陳小滿

摘要：三維人體模型動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)前計(jì)算機(jī)動(dòng)畫領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，基于此，本文提出了一種運(yùn)動(dòng)捕捉數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的三維人體模型動(dòng)態(tài)仿真方法.首先，對(duì)運(yùn)動(dòng)捕捉數(shù)據(jù)ASF/AMC文件進(jìn)行解析，提取運(yùn)動(dòng)信息;其次，建立包括骨骼層和皮膚層的雙層人體模型;最后，通過骨骼蒙皮技術(shù)實(shí)現(xiàn)三維人體骨骼層和皮膚層的綁定，并采用所提取的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)人體模型運(yùn)動(dòng).仿真結(jié)果表明，本文所提出的方法能較好的實(shí)現(xiàn)三維人體動(dòng)態(tài)仿真效果.

關(guān)鍵詞：三維人體模型;動(dòng)態(tài)仿真;運(yùn)動(dòng)捕捉數(shù)據(jù);綁定

中圖分類號(hào)：TP391.9? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：1673-260X（2019）04-0055-04

1 引言

三維人體模型動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)是三維動(dòng)畫的核心技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于影視、游戲、虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等領(lǐng)域中[1].通過精密儀器捕捉到的真實(shí)人體運(yùn)動(dòng)的數(shù)據(jù)，驅(qū)動(dòng)三維虛擬人體模型做動(dòng)態(tài)仿真，實(shí)現(xiàn)高度逼真的動(dòng)態(tài)效果，帶來強(qiáng)烈的視覺沖擊和震撼感受，以滿足人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的精神需求.

三維動(dòng)畫經(jīng)過長(zhǎng)期的發(fā)展和演變可以分為四種[2，3]，分別是桿狀動(dòng)畫，頂點(diǎn)動(dòng)畫、蒙皮動(dòng)畫和多層模型動(dòng)畫.桿狀動(dòng)畫和頂點(diǎn)動(dòng)畫都是單層模型，桿狀動(dòng)畫只有骨骼層，頂點(diǎn)動(dòng)畫只有皮膚層，都有一定的局限性.蒙皮動(dòng)畫使用骨骼皮膚模型，包含兩層模型，分別是骨骼層和皮膚層，將骨骼和皮膚綁定在一起，通過骨骼運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)皮膚變形.多層模型動(dòng)畫則是在皮膚層與骨骼層之間添加肌肉層和脂肪層，需要通過更復(fù)雜的控制和約束進(jìn)行動(dòng)畫制作.蒙皮動(dòng)畫和桿狀動(dòng)畫相比，模型更具有真實(shí)感;和頂點(diǎn)動(dòng)畫相比，內(nèi)存消耗小，具備交互性，并且控制層次高便于修改動(dòng)畫數(shù)據(jù);和多層動(dòng)畫相比，控制機(jī)制更簡(jiǎn)單，技術(shù)更容易被推廣.隨著應(yīng)用中真實(shí)感和交互性的需求越來越高，蒙皮動(dòng)畫技術(shù)成為了目前被廣泛應(yīng)用的三維動(dòng)畫技術(shù)和主要的發(fā)展方向[4].

基于此，本文將重點(diǎn)研究蒙皮動(dòng)畫的三維人體模型動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)，使用運(yùn)動(dòng)捕捉數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)虛擬人體運(yùn)動(dòng).首先，解析運(yùn)動(dòng)捕捉數(shù)據(jù)，得到人體骨架模型和運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù);其次，創(chuàng)建三維人體模型;最后，重點(diǎn)研究骨骼皮膚綁定技術(shù)，實(shí)現(xiàn)三維人體動(dòng)態(tài)仿真.

2 運(yùn)動(dòng)捕捉數(shù)據(jù)的解析

本文采用Carnegie Mellon University圖形實(shí)驗(yàn)室提供的運(yùn)動(dòng)捕捉數(shù)據(jù)，分為ASF和AMC兩種文件，ASF文件用于存放骨架信息，AMC文件用于存放運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)[5].將骨架信息和運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)分開的優(yōu)點(diǎn)是一個(gè)ASF骨架可以運(yùn)用不同的AMC運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)不同的動(dòng)作，而不必每個(gè)AMC數(shù)據(jù)都自帶骨架信息，減少了數(shù)據(jù)的冗余.

2.1 ASF數(shù)據(jù)解析

ASF是一個(gè)層次定義的文件，包括文檔信息描述、根節(jié)點(diǎn)描述、骨骼信息描述、關(guān)節(jié)層次結(jié)構(gòu)定義等，如表1所示：

在ASF文件中，根節(jié)點(diǎn)（root）定義了人體骨骼模型在世界坐標(biāo)系中的位置和朝向，而骨骼模型結(jié)構(gòu)中其他所有的骨骼（或關(guān)節(jié)點(diǎn)）位置信息等都是在根節(jié)點(diǎn)的位置和朝向的基礎(chǔ)之上獲取的，骨骼本身不帶平移信息，只有旋轉(zhuǎn)信息，此外還定義了旋轉(zhuǎn)的自由度（即旋轉(zhuǎn)的范圍）.最后在：hierarchy中規(guī)定了骨骼模型的層次結(jié)構(gòu).

2.2 AMC數(shù)據(jù)解析

AMC是以幀序列存儲(chǔ)的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)信息，一幀表示一種運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，依照ASF中定義的骨骼的自由度給出相應(yīng)的數(shù)值，包括根節(jié)點(diǎn)的平移和旋轉(zhuǎn)信息以及各關(guān)節(jié)點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)信息，如表2所示：

在一套完整的運(yùn)動(dòng)過程中，假設(shè)有m個(gè)幀序列，則運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)可以采用以下方式表達(dá)出來：

式中，fi表示第i幀的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，ti0表示第i幀中根節(jié)點(diǎn)的平移信息，ri0表示根節(jié)點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)信息，rij表示第i幀中第j段骨骼的旋轉(zhuǎn)信息.

ASF/AMC運(yùn)動(dòng)捕捉數(shù)據(jù)，能夠?qū)⒛Ｐ椭械墓趋佬畔⑴c運(yùn)動(dòng)信息相互分離，使一個(gè)骨骼信息與多個(gè)運(yùn)動(dòng)信息匹配，這種方式能夠降低運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)過程中需要的空間，進(jìn)而提升空間的應(yīng)用效率.

3 三維人體建模技術(shù)

本文采用三維建模軟件創(chuàng)建人體模型，一個(gè)完整的人體模型包括模型和貼圖兩個(gè)部分.

在建造一個(gè)人體模型時(shí)，需要對(duì)人體的結(jié)構(gòu)特征有細(xì)致的觀察和深入的了解，由于人體模型最終不是為了靜態(tài)的演示，而是動(dòng)態(tài)的表演，所以還需要掌握人體的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，在制作模型時(shí)，需要合理布線，符合人體的運(yùn)動(dòng)需要.由于本文使用的是真實(shí)人體的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，因此設(shè)計(jì)人體結(jié)構(gòu)時(shí)采用與真人比例一致的模型.首先，制作頭部，創(chuàng)建一個(gè)多邊形立方體，修改立方體的分段方便調(diào)整頭部的大型比例，調(diào)整立方體，制作出模型的大體輪廓.使用編輯網(wǎng)格的工具組劃出五官的位置和比例，并逐步調(diào)整和細(xì)化.其次，制作軀干部分，創(chuàng)建一個(gè)多邊形立方體，調(diào)節(jié)分段，調(diào)整輪廓.再次，制作四肢，方法和軀干大體相同，都是從基本的幾何體開始，先調(diào)整大型再逐步加線細(xì)化.最后，將這幾個(gè)部分縫合，縫合時(shí)需注意是否有遺漏的頂點(diǎn)，縫合后需保證布線整齊一致.

創(chuàng)建出多邊形模型后，還需要為模型的表面繪制紋理.要使三維的立體模型轉(zhuǎn)換為二維的平面圖像，就需要將模型的表面通過裁剪等手段展開，映射到二維紋理貼圖坐標(biāo)（即UV）上.展開的基本原則是，在UV拉伸較小的時(shí)候，盡量保證面的完整性.在選擇邊切開的時(shí)候，盡量選擇比較隱蔽或在鏡頭中不常出現(xiàn)的部位.在進(jìn)行模型UV劃分時(shí)，各個(gè)部分之間不要相差過大.在測(cè)試紋理不會(huì)發(fā)生明顯的變形下展平模型表面，渲染出UV模板，導(dǎo)入繪圖軟件中，繪制人體表面紋理，包括面部、皮膚和衣服等.繪制完成后，將貼圖賦給之前創(chuàng)建的模型，圖1是人體模型的渲染圖.

4 人體模型動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)

在進(jìn)行人體模型動(dòng)態(tài)仿真時(shí)，主要通過骨骼層帶動(dòng)皮膚層進(jìn)行變形，以此呈現(xiàn)出人體模型的運(yùn)動(dòng)效果.因此，首先需要?jiǎng)?chuàng)建皮膚層的骨骼，然后通過蒙皮技術(shù)，實(shí)現(xiàn)骨骼和皮膚的綁定，最后將運(yùn)動(dòng)捕捉數(shù)據(jù)映射到模型的骨骼上，以骨骼關(guān)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)皮膚頂點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)，呈現(xiàn)出多樣化的運(yùn)動(dòng)效果，完成人體模型的動(dòng)態(tài)仿真.

4.1 人體模型的骨骼創(chuàng)建

前文已使用三維建模軟件創(chuàng)建了三維人體皮膚模型，還需進(jìn)一步創(chuàng)建與皮膚模型相匹配的骨骼模型.由于本文采用的是ASF/AMC運(yùn)動(dòng)捕捉數(shù)據(jù)，運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)AMC要映射到人體模型的骨骼上來驅(qū)動(dòng)皮膚模型的運(yùn)動(dòng)，因此，要根據(jù)ASF文件中定義的骨骼層次結(jié)構(gòu)創(chuàng)建人體模型的關(guān)節(jié)點(diǎn)，保證關(guān)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量和名稱都是一致的，以便進(jìn)行姿態(tài)同步.

首先，在皮膚模型的中心添加根節(jié)點(diǎn)，作為骨骼模型的起始點(diǎn)，并向上依次繪制背、胸、頸、頭的關(guān)節(jié)，根據(jù)創(chuàng)建的先后順序，關(guān)節(jié)和關(guān)節(jié)之間會(huì)自動(dòng)形成層級(jí)關(guān)系，以符合運(yùn)動(dòng)骨骼的層次結(jié)構(gòu);其次，以肩關(guān)節(jié)和胯關(guān)節(jié)為起始，依次繪制手和腿的關(guān)節(jié);再次，將肩關(guān)節(jié)和胸關(guān)節(jié)連接，使肩關(guān)節(jié)成為胸關(guān)節(jié)的子節(jié)點(diǎn).同理，將胯關(guān)節(jié)和根節(jié)點(diǎn)連接，使胯關(guān)節(jié)成為根節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn).最后，以根節(jié)點(diǎn)為原點(diǎn)鏡像關(guān)節(jié)點(diǎn)，這樣，便得到了完整的人體皮膚骨骼結(jié)構(gòu)，如圖2所示.

4.2 皮膚骨骼綁定

骨骼和皮膚在初始狀態(tài)下是重合的，但是要在運(yùn)動(dòng)過程中使骨骼驅(qū)動(dòng)皮膚變形，就需要對(duì)骨骼和皮膚進(jìn)行綁定.綁定時(shí)需考慮兩個(gè)問題，第一個(gè)是不同關(guān)節(jié)點(diǎn)對(duì)皮膚頂點(diǎn)變形產(chǎn)生的影響值，即為權(quán)重;第二個(gè)是如何使用骨骼驅(qū)動(dòng)模型，即為蒙皮算法.

權(quán)重指的是運(yùn)動(dòng)過程中不同關(guān)節(jié)點(diǎn)對(duì)皮膚頂點(diǎn)變形產(chǎn)生的影響值.目前權(quán)重的綁定方法主要有：最近距離法，在層次中最近法，和熱量貼圖算法.最近距離法只考慮皮膚頂點(diǎn)和關(guān)節(jié)點(diǎn)的距離，而不考慮骨骼本身的層次結(jié)構(gòu)，容易使骨骼和皮膚的關(guān)系產(chǎn)生錯(cuò)亂，例如左腿的運(yùn)動(dòng)會(huì)帶動(dòng)右腿的皮膚產(chǎn)生不合理的拉伸變形.在層次中最近法加入了對(duì)骨骼模型中層次結(jié)構(gòu)的判定，可以將人體的不同部位大體區(qū)分開來，減少一些不必要的錯(cuò)誤，改進(jìn)最近距離法的不足.熱量貼圖算法[6]模擬熱量擴(kuò)散原理，熱量會(huì)隨著與熱量源的距離增加而減少，距離關(guān)節(jié)點(diǎn)近的權(quán)重值高，距離關(guān)節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)的，權(quán)重值低.此外，距離越遠(yuǎn)，衰減越快，這樣使得權(quán)重更接近影響的對(duì)象，限制了小權(quán)重的擴(kuò)散，減少錯(cuò)誤的影響范圍.熱量貼圖算法是目前自動(dòng)綁定效果最好的一種算法.

權(quán)重值確定了骨骼和皮膚的關(guān)聯(lián)系數(shù)，而如何使用骨骼驅(qū)動(dòng)模型，即為蒙皮算法.蒙皮算法是通過骨骼的權(quán)重值和骨骼的變換矩陣將初始姿態(tài)下的皮膚頂點(diǎn)位置變換到新的位置.現(xiàn)在主流的蒙皮算法是線性混合蒙皮算法，算法容易實(shí)現(xiàn)，但其缺陷是容易在關(guān)節(jié)處產(chǎn)生“塌陷”和“打結(jié)”現(xiàn)象.這種缺陷是由于線性混合的過程中原本剛性的變換在混合后可能會(huì)變?yōu)榉莿傂缘?，不能保持皮膚體積的恒定.因而需要對(duì)線性混合蒙皮算法進(jìn)行改進(jìn)，使得模型能夠平滑變形.一種改進(jìn)方法是對(duì)三維坐標(biāo)的變換矩陣進(jìn)行球面線性插值[7]，從前文分析得知，只有根節(jié)點(diǎn)有平移變換，其余的關(guān)節(jié)點(diǎn)只有旋轉(zhuǎn)變換，因此對(duì)旋轉(zhuǎn)變換進(jìn)行插值.根據(jù)皮膚點(diǎn)與關(guān)節(jié)點(diǎn)的權(quán)重值計(jì)算皮膚點(diǎn)對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)變換，然后通過根節(jié)點(diǎn)的平移和骨骼結(jié)構(gòu)中各層級(jí)的旋轉(zhuǎn)得到皮膚點(diǎn)更新后的實(shí)際位置.由于不再對(duì)結(jié)果點(diǎn)的位置進(jìn)行插值，因此可以保持皮膚的體積恒定.另一種方法是使用對(duì)偶四元數(shù)[8]，對(duì)偶四元數(shù)具有剛性變換的性質(zhì)，可以將皮膚頂點(diǎn)的全局變換矩陣轉(zhuǎn)換為對(duì)偶四元數(shù)，用權(quán)重與對(duì)偶四元數(shù)進(jìn)行線性混合，將線性混合得到的新的對(duì)偶四元數(shù)進(jìn)行單位化，最后將單位化的對(duì)偶四元數(shù)轉(zhuǎn)換為變換矩陣，更新頂點(diǎn)位置，即可滿足剛性變換，解決“塌陷”和“打結(jié)”的缺陷.

4.3 基于AMC三維人體運(yùn)動(dòng)仿真

骨架結(jié)構(gòu)是連接人體模型及運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的橋梁，使用運(yùn)動(dòng)捕捉數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)人體模型，首先必須得保證模型的骨架和運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的骨架在結(jié)構(gòu)上是一致的.另外，由于虛擬人是根據(jù)動(dòng)畫或者游戲的內(nèi)容而設(shè)定的角色，具有千姿百態(tài)的外形，相應(yīng)的骨骼比例也是各不相同，要使運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)能夠更好地驅(qū)動(dòng)虛擬角色，就必須使得虛擬人模型的骨架和運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)自定義的骨架相匹配.

根據(jù)前文解析的ASF/AMC文件制作插件，將運(yùn)動(dòng)骨骼和運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)導(dǎo)入三維動(dòng)畫軟件Maya，在Maya中得到運(yùn)動(dòng)骨骼和相應(yīng)的幀序列動(dòng)作.使用HumanIK將運(yùn)動(dòng)骨骼映射到模型骨骼上，使模型骨骼具有運(yùn)動(dòng)姿態(tài).HumanIK是反向運(yùn)動(dòng)學(xué)解算器和重定目標(biāo)工具，可以對(duì)場(chǎng)景角色全身和身體部位的關(guān)鍵幀進(jìn)行設(shè)置和操控，也可以在不同的角色之間對(duì)動(dòng)畫進(jìn)行重定目標(biāo).具體做法是，在HumanIK中新建骨架定義，將運(yùn)動(dòng)骨骼中的各個(gè)層次關(guān)節(jié)賦給角色控制器相應(yīng)的部位.完成骨架定義后，將角色控制器的骨架賦予模型的骨骼，即完成了映射，使模型骨骼與運(yùn)動(dòng)骨骼姿態(tài)同步，并通過骨骼和皮膚的綁定帶動(dòng)模型皮膚頂點(diǎn)變化，實(shí)現(xiàn)了基于AMC三維人體運(yùn)動(dòng)仿真.圖3截取了行走運(yùn)動(dòng)中四個(gè)關(guān)鍵幀的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)來展現(xiàn)三維人體動(dòng)態(tài)仿真的效果.

5 結(jié)束語

隨著三維動(dòng)畫仿真的應(yīng)用范圍不斷的擴(kuò)大，如何提高仿真的效果成為相關(guān)領(lǐng)域關(guān)注的重點(diǎn)問題.通過運(yùn)動(dòng)捕捉設(shè)備采集真實(shí)的人體數(shù)據(jù)，從而驅(qū)動(dòng)三維人體模型實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)仿真成為研究的熱點(diǎn).本文對(duì)運(yùn)動(dòng)捕捉數(shù)據(jù)ASF/AMC文件進(jìn)行了詳細(xì)分析，建立了具有骨骼層和皮膚層的雙層人體模型，并實(shí)現(xiàn)了骨骼和皮膚的綁定，在此基礎(chǔ)之上采用運(yùn)動(dòng)捕捉數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)了人體模型，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)仿真.本方法的提出，在一定程度上提高了三維人體動(dòng)態(tài)仿真效果，為三維人體動(dòng)畫提供了一種切實(shí)可行的途徑.后續(xù)將繼續(xù)研究骨骼和皮膚的綁定算法，以解決運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的皮膚變形失真的問題，使得骨骼對(duì)皮膚頂點(diǎn)的控制更加平順.

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