三維人體建模方法綜述

三維人體建模方法綜述

0人體建模方法隨著計算機人體建模技術的發(fā)展，已經出現了大量不同的實現方法。隨著時間的推移，新方法也會繼續(xù)出現，一些舊方法也會得到改進和發(fā)展，現有的缺點可能未來不會存在，因此很難正確分類所有建模方法。一些人的建模方法很難劃分為特定的類型，而某些方法可能會超過不同的類型。在這項工作中，人體建模被分為三種類型：線框架建模、實體建模和塊建模。詳細分析了不同方法的優(yōu)點，有助于更好地區(qū)分和理解不同方法的特點。1框建模方法的缺陷線框建模是采用點、直線、圓弧、樣條曲線等構造三維物體的圖形表示技術.它是計算機圖形學CAD/CAM領域中最早用來表示形體的模型,并且至今仍在廣泛應用.線框建模只用點、線的信息表示一個形體,數據量少,定義過程簡單,符合人們打樣的習慣.很多復雜的形體設計往往先用樣條勾畫出基本輪廓,然后逐步細化.線框建模的數據存儲量少,對其編輯、修改非?？?使用線框建模的方法對人體建模時,它是將人體輪廓用線框圖形和關節(jié)表示,由于包含的信息有限,因此該建模方法在對人體建模時存在著如下嚴重的缺陷:(1)有模糊性和歧義性:不能夠無二義性地表達三維人體;(2)無法實現三維人體模型的自動消隱及真實感人體模型顯示;(3)無法進行剖面操作.2實體建模技術對人體的表達實體建模的概念盡管早在20世紀60年代就已提出,但到20世紀70年代才出現簡單且有一定實用意義的實體建模系統(tǒng).到20世紀70年代后期,實體建模技術在理論、算法、和應用方面才比較成熟.使用實體建模的方法對人體建模時,由于它增加了三維人體的實心部分表達,使其信息更加完備,從而使得三維人體得到無二義性描述.并且實體建模方法提供了人體幾乎所有的幾何和拓撲信息,因此它可以支持對表達人體的消隱、真實感圖形顯示.目前,實體建模系統(tǒng)中對人體的表達方式主要有3種.2.1叉樹模型的應用體素分解表達方法是將復雜的人體層層分解,并將其逼近表示成為一簇基本體素的集合,分解后的復雜人體表示成一棵八叉樹.該方法簡單易行,但對人體的表達是近似,因而很難反映出人體的宏觀幾何特征,并且由于體素間的集合運算涉及大量面與面之間的交貫運算,難免出現奇異的情況,有時計算精度有限帶來的幾何數據誤差,還會造成體素之間拓撲關系的紊亂,從而使運算不能進行下去.因此在實際應用中會受到很大的限制.2.2構造幾何表達方法構造實體幾何方法是通過簡單形體(如圓柱體、橢球體、球體等)的交、并、差集合運算來表達復雜人體外形,該表達方法可以用一棵二叉樹描述.構造幾何表達方法的特點如下:(1)能夠清晰地表達復雜人體的構造過程;(2)能直觀地描述人體的宏觀幾何特點.但是該表達方法存在著多種構造人體的表達方案,表示的人體模型也不夠逼真,很難表示人體的動態(tài)特性.同樣,由于存在集合運算,因此其計算量大,計算穩(wěn)定性差.2.3多面體人體建模原理多面體建模是從構造多面體開始,對多面體的任意一個面、棱邊、頂點進行局部修改,從而構造一個與實體外形相似的多面體(即基本立體),然后通過類似于磨光的處理,自動產生自由曲面的控制頂點,并拼接成所需的形狀.它是一種根據設計者的構思來進行局部處理并生成人體模型的方法.用多面體建?？梢造`活地進行人體形狀設計.多面體人體建模的步驟如下:(1)首先它將產生一個由直線和平面所組成的基本立體,作為人體形狀的原型.(2)由基本立體產生曲線模型.(3)曲面的產生:在曲線模型的基礎上,用參數曲面進行擬合.3b樣條曲線曲面人體建模曲面模型是CAD和計算機圖形學最活躍、最關鍵的學科分支之一.它主要研究具有一定光滑程度的曲面外形的數學描述.使用曲面模型的方法對人體建模時,曲面模型能提供三維人體的表面信息,并進行隱藏線消除和真實感三維人體模型顯示,但曲面模型方法也存在著缺陷,由于沒有明確定義三維人體的實心部分,因此曲面建模方法不能進行剖面操作.目前,曲面模型的研究主要分為兩個方面:一是曲線曲面的表示、設計、建模顯示等,二是與曲面設計方法相關的算法研究,如求交、等距、過渡、拼接、光順以及局部操作等.圍繞著曲面的表示方法,許多研究者做了大量的研究.1971年法國Renault汽車公司的Bezier正式發(fā)表了一種由控制多邊形定義曲線的方法,這種方法使設計人員只需移動控制頂點就可以方便地修改曲線的形狀,而且形狀的變化完全在預料之中,因而得到廣泛的應用,最初的的三維人體模型就采用了Bezier曲面模型,但是Bezier方法不具有局部特性,在設計復雜的人體曲面的過程中,存在著拼接方面的困難.為解決Bezier方法局部修改的問題,Gordon和Riesenfeld對Bezier方法進行了改進,用B樣條函數代替Bernstein基函數,B樣條方法不但繼承了Bezier方法的優(yōu)點,而且還具有獨特的局部特性,使得設計者能方便地對B樣條曲線曲面進行局部修改.在實際使用B樣條曲線曲面人體建模時,主要又采用以下兩種具體的建模方法.3.1不同幾何特征的建模方法根據人體的整體結構,將人體模型劃分為幾個基本的結構特征.再根據不同結構特征不同的幾何特征,選擇具體不同的建模方法.該方法的優(yōu)點在于:它使得人體模型的曲面建模更加靈活,可以針對人體模型不同部位的幾何特征,選擇最適合的曲面建模方法,而不必拘泥于某一種曲面表達方式.此外,還可較方便地改進人體模型建模方法.3.2基于參數化建模的人體幾何建模參數化建模又稱為變量建模,它采用幾何約束來表達人體模型的形狀特征,從而獲得一簇在形狀上或功能上相似的設計方案.參數化建模是基于傳統(tǒng)的幾何建模方法上的一種更為抽象化的建模方法,它以抽象的特征參數表達復雜人體的外部幾何特征,依托于常規(guī)的幾何建模方法,使設計人員能夠在更高更抽象的層面進行人體設計.目前,參數化作為一種新的幾何建模發(fā)展方向,受到越來越多的重視,在許多大型通用的系統(tǒng)中都體現了參數化建模的思想.除了上述所講的曲面設計方法外,還有掃描(sweep)生成法,散亂點插值方法等,這些方法從不同角度豐富了曲面建模技術.4基于物理的建模方法傳統(tǒng)的人體建模技術經歷了從線框建模,曲面建模到實體建模的發(fā)展歷程,其對人體的幾何信息和拓撲信息的描述已相當完備.但它們所描述的主要是人體的外部幾何特征,而對人體本身所具有的物理特征和人體所處的外部環(huán)境因素(如重力等)則缺乏描述.傳統(tǒng)的人體建模方法對靜止人體的建模是非常成功的,但對于人體動態(tài)建模卻相當乏力.正是針對這一問題,人們嘗試將人體的物理屬性和人體所受的外部環(huán)境因素引入到傳統(tǒng)的幾何建模方法中,形成了全新的基于物理的建模方法.與傳統(tǒng)的建模方法相比,基于物理的建模方法具有以下幾個特點:(1)在建模過程中引入了人體自身的物理信息和人體所處的外部環(huán)境因素,因此,基于物理的建模方法能獲得更加真實的建模效果;(2)在建模過程中引入了時間變量,因此,基于物理的建模方法能對人體的動態(tài)過程進行有效地描述;(3)人體的動態(tài)運動規(guī)律多采用微分方程組的形式表達,在基于物理的建模過程中,通常采用微分方程組的數值求解方法來進行動態(tài)系統(tǒng)的計算,因此,與傳統(tǒng)的建模方法相比,基于物理的建模方法在計算上要復雜得多.由于基于物理的建模方法彌補了傳統(tǒng)的幾何建模方法的不足,自產生以來便得到了迅速的發(fā)展.5建模方法的意義表1對線框建模、實體建模、曲面建模的特性進行了比