一種適用于頭發(fā)和物體碰撞的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)仿真方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及計(jì)算機(jī)運(yùn)動(dòng)仿真領(lǐng)域，尤其涉及對(duì)虛擬角色頭發(fā)進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)仿真的 方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 本發(fā)明相關(guān)的研宄背景簡(jiǎn)述如下：
[0003] 逼真的虛擬頭發(fā)運(yùn)動(dòng)建模與仿真在計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)、虛擬現(xiàn)實(shí)等領(lǐng)域有非常重要 的應(yīng)用。從早期的完全不考慮發(fā)絲之間相互作用的工作（R〇senblum，R.E.，Carlson,W. E. ,andTripp,E. 1991.Simulatingthestructureanddynamicsofhuman hair!modelling,renderingandanimation.TheJournalofVisualizationand ComputerAnimation2, 4, 141 - 148. ) (Anjyo,K. -I. ,Usami,Y. ,andKurihara,T. 1992. Asimplemethodforextractingthenaturalbeautyofhair.InACMSIGGRAPH ComputerGraphics，vol. 26,ACM，111 - 120.)開(kāi)始，頭發(fā)運(yùn)動(dòng)仿真一直是一個(gè)熱門(mén)的研究 課題D
[0004] 針對(duì)高質(zhì)量的頭發(fā)運(yùn)動(dòng)仿真，最常見(jiàn)的方法是對(duì)每個(gè)單獨(dú)的發(fā)絲進(jìn)行仿真，從 而獲得最為精細(xì)的運(yùn)動(dòng)細(xì)節(jié)。為了盡可能模擬真實(shí)世界中的發(fā)絲運(yùn)動(dòng)，許多研究工作 針對(duì)單獨(dú)發(fā)絲的運(yùn)動(dòng)提出不同的運(yùn)動(dòng)仿真模型jd(Bertails，F(xiàn).，Audoly，B.，Cani，M.-P. ,Querleux,B. ,Leroy,F. ,andLeveque,J. -L. 2006.Super-helicesforpredicting thedynamicsofnaturalhair.InACMTransactionsonGraphics(TOG)，vol.25,A CM，1180 - 1187. ) (Selle，A.，Lentine，M.，andFedkiw，R. 2008.Amassspringmodel forhairsimulation.ACMTrans.Graph.(SIGGRAPH2008) 27, 3 (Aug. ). ) (Bergou,M. ,Wardetzky,M. ,Robinson,S. ,Audoly,B. ,andGrin-spun,E. 2008.Discreteelastic rods.InACMTransactionsonGraphics(TOG)，vol. 27,ACM，63.) (Casati，R.，and Bertails-DescoubesjF. 2013.Superspaceclothoids.ACMTransactiononGraphics.) 等?；谶@些發(fā)絲運(yùn)動(dòng)模型，許多在單獨(dú)發(fā)絲尺度上進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真并考慮復(fù)雜的頭發(fā)相 互作用的方法被證明可以得到較高真實(shí)度的結(jié)果。其中，（Selle，A.，Lentine，M.，and Fedkiw,R.2008.Amassspringmodelforhairsimulation.ACMTrans.Graph. (SIGGRAPH2008)27,3(Aug.).)把頭發(fā)的相互作用表示為發(fā)絲吸引力與幾何碰撞兩方 面，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)簇結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化的效果；(Mcadams，A.，Selle，A.，Ward，K.，Sifakis，E.，a ndTeran,J. 2009.Detailpreservingcontinuumsimulationofstraighthair.ACM TransactionsonGraphics-TOG28,3,62.)提出了一個(gè)魯棒的頭發(fā)相互作用的模擬方 法，通過(guò)基于流體的碰撞松弛來(lái)使得大量發(fā)絲之間的幾何碰撞變得更容易求解；(Daviet ,G. ,Bertails-DescoubesjF. ,andBoissieux,L. 2011.Ahybriditerativesolverfor robustlycapturingcoulombfrictioninhairdynamics.InACMTransactionson Graphics(TOG)，vol. 30,ACM，139.)提出了一個(gè)混合方法來(lái)魯棒地模擬發(fā)絲之間的庫(kù)侖摩 檫力現(xiàn)象。但是，所有這些方法都專(zhuān)注于效果的質(zhì)量并需要大量的離線(xiàn)運(yùn)算時(shí)間，使得模擬 過(guò)程非常緩慢，無(wú)法用于實(shí)時(shí)應(yīng)用之中。
[0005] 另一類(lèi)相關(guān)方法更專(zhuān)注于高效的頭發(fā)運(yùn)動(dòng)仿真，通過(guò)采用多種簡(jiǎn)化表示來(lái) 加速仿真以及相互作用的解算。其中一個(gè)常用的思路是基于流體的保持體積、局部 運(yùn)動(dòng)相似性等特性，采用流體來(lái)隱式地處理頭發(fā)交互作用。例如，（Hadap，S.，and Magnenat-ThalmannjN. 2001.Modelingdynamichairasacontinuum.InComputer GraphicsForum，vol. 20,WileyOnlineLibrary，329 - 338.)利用流體仿真模型來(lái)求解 頭發(fā)的自碰撞現(xiàn)象；（Bando,Y.，Chen，B. -Y.，andNishita，T. 2003.Animatinghairwith looselyconnectedparticles.InComputerGraphicsForum,vol. 22,WileyOnline Library，411 - 418.)將頭發(fā)表示為弱相關(guān)的粒子，并通過(guò)類(lèi)似流體的方法對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿 %； (Petrovic,L. ,Henne,M.,andAnderson,J. 2005.Volumetricmethodsforsimulation andrenderingofhair.PixarAnimationStudios.)針對(duì)風(fēng)格化發(fā)型的運(yùn)動(dòng)仿真，使用 空間體結(jié)構(gòu)來(lái)對(duì)發(fā)絲速度密度等進(jìn)行濾波來(lái)模擬相互作用；(Muller，M.，Kim，T. -Y.，and Chentanez,N. 2012.Fastsimulationofinextensiblehairandfur.InWorkshop onVirtualRealityInteractionandPhysicalSimulation,TheEurographics Association，39 - 44.)也采用類(lèi)似方法來(lái)快速模擬發(fā)絲相互排斥效果；(Mcadams，A. ，Selle，A.，Ward，K.，Sifakis，E.，andTeran,J.2009.Detailpreservingcontinuum simulationofstraighthair.ACMTransactionsonGraphics-TOG28, 3, 62.)也米用了 混合流體求解方法來(lái)加強(qiáng)仿真效果。
[0006] 與本方法關(guān)系最密切的一個(gè)思路是使用聚集發(fā)絲模型，這類(lèi)模型通過(guò)少量引導(dǎo) 發(fā)絲的插值來(lái)表示所有最終發(fā)絲并在體網(wǎng)格（Tariq，S.，andBavoil，L. 2008.Realtime hairsimulationandrenderingonthegpu.InACMSIGGRAPH2008talks,ACM, 37.) 或使用簡(jiǎn)化幾何體（例如三角帶（Chang，J.T.，Jin，J.，andYu，Y. 2002.Apractical modelforhairmutualinteractions.InProceedingsofthe2002ACMSIGGRAPH/ EurographicssymposiumonComputeranimation，ACM，73 - 80.)、 圓柱體 (Choe,B. ,Choi,M.G. ,andKojH. -S. 2005.Simulatingcomplexhairwithrobust collisionhandling.InProceedingsofthe2005ACMSIGGRAPH/Eurographics symposiumonComputeranimation，ACM，153 - 160.)、 球體(Iben,H. ,Meyer,M. ,Pe trovic,L.,Soares, 0. ,Anderson,J. ,andWitkin,A. 2013.Artisticsimulationof curlyhair.InProceedingsofthe12thACMSIGGRAPH/EurographicsSymposium onComputerAnimation，ACM，63-71.))等來(lái)處理發(fā)絲的自碰撞D另外，自適應(yīng)的發(fā)絲 聚集模型（Bertails，F(xiàn).，Kim，T. -Y.，Cani，M. -P.，andNeumann，U. 2003.Adaptivewisp tree:amultiresolutioncontrolstructureforsimulatingdynamicclustering inhairmotion.InProceedingsofthe2003ACMSIGGRAPH/Eurographicssymposium onComputeranimation,EurographicsAssociation, 207 - 213.) (Ward,K. ,andLin,M. C.2003.Adaptivegroupingandsubdivisionforsimulatinghairdynamics.In ComputerGraphicsandApplications, 2003.Proceedings.IlthPacificConference on,IEEE, 234 - 243. ) (Ward,K. ,Lin,M.C. ,Joohi,L. ,Fisher,S. ,andMaori,D. 2003. Modelinghairusinglevel-of-detailrepresentations.InComputerAnimationand SocialAgents，2003. 16thInternationalConferenceon，IEEE，41 - 47.)通過(guò)在特定情 況下增加運(yùn)動(dòng)細(xì)節(jié)但不對(duì)效率產(chǎn)生太大影響來(lái)進(jìn)一步拓展這一類(lèi)方法。所有這一類(lèi)啟發(fā)式 模型實(shí)質(zhì)上都是在效果與效率上的折衷，無(wú)法保證在大幅度減小計(jì)算開(kāi)銷(xiāo)的同時(shí)能夠達(dá)到 類(lèi)似于高精度仿真的效果，因此通常其質(zhì)量會(huì)受到較大影響。
[0007] 最近，一個(gè)基于運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)化模型的頭發(fā)實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)仿真方法（Chai,M.，Zheng,C.，and Zhou,K. 2014.AReducedModelforInteractiveHairs.ACMTransactionson Graphics, 2014, 33(4))可以做到實(shí)時(shí)的頭發(fā)運(yùn)動(dòng)仿真，但是無(wú)法準(zhǔn)確處理與物體的精細(xì)碰 撞。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種適用于頭發(fā)和物體碰撞的實(shí)時(shí) 運(yùn)動(dòng)仿真方法。
[0009] 本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的：一種實(shí)時(shí)頭發(fā)物體碰撞運(yùn)動(dòng)仿真的 方法，其特征在于，包括如下步驟：
[0010] (1)簡(jiǎn)化模型的預(yù)計(jì)算生成：對(duì)目標(biāo)頭發(fā)模型基于離線(xiàn)運(yùn)動(dòng)仿真數(shù)據(jù)選取代表發(fā) 絲，并計(jì)算所有的基于代表發(fā)絲蒙皮插值的簡(jiǎn)化模型；
[0011] (2)實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)仿真與插值：實(shí)時(shí)進(jìn)行步驟（1)代表發(fā)絲的運(yùn)動(dòng)仿真，并選取步驟 (1)中符合場(chǎng)景物體碰撞情況的簡(jiǎn)化模型，插值得到目標(biāo)頭發(fā)模型的所有發(fā)絲；
[0012] (3)碰撞修正：對(duì)步驟（2)的目標(biāo)頭發(fā)模型的所有發(fā)絲進(jìn)行碰撞檢測(cè)，并通過(guò)雙向 修正的方式將碰撞修正作用在步驟（1)的代表發(fā)絲上以此修正目標(biāo)頭發(fā)模型，得到修正后 的目標(biāo)頭發(fā)模型的所有發(fā)絲。
[0013] 進(jìn)一步地，所述步驟（1)包括如下子步驟：
[0014] (I. 1)根據(jù)目標(biāo)頭發(fā)模型錄制訓(xùn)練頭部運(yùn)動(dòng)序列Tf，基于錄制的訓(xùn)練頭部運(yùn)動(dòng)序 列Tf，使用通用的頭發(fā)運(yùn)動(dòng)仿真技術(shù)對(duì)目標(biāo)頭發(fā)模型進(jìn)行離線(xiàn)的運(yùn)動(dòng)仿真，并進(jìn)行對(duì)齊，得 到目標(biāo)頭發(fā)模型的訓(xùn)練運(yùn)動(dòng)仿真數(shù)據(jù)Hf;
[0015] (1.2)利用步驟（I. 1)中得到的目標(biāo)頭發(fā)模型的訓(xùn)練運(yùn)動(dòng)仿真數(shù)據(jù)Hf，使用稀疏 編碼方法優(yōu)化得到一組稀疏基M以及線(xiàn)性組合系數(shù)a，使得這些稀疏基通過(guò)線(xiàn)性組合可以 近似且稀疏地重構(gòu)訓(xùn)練運(yùn)動(dòng)仿真數(shù)據(jù)Hf，并從目標(biāo)頭發(fā)模型中選取同樣數(shù)量的代表發(fā)絲G 擬合這些稀疏基，并對(duì)目標(biāo)