计算机研究与发展ＩＳＳＮ１０００?１２３９／ＣＮ１１．１７７７／ＴＰＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｏｍｐｕｔｅｒＲｅｓｅａｒｃｈａｎｄＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ４７（１）：８—１５，２０１０
一种基于混合模型的实时虚拟人服装动画方法
毛天露夏时洪朱小龙王兆其
（中国科学院计算技术研究所前瞻研究实验室北京１００１９０）
（ｈｍ＠ｌｅｔ．ａｅ．ｅｎ）
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摘要实时服装动画生成技术能够为三维虚拟角色实时地生成逼真的服装动态效果，在游戏娱乐、虚拟服装设计展示等领域有着广泛的应用前景．其难点在于如何建立服装动画计算模型，在实时计算的前提下获得最佳的服装动画生成效果．在对服装模型与人体模型在运动过程中发生的位置冲突（ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ，也称碰撞）进行分析的基础上，研究并提出了一种基于混合模型的实时虚拟人服装动画计算模型．首先，根据服装动画样本数据中服装与人体发生位置冲突的信息，对服装与人体的运动相关性进行分析；在此基础上，提出并实现一种新的混合策略，将具有较好服装动态模拟效果的动力学计算模型与具有较高计算效率的几何变形方法进行混合，建立支持实时计算且效率可动态控制的服装动画计算模型．实验结果表明，该计算模型能够实时地生成具有较好视觉逼真性的服装动画．
关键词虚拟现实；服装动画；混合计算模型；位置冲突；实时动画
中图法分类号ＴＰ３９１．９
收稿日期：２００８—０５—０４；修回日期：２００９—０６—１７
基金项目：国家自然科学基金重点项目（６０５３３０７０，６０５７３１６２）；国家自然科学基金项目（６０４０３０４２）ｆ北京市教育委员会共建项目专项
毛天露等：一种基于混合模型的实时虚拟人服装动画方法９
虚拟人服装动画方法能够模拟服装模型跟随虚拟角色的肢体动作产生相应的运动、变形等三维动画效果，是虚拟现实领域的研究热点与难点之一．逼真的虚拟人服装动画能够为虚拟角色带来强烈的视觉真实感，在动画制作、游戏娱乐、电影电视等文化创意领域有着广泛的应用前景．此外，还可以应用于服装工业，进行虚拟服装设计／展示．近年来随着虚拟现实、人机交互等应用的不断涌现，尤其是具有高用户交互特性的网络虚拟环境的兴起，包括网络游戏、分布式协同设计环境等实时虚拟人服装动画的需求越来越强烈．
本文在对服装模型与人体模型在运动过程中发生的位置冲突（ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ，也称碰撞）进行分析的基础上，研究并提出了一种新的虚拟人服装动画计算模型．首先，获取服装模型与人体模型在运动过程中发生位置冲突的信息，对服装与人体的运动相关性进行分析；其次，提出并实现了一种新的混合策略，将基于物理方法和基于几何方法的服装动Ｉ国ｉ计算模型进行混合，建立支持实时计算且效率可动态控制的服装动画计算模型；在此基础上，结合已有的人体动画工作建立虚拟人实时服装动画系统平台，实现有一定视觉逼真性的实时虚拟人服装动画．实验结果表明，本文提出的方法具有较高的计算效率，能够根据输入的人体模型、服装模型和人体运动数据，实时计算生成较为逼真的三维人体服装动画．
１国内外研究现状
已有的服装动画方法根据其动画计算模型关注的服装属性，可以分为基于物理的方法和基于几何的方法，以及将两者有机结合起来的混和模型的方法．１．１基于物理的服装动画方法
基于物理的服装动画方法，考虑服装织物在真实世界中的各种物理属性，如质量、弹性、摩擦力等，采用动力学原理建立服装运动的数学模型Ｌｌ∞Ｊ．通过计算服装模型上顶点的受力，求解各顶点在各个时间点的位置、速度等．基于物理的服装动画方法，其最常用的模型是质点一弹簧系统Ｌｌ罐Ｊ．基于物理的服装动画方法除了建立服装动画计算模型、对模型进行数值求解外，还需要在模拟计算的每一时刻进行位置冲突检测与冲突响应【７。１０｜．
基于物理的服装动画计算模型能够较为逼真地模拟织物的摆动、褶皱等细节，生成的动画具有较好的视觉逼真性，已经成为当前服装动画领域的主流方法．但其数值求解和冲突检测的计算时间复杂度较高，实时应用有一定难度．虽然Ｄｅｓｂｒｕｎ和Ｋａｎｇ等人【１１’１２０通过预先为哈森矩阵求逆，针对简单的服装模型可以实现实时的数值求解计算，考虑到大部分实时服装动画系统需要提供较为复杂的用户交互性，这些方法距离实际应用还有一定差距．
１．２基于几何的服装动画方法
基于几何的服装动【田ｉ方法仅考虑服装模型的几何属性，利用悬链线、样条曲面、快速自由变形等几何变形方法模拟服装整体或织物局部的造型ｌｔ３－１５］．基于几何的服装动向方法计算速度较快，但生成的动画效果较为僵硬，视觉效果不佳，尤其在人体运动姿态较为复杂的情况下．
此外，Ｗｈｉｔｅ等人［１６ｊ利用视频捕获的服装运动实例数据牛成服装动画，提出了基于几何的服装动画方法的新思路．该方法能够生成较为逼真的服装动画效果，但需要较大的实例样本数据库且运动捕获数据处理较为耗时．
１．３基于混合模型的服装动画方法
由于基于物理的服装动画方法和基于几何的服装动ＬⅢｊ方法各自都存在明显的利弊，寻找将两种方法有效融合在一起的服装动画计算模型是解决实时服装动画行之有效的思路．
目前，已有少数研究者对此进行了探索．Ｏｓｈｉｔａ、高成英等人Ｄｒ－ｉｓ］利用基于物理的方法对服装运动的总体趋势进行模拟。再利用基于几何的方法对模型进行平滑处理并生成褶皱等局部细节．
在文献［１９］中Ｃｏｒｄｉｅｒ等人利用服装模型在静止状态下与人体皮肤表面的距离，将服装模型进行划分，将距离近的服装区域采用基于几何的方法驱动，距离远的采用基于物理的方法驱动．由于模型的划分仅依赖于服装在人体模型上的静止位置，其生成的动画效果有待进一步提高．
在文献Ｅｚ０３中Ｃｏｒｄｉｅｒ等人对文献［１７］中的方法进行了改进，利用预先计算的仿真数据生成逼真的局部细节对实时动画效果进行修正，提高了动画视觉逼真性．该方法要求实时计算中的人体运动姿态与预处理中的人体姿态尽可能接近，在实际应用中需要在预处理阶段进行大量仿真计算并存储相应的实例数据．
上述这些工作在实时服装动画方面进行了卓有成效的探索．但距离实际应用还有许多问题有待解决：首先，在个性化混合计算模型方面由于服装模型千变万化，即使相同的服装模型在不同体型人体上也会表现出截然不同的动Ｌ田．效果．如何针对给定的服装、人体模型的特点，有针对性地建立服装动画
１０计算机研究与发展２０１０，４７（１）
混合计算模型，提高动画的视觉逼真性，同时尽可能减少动画视觉效果对动画实例数据的依赖．其次，在效率控制方面，尚没有一种灵活有效的效率控制机制，满足不同应用背景的需要．
２方法概述
在现实生活中，服装运动在全局上与人体骨骼运动密切相关．尤其是在服装与人体表面贴合较为紧密的区域，例如胸部、肩膀、臀部等区域，贴合越紧密其运动与人体骨骼运动的相关程度越高．相反，在服装较为宽松的区域，例如裙子的下摆、裤管的下半部分等，其运动虽与骨骼运动保持一致的运动趋势，但在细节上受其自身材质属性、重力、摩擦力等的影响，表现出更为丰富、也更为微观的运动细节（褶皱、局部摆动等）【ｌ引．在动画计算过程中，为节省计算时间，那些与人体皮肤贴合较紧密的部分可以采用基于几何的方法，利用人体骨骼直接进行驱动；而宽松的区域需要采用基于物理的方法进行驱动以表现丰富的运动细节．而如何针对服装模型与人体模型的特点，对这两个区域进行合理划分，从而实现合理、有效的模型混合，这是本文要解决的关键问题．服装模型上各顶点同人体皮肤贴合得越紧密，其运动与人体骨骼运动的相关程度就越高．在现实生活中，或在服装动画动力学仿真计算过程中，这些顶点与人体模型发生位置冲突的可能性也越高．因此，服装模型在运动过程中与人体模型发生位置冲突的信息隐含了服装与人体运动相关性的信息，可以作为服装模型区域划分的依据．
基于上述思想，本文提出了一种新的虚拟人服装动画混合模型．其总体技术框架如图１所示．系统输入包括三维虚拟人模型、三维服装模型和虚拟人运动数据．动画生成过程包括预处理和实时动画生成两个阶段．
３预处理Ｆｉｇ．１Ｏｖｅｒｖｉｅｗｏｆｔｈｅｍｅｔｈｏｄ图１总体技术框架
３．１服装动画样本计算’
给定一个三维人体模型和一套＝三维服装模型，选取一段典型人体运动数据片断，生成一段人体服装动画作为样本数据．
在典型运动数据片断选取时，需要根据实际应用需求，在兼顾样本代表性的同时节省预处理时间．以虚拟服装秀为例，人体运动以走路、静止两种动作为主，因此可以选取若干个（至少一个）完整的行走周期运动数据作为典型运动数据片断．在人体服装动画样本数据计算中，采用已有基于物理的方法，例如基于“质点一弹簧”系统的服装动画生成方法Ｈ‘６］以及相应的冲突检测方法Ｕ－ｌｏ］．３．２数据分析
１）运动相关性分析：假定所选取的典型运动数据片断的长度为矗（即有ｋ帧运动数据），Ｐ为服装模型上一顶点．Ｓ为与Ｐ发牛位置冲突的人体模型面片集合，ｄ；为Ｓ中第ｉ个面片与ｐ发生冲突的次数．则ｐ与人体模型发生位置冲突的先验概率为＞：ｄ，／ｋ．如果选取的运动片断具有一定代表性，则可以把≥：ｄ；／ｋ看作是ｐ与人体模型发生位置冲突的概率．假定Ｐ与人体骨骼运动的相关度为Ｃ（Ｃ∈Ｅｏ，１］）．当ｃ＝Ｏ时，表示ｐ的运动与人体骨骼运动完全不相关。当ｃ＝１时，表示ｐ的运动与人体骨骼运动完全相关，即可以采用与骨架驱动皮肤变形类似的几何方式对服装的运动进行描述．根据第３节所述的理由，ｐ与人体模型发生位置冲突的概率越高则其运动与人体骨骼的运动相关性越强，既可以用
毛天露等：一种基于混合模型的实时虚拟人服装动画方法≥：ｄｉ／ｋ来表示Ｃ．
２）几何变形参数：考虑到后续效率动态控制的需要，对服装模型上每一顶点我们都预先计算其基于骨架驱动的几何变形参数．以骨骼驱动变形（ｓｋｅｌｅｔｏｎｄｒｉｖｅｎｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ，ＳＤＤ）方法【２１］为例，需计算影响该顶点运动的骨骼关节集合以及集合中各关节对其影响的权重．这一骨骼关节集合和影响的权重称作该顶点的几何变形参数．为此，在Ｓ中选取与ｐ发生位置冲突次数最多的若干个面片，以这些面片所包含的皮肤顶点的几何变形参数为基础，根据位置冲突的次数加权求得ｐ的几何变形参数．
４实时服装动画计算
４．１人体服装动画计算
１）服装模型划分．令ｃ，表示服装模型上第ｉ个顶点与人体骨骼运动的相关性，叫为用户给定的划分阈值．我们可以快速地对服装模型上顶点进行布尔标注：若Ｃ，＞６０，将第ｉ个顶点标注为１，即将该顶点划入紧贴区域；若Ｃ，＜叫，则标注为０，将该顶点划入宽松区域．对全部顶点进行标注后就完成了服装模型的划分．
２）计算模型混合．为实现服装动画与人体动画的有机结合，紧贴区域的计算和人体动画计算采用同样的计算模型，其计算所需的几何变形参数已经在第４．２节中求得．在基于物理的计算中，质点不仅包括宽松区域的全部顶点，还将紧贴区域中与宽松区域直接邻接的顶点特别标注后也包括进来，这些特别标注的质点不参与位置的更新计算（其新位置已由基于几何的方法求得），只参与受力的更新计算．４．２效率动态控制
依据第４．１节中的模型进行实时服装动画计算，其计算开销主要集中在宽松区域的动画计算上．针对同一套服装，在模型划分阶段，若给定的概率阈值∞大，划人宽松区域的服装顶点越多，即有更多的顶点采用基于物理的方法进行驱动，则人体服装动画的整体生成效率越低；反之，若∞越小，则人体服装动画计算的效率越高．
在预处理阶段相关性分析完成后，对服装模型上顶点按照其与人体骨骼运动相关度大小进行排序．其好处在于模型划分操作时可以采用二分法，在排序后的服装顶点序列中查找冲突概率与概率阈值叫最接近的顶点。避免对全部顶点的遍历操作．由于额外计算开销较小，在动画生成过程中可通过调整叫值实现效率的动态控制．５实验结果与分析
根据本文所提出的服装动画计算混合模型，我们在Ｗｉｎｄｏｗｓ／ＶｉｓｕａｌＣ＋＋．ｎｅｔ／ＯｐｅｎＧｌ。环境下，采用ＩＣＴＶＲ—ＣｈａｒｅｃｔｅｒＳｉｍＰｒｏｆｅｓｓｉｏｎａｌ开发包［２２ｊ开发了人体服装动画生成系统ＩＣＴＶＲ—ＣｌｏｔｈＳｉｍｌ．０．在实验中我们采用的服装模型是包括７５２个顶点、１４２４个三角面片的裙装模型；人体模型为包含４１个骨骼关节、６６６０个顶点、１２５８６个三角面片的女性三维人体模型；人体运动数据为模特走台运动数据．本文的所有实验均在一台Ｉｎｔｅｌ６３００１．８６ＧＨｚ、内存为１ＧＢ的ＰＣ机上进行．
５．１预处理结果与分析
在模特走Ｔ台数据中选取一个步行周期片段（长度约为０．６９１７Ｓ的运动数据），生成人体服装动画样本数据．图２与图３给出了预处理后得到的裙装模型上顶点的冲突概率分布情况．图２中横坐标为位置冲突概率，不同的概率值对应图３中的不同颜色，纵坐标为顶点数．对应的预处理过程耗时６．９Ｓ．
Ｆｉｇ．２Ｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙａｎａｌｙｓｉｓｏｆｃｏｌｌｉｓｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｇａｒｍｅｎｔａｎｄｂｏｄｙ．
图２裙装模型顶点冲突概率分布
Ｆｉｇ．３Ｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙａｎａｌｙｓｉｓｏｆｃｏｌｌｉｓｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｇａｒｍｅｎｔａｎｄｂｏｄｙ．
图３裙装模型顶点冲突概率分析结果
１２计算机研究与发展２０１０。４７（１）
５．２算法效率、效果分析
不同划分阈值情况下服装动画的生成效率如表１所示，相应的人体服装动画生成效果如图４所示．
为进一步对本文算法获得的服装动画效果进行分析，我们进行了两组对比实验．在第１组实验中，将本算法生成的服装动画数据与基于物理的方法进
Ｆｉｇ．４Ａｎｉｍａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔ∞ｖａｌｕｅｓ．（ａ）∞一Ｏ．２；（ｂ）∞一Ｏ．３Ｉ（ｃ）∞＝Ｏ．４ａｎｄ（ｄ）∞－－－－－０．５．
图４∞取不同值情况下人体服装动画结果．（ａ）∞一ｏ．２，（ｂ）∞＝０．３；（ｃ）Ⅲ＝ｏ．４ｌ（ｄ）甜＝ｏ．５
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毛天露等：一种基于混合模型的实时虚拟人服装动画方法１３
行对比．实验中基于物理的方法采用“质点一弹簧”系统，并用四阶龙格一库塔法进行求解．将两种服装动画数据中服装质点的位置数据进行比较，针对紧贴区域与宽松区域，利用式（１）求得服装质点位置误差的均值口．实验结果见表２中第２行．
ＴａｂｌｅｌＡｎｉｍａｔｉｏｎＥｆｆｉｃｉｅｎｃｙＵｎｄｅｒＤｉｆｆｅｒｅｎｔ
ＣｏｍｐａｒｔｍｅｎｔａｌｉｚｉｎｇＴｈｒｅｓｈｏｌｄＶａｌｕｅｓ
表ｌ不同划分阈值情况下动画生成效率
口＝宝奎警，ｊ＝ｌｔ＝１１１…、。‘（１）其中，走表示运动数据的总帧数，７／为该类型区域中服装质点数，Ｐｄ为利用本文方法计算获得的该类型区域中第ｉ个质点在第Ｊ『帧时的位置，ｐ：为该点利用基于物理方法计算获得的位置，ｄ（Ｐ“一ｐ；）表示两者间的距离．
在第２组实验中，将本算法的质点位置误差与基于静态距离混合模型方法所产生的位置误差进行比较．为使得两组误差数据具有可比性，统计不同划分阈值情况下本算法中两类区域的质点数目情况，见表２中第１行．在基于静态距离的混合模型划分中，选取适当的距离划分阈值，使得两类区域中的质点数目情况与本文算法相同，再将基于静态距离混合方法的计算结果同基于物理的方法进行比较，计算其位置误差的均值．实验结果见表２中第３行．从表２可以看出，在两类区域质点数目分布相同的情况下（即计算效率基本相同情况下），本文方法计算的结果更加接近基于物理的方法．
Ｔａｂｌｅ２ＡｎｉｍａｔｉｏｎＥｒｒｏｒＵｎｄｅｒＤｉｆｆｅｒｅｎｔＣｏｍｐａｒｔｍｅｎｔａｌｉｚｉｎｇＴｈｒｅｓｈｏｌｄＶａｌｕｅｓｂｙＯｕｒＭｅｔｈｏｄａｎｄＳｔａｔｉｃＤｉｓｔａｎｃｅＭｅｔｈｏｄ
表２不同划分阈值情况下服装动画误差比较
６结论与下一步的研究
本文提出了一种基于混合模型的实时人体服装动画计算方法．首先，提出了一种服装运动与人体运动相关性的分析方法，利用动画样本数据中的“服装一人体”位置冲突信息，通过概率分析计算服装运动与人体运动的相关性．在此基础上，提出并实现了一种支持实时计算且效率可动态控制的人体服装动画混合计算模型．由于对服装运动与人体运动的相关性进行了较好的预测，能够针对给定的服装、人体模型的特点，尤其是它们在运动过程中的特点，对服装模型进行较为细致、合理的划分，建立的混合计算模型也更为合理．其次，在混合模型基础上提出了一种服装动画效率动态控制机制，通过简单的参数控制，满足不同应用系统对于效率的不同需求．与基于静态距离的方法相比，基于“服装一人体”位置冲突信息对“服装一人体”的运动相关性进行分析，使得动画效果更加逼真．但本文方法还存在可以改进的方面，在后续ｔ作中，我们将对冲突信息中的服装受力情况与冲突模式进行深入研究．
参考文献
［１］ＰｒｏｖｏｔＸＤｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｓｉｎａｍａｓｓ－ｓｐｒｉｎｇｍｏｄｅｌｔＯｄｅｓｃｒｉｂｅｄｇｉｄｃｌｏｔｈｂｅｈａｖｉｏｒ［ｃ］／／ＰｒｏｃｏｆＧｒａｐｈｉｃｓＩｍｅｒ｛ａｃ：ｅ’９５．
ＢｒｉｔｉｓｈＣｏｌｕｍｂｉａ，Ｃａｎａｄａ：ＣａｎａｄｉａｎＨｕｍａｎ－Ｃｏｍｐｕｔｅｒ
ＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓＳｏｃｉｅｔｙ，１９９５：１４７－１５４
［２］ＬｉｕＨｕｉ，ＣｈｅｎＣｈｕｎ，ＳｈｉＢａｉｌｅ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆ３Ｄｇａｒｍｅｎｔｂａｓｅｄｏｎｉｍｐｒｏｖｅｄｓｐｒｉｎｇ－ｍａｓｓｍｏｄｅｌ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌｏｆ
Ｓｏｆｔｗａｒｅ。２００３，１４（３）：６１９－６２７（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）