsimulation.ACMTrans.Graph.(SIGGRAPH2008)27,3(Aug.).)(Bergou,M.,Wardetzky,M.,Robinson,S.,Audoly,B.,andGrin-spun,E.2008.Discreteelasticrods.InACMTransactionsonGraphics(TOG),vol.27,ACM,63.)(Casati,R.,andBertails-Descoubes,F.2013.Superspaceclothoids.ACMTransactiononGraphics.)等。基于这些发丝运动模型，许多在单独发丝尺度上进行运动仿真并考虑复杂的头发相互作用的方法被证明可以得到较高真实度的结果。其中，(Selle,A.,Lentine,M.,andFedkiw,R.2008.Amassspringmodelforhairsimulation.ACMTrans.Graph.(SIGGRAPH2008)27,3(Aug.).)把头发的相互作用表示为发丝吸引力与几何碰撞两方面，从而实现发簇结构动态变化的效果；(Mcadams,A.,Selle,A.,Ward,K.,Sifakis,E.,andTeran,J.2009.Detailpreservingcontinuumsimulationofstraighthair.ACMTransactionsonGraphics-TOG28,3,62.)提出了一个鲁棒的头发相互作用的模拟方法，通过基于流体的碰撞松弛来使得大量发丝之间的几何碰撞变得更容易求解；(Daviet,G.,Bertails-Descoubes,F.,andBoissieux,L.2011.Ahybriditerativesolverforrobustlycapturingcoulombfrictioninhairdynamics.InACMTransactionsonGraphics(TOG),vol.30,ACM,139.)提出了一个混合方法来鲁棒地模拟发丝之间的库仑摩擦力现象。但是，所有这些方法都专注于效果的质量并需要大量的离线运算时间，使得模拟过程非常缓慢，无法用于实时应用之中。另一类相关方法更专注于高效的头发运动仿真，通过采用多种简化表示来加速仿真以及相互作用的解算。其中一个常用的思路是基于流体的保持体积、局部运动相似性等特性，采用流体来隐式地处理头发交互作用。例如，(Hadap,S.,andMagnenat-Thalmann,N.2001.Modelingdynamichairasacontinuum.InComputerGraphicsForum,vol.20,WileyOnlineLibrary,329–338.)利用流体仿真模型来求解头发的自碰撞现象；(Bando,Y.,Chen,B.-Y.,andNishita,T.2003.Animatinghairwithlooselyconnectedparticles.InComputerGraphicsForum,vol.22,WileyOnlineLibrary,411–418.)将头发表示为弱相关的粒子，并通过类似流体的方法对其进行运动仿真；(Petrovic,L.,Henne,M.,andAnderson,J.2005.Volumetricmethodsforsimulationandrenderingofhair.PixarAnimationStudios.)针对风格化发型的运动仿真，使用空间体结构来对发丝速度密度等进行滤波来模拟相互作用；(Muller,M.,Kim,T.-Y.,andChentanez,N.2012.Fastsimulationofinextensiblehairandfur.InWorkshoponVirtualRealityInteractionandPhysicalSimulation,TheEurographicsAssociation,39–44.)也采用类似方法来快速模拟发丝相互排斥效果；(Mcadams,A.,Selle,A.,Ward,K.,Sifakis,E.,andTeran,J.2009.Detailpreservingcontinuumsimulationofstraighthair.ACMTransactionsonGraphics-TOG28,3,62.)也采用了混合流体求解方法来加强仿真效果。与本方法关系最密切的一个思路是使用聚集发丝模型，这类模型通过少量引导发丝的插值来表示所有最终发丝并在体网格(Tariq,S.,andBavoil,L.2008.Realtimehairsimulationandrenderingonthegpu.InACMSIGGRAPH2008talks,ACM,37.)或使用简化几何体(例如三角带(Chang,J.T.,Jin,J.,andYu,Y.2002.Apracticalmodelforhairmutualinteractions.InProceedingsofthe2002ACMSIGGRAPH/EurographicssymposiumonComputeranim本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种实时头发物体碰撞运动仿真的方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)简化模型的预计算生成：对目标头发模型基于离线运动仿真数据选取代表发丝，并计算所有的基于代表发丝蒙皮插值的简化模型；(2)实时运动仿真与插值：实时进行步骤(1)代表发丝的运动仿真，并选取步骤(1)中符合场景物体碰撞情况的简化模型，插值得到目标头发模型的所有发丝；(3)碰撞修正：对步骤(2)的目标头发模型的所有发丝进行碰撞检测，并通过双向修正的方式将碰撞修正作用在步骤(1)的代表发丝上以此修正目标头发模型，得到修正后的目标头发模型的所有发丝。

【技术特征摘要】
1.一种实时头发物体碰撞运动仿真的方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)简化模型的预计算生成：对目标头发模型基于离线运动仿真数据选取代表发丝，并计算所有的基于代表发丝蒙皮插值的简化模型；该步骤包括如下子步骤：(1.1)根据目标头发模型录制训练头部运动序列Tf，基于录制的训练头部运动序列Tf，使用通用的头发运动仿真技术对目标头发模型进行离线的运动仿真，并进行对齐，得到目标头发模型的训练运动仿真数据Hf；(1.2)利用步骤(1.1)中得到的目标头发模型的训练运动仿真数据Hf，使用稀疏编码方法优化得到一组稀疏基M以及线性组合系数α，使得这些稀疏基通过线性组合可以近似且稀疏地重构训练运动仿真数据Hf，并从目标头发模型中选取同样数量的代表发丝G拟合这些稀疏基，并对目标头发模型的每一个发丝s在目标头发模型的所有代表发丝G中选取其影响代表发丝Gs；(1.3)利用步骤(1.1)中得到的目标头发模型的训练运动仿真数据Hf，步骤(1.2)中得到的目标头发模型的代表发丝G以及目标头发模型中每个发丝的影响代表发丝Gs，通过Gs的不同组合来构建目标头发模型中每个发丝s的所有简化模型m，每个简化模型使用Gs中的部分代表发丝Gsm，通过Gsm的蒙皮插值来重构发丝；使用蒙皮权值优化方法计算每个简化模型的蒙皮插值权值wg→s，使得使用此权值进行重构得到的发丝最近似拟合目标头发模型的训练运动仿真数据Hf；(2)实时运动仿真与插值：实时进行步骤(1)代表发丝的运动仿真，并选取步骤(1)中符合场景物体碰撞情况的简化模型，插值得到目标头发模型的所有发丝；(3)碰撞修正：对步骤(2)的目标头发模型的所有发丝进行碰撞检测，并通过双向修正的方式将碰撞修正作用在步骤(1)的代表发丝上以此修正目标头发模型，得到修正后的目标头发模型的所有发丝。2.根据权利要求1所述的实时头发物体碰撞运动仿真方法，其特征在于，所述步骤(2)包括如下子步骤：(2.1)对步骤(1.2)得到的目标头发模...

【专利技术属性】
技术研发人员：周昆，柴蒙磊，郑昌熙，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33