13虚拟服装动态展示中的模特走秀动作模拟
第30卷第1期
2010年1月北京服装学院学报JournalofBeijingInstituteofClothingTechnologyVol.30No.1Jan.2010虚拟服装动态展示中的模特走秀动作模拟
吴志明,茆丽娟,赵媛媛
(江南大学纺织服装学院,无锡214122)*
摘 要:随着网络的普及和虚拟现实技术的发展,服装虚拟展示技术将被广泛用于服装展示、服装
电子商务等领域,模特走秀动作的模拟成为研究课题之一.本文通过对现实模特走秀动作的分析
与研究,利用运动学的正向运动学和反向运动学理论控制骨骼运动,运用蒙皮绑定技术实现了对
模特走秀的模拟,丰富了计算机技术在服装动态展示和服装销售的应用,对丰富服装的设计手段
与营销手段起到了一定的促进作用.
关键词:骨骼蒙皮动画;蒙皮绑定技术;模拟虚拟模特走秀
中图分类号:TS941.1 文献标志码:A 文章编号:1001-0564(2010)01-0013-06
服装虚拟展示技术是指在计算机虚拟环境中实现三维服装的虚拟展示,它被广泛应用于三维服装CAD、服装电子商务和服装展示等方面,对服装设计、服装营销等产生了很大的影响.虽然,目前服装CAD供应商都加大了对服装虚拟展示技术的研究,实现了服装的三维虚拟展示:例如模拟着装效果、模拟不同布料的三维悬垂效果、以及360°旋转,但是没有实现对模特走秀的模拟,即对服装的虚拟展示属于静态的三维展示,而非动态的.虚拟动态展示技术中模特走秀动作的模拟对服装虚拟动态展示具有很重要的作用,本课题运用骨骼蒙皮动画技术对服装虚拟动态展示中模拟模特走秀动作进行了研究.
1 骨骼蒙皮动画原理
1.1 骨骼动画原理
1.1.1 层次树
制作人、动物、昆虫和其他生物动画的一种基本技术是利用关节链形体建模.关节链形体是由一系列依次相连的刚体连接而成的开链,两刚体的连接点称为关节,连接两相邻关节的刚体称为链杆,它可抽象为一条直线段.虽然在机器人学中存在旋转和平移2种关节,在计算机
[1]动画中通常采用的是旋转关节.关节链的起点称为根节点,其自由末端称为末端效应器.
层次树是一级一级组合起来而形成有层次的一个系统,它可理解为一棵根部朝上的大树,它由树干和树枝及更小的树叶组成,其中树叶被称为末端物体,也就是层次树的最后一级.利用层次树结构可较好地建立物体各部分间的连接,使动作的设置变得简单而轻松.建立层次
收稿日期:2009-12-03
*基金项目:江苏省教育厅2009年度高校哲学社会科学基金指导项目(09SJD760011),教育部人文社会科学研究项目资
金资助(09YJA760015).
作者简介:吴志明(1962-),男,副教授.E-mail:wxwuzm@163.com
14北京服装学院学报(自然科学版) 2010年树结构时需要明确物体间运动的相互关系,用
层次树结构描述的人体骨骼的层次结构如图1
所示.
人体的几个骨架简化的关节链是:1)躯干
链(腰关节———胸关节———颈关节);2)上肢链
(肩关节———肘关节———腕关节———手关节);
3)下肢链(股关节———膝关节———踝关节———
脚趾关节).
1.1.2 正反向运动学原理
在动画控制技术中,正向运动学和反向运
图1 人体骨骼层次树结构动学运用相当广泛,是一种控制虚拟骨骼关节
运动的有效方法.仅仅是通过骨骼的平移旋转来实现虚拟模特走秀的模拟是很困难的,运用正反向运动学的原理来控制骨骼关节的运动就更为方便、快捷,运用该技术能逼真地实现虚拟模特走秀动作的模拟.
1.1.2.1 正向运动学原理
骨骼的正向运动是子骨骼跟随父骨骼的运动规律,即在正向运动时,子骨骼跟随父骨骼运动,而子骨骼按自己的方式运动时,父骨骼不受影响.正向运动的概念可以理解为:如果模拟制作一只动物活动的动画,将动物的身躯设为父骨骼,头为子骨骼,当动物躺下时,身躯(父骨骼)向下,头(子骨骼)也跟着向下运动;而当头(子骨骼)左右转动时,身躯(父骨骼)则不受影响.
正向运动学的基本问题是获得作为旋转角度函数的末端效应器位置的求解公式.运动方程通常是非线形方程组,求解过程比较复杂,可能产生多重解或无解.一般采用D-H方法建立运动学方程,D-H方法就是建立虚拟人体空间树形关节运动坐标系
.
图2所示为人体上肢运动的初始和目标状
态(不包括中间状态).其中,末端关节点是腕
关节,它的运动是由初始位置C到达目标位置
D.人体上肢有4个自由度(d,α,β,γ),分别为
肩的移动位移关节α、肘转动关节β和腕转动
关节γ,d为手关节不影响操作度.各个关节又
有自己的自由度:肩关节旋转自由度(θ1,θ2,
θ,肘关节旋转自由度(θ,腕关节自3)4,θ5,θ6)
由度(θ.7,θ8,θ9)图2 人体上肢运动的初始和目标状态
如果设目标矩阵Tg,Tα,Tβ,Tγ分别为3个关节的旋转矩阵,T1为肩关节到肘关节的变换阵,T每个关节的3个轴上的旋转角度确定关节的旋转,如θ2为肘关节到腕关节的变换阵.1,θ旋转角,则其欧拉变换矩阵为2,θ3确定了α
REu
0(1)sx-sxco
第1期 吴志明等:虚拟服装动态展示中的模特走秀动作模拟15其中,x,y,z分别表示θ有了这个变换矩阵通式,Rx,θy,θz.α,Rβ,Rγ的变换矩阵都可以表达出来.那么上肢运动可以表示为
TTTg=α1TβT2T.(2)
由于骨骼的长度是已知的,因此,变换矩阵中的旋转角度是变量,设定旋转角度或者关节的位置变化,各个关节的变化过程也就确定了.
1.1.2.2 反向运动学原理
骨骼的反向运动与正向运动刚好相反,是父骨骼跟随子骨骼运动的系统.举个手臂动画的例子,只移动腕部(子骨骼),整条手臂(父骨骼)就会一起动起来.
通过指定末端关节的位置,计算机自动计算出各中间关节的位置,这种方法一般称为反向运动.采用反向运动学求解的一个优点是可以对关节的某些关键位置设定约束.带约束的关节动画常采用逆运动学求解,这相当于从众多的解中选取一个满足约束的解.
同样以图2为例,由于骨骼的长度是已知的,腕关节运动的初始位置C(x,y,z)和目标位置D(x,y,z)已知,要控制上肢运动,就需要求解各关节旋转角α,β,γ.
设末端效应器位置的变化为Vx,则随相应的关节角度Vθ的变化为:
VJV,X=θ
+(3)其中,J是系统雅可比矩阵,雅可比矩阵是关节位置和关节角度的改变比率.J的行长度是n,n为空间维数;J的列长度是3m,m是组成运动链的关节数.用雅可比伪逆J进行微分运动
反解:
VJVa(I-JJ)Vθ=X+Z,
+++(4)
+其中,a为比例因子,I为单位矩阵,V在运算中,J是J的伪逆矩阵,设Z是最小化约束因子.有J=J1的矩阵,Jn的矩阵,J表示为:1J2,J1是一个k×2是一个1×
J=JJJ2(2J2)(1J1)J1.
的位置,计算机便可以自动计算出各中间关节的位置.
1.2 蒙皮绑定技术原理
骨骼动画已经能够完成虚拟模特舞台走秀的各种动作,但是要达到更为逼真的虚拟三维人体模特走秀的效果,就必须使用蒙皮.蒙皮由三角形面片组成,它覆盖住骨骼,可使虚拟三维模特舞台走秀效果更为逼真、生动.
网格信息是角色的多边形模型,该多边形模型由三角形面片组成,每一三角形面片有3个指向模型的顶点表的索引,通过该索引可以确定该三角形的3个顶点.顶点表中的每一顶点除了带有位置、法向量和材质等基本信息外,还指出有哪些骨骼影响了该顶点,影响权重是多少.由于将皮肤定义成一个连续的网格,顶点不再属于某根骨骼,因此也就不存在于骨骼空间中.在蒙皮过程中不能简单地应用骨骼的组合变换矩阵,因此在此定义一个变换过程偏移变换,每根骨骼都有一个偏移变换矩阵,用它来把皮肤网格中的顶点转换到相应的骨骼空间中,+TT-1T-1T(5)反向运动学方法在一定程度上减轻了正向运动学方法的繁琐工作,用户指定出末端关节
16北京服装学院学报(自然科学版) 2010年矩阵F,第i根骨骼的最终变换矩阵F6)得到.i由式(
FMiC,i=i(6)
其中,Mi表示第i根骨骼的起始位置的矩阵,Ci表示变化了的位移矩阵.
在实时渲染中,通常不需要超过4根以上骨骼影响的顶点,所以在实现中定义每个顶点最多受4根骨骼影响.骨骼调色板矩阵是骨骼空间中每根骨骼的最终变换矩阵的数组,在骨骼调色板矩阵中,每个顶点包含4个索引,顶点信息还包括影响其4根骨骼的影响权重,根据这一权重计算顶点的最终位置,计算方法如式(7):
n-1
v′F∑wvii=0=(wFwF…+wF,0v0+1v1+n-1vn-1)
n-1
i(7)其中,w根骨骼对顶点的影响权重,i为第i
i=0表示i根骨骼影响的顶点位置,v′表示∑w=1,v
骨骼运动后i骨骼影响的顶点最终位置.按式(7)可以计算出任意一个顶点的最终位置.2 骨骼蒙皮动画的实现
2.1 开发环境的选择
2.1.1 操作系统及编程语言
系统选择的操作系统为WindowsXP,系统使用了下列编程语言和软件工具:1)Delphi语言:因为Delphi是面向对象的软件开发平台,编译速度快,并提供了丰富的组件集、强大的代码自动生成功能和数据库管理工具等.使用它的集成开发环境,编译人员可以简单快速的开发各种应用程序.2)OpenGL:三维图形函数库OpenGL适用于多种硬件平台及操作系统,目前已成为三维图形的开发标准.用户可以方便地利用这个图形库,创建出接近光线跟踪的高质量的静止或动态三维彩色图像.
2.1.2 硬件环境
系统所要求的硬件环境如表1所示.
表1 电脑硬件配置
处理器
IntelPentium4内存/M大于512硬盘/G80显卡/M大于128显示器/英寸15
2.2 模特走秀的模拟
2.2.1 SMD文件的读取
SMD文件是存储三维动画模型信息的文件,它包含网格信息、骨骼信息和动画信息.网格信息是角色的多边形模型;骨骼信息包括全部骨骼的数量和每一骨骼的具体信息,所有的骨骼按照父子关系组织成一棵树,动画信息则保存了若干关键帧,每一关键帧指出了每一骨骼在该时刻相对于父骨骼坐标系的变换矩阵,当然也可以是该骨骼相对于父骨骼的位置、朝向等信息.利用Delphi语言编写读取骨骼信息、网格信息和动画信息的函数,完成读取SMD文件.
2.2.2 虚拟视场的建立g、ev
第1期 吴志明等:虚拟服装动态展示中的模特走秀动作模拟17数构建虚拟视场.
函数glRotated(angle,x,y,z:TGLdouble)实现旋转变换,用旋转矩阵乘当前矩阵,并将结果置为当前矩阵,从而完成对视点———模型变换矩阵的修改.
函数glFrustum(GLdoubleleft,GLdoubleRight,GLdoublebottom,GLdoubletop,GLdoublenear,GLdoublefar)定义一个透视投影矩阵,并乘当前矩阵.视景体的6个面就是观察体积的6个剪切面,超出其外的物体及物体部分将不会出现在最终图象中.视景体的定义并不要求对称,其轴线也不要求与z轴对齐.
函数gluPerspective(GLdoublefovy,GLdoubleaspect,GLdoublezNear,GLdoublezFar)建立透视投影矩阵,并乘当前矩阵.与glFrustum()不
同的是gluPerspective()只能建立沿视线方向
关于x、y轴都对称的视景体.使用此函数时必
须正确选取恰当的视角大小,否则图象会变形,
视角的大小可以通过眼睛离屏幕的距离和窗口
的大小来计算得到.
利用函数glViewport(GLintx,GLinty,GL-
sizeiwidth,GLsizeiheigh)可以在同一个窗口中
建立多个视口,并可以对每个视口利用不同的
投影和视图变换绘制物体.
系统最终实现的效果如图3所示.图3 模型的实时旋转效果图
3 结 论
根据现实中模特走秀的动作,利用正向和反向运动学原理来控制骨骼的运动,运用蒙皮绑定技术绑定皮肤(服装)与骨骼,并借助开发工具Delphi和三维图形函数库OpenGL实现了虚拟模特各种动作的模拟,效果逼真、生动.用户可以在虚拟视场中方便地实现对三维服装动态人体的显示与交互控制操作,并且可以从不同的角度观看虚拟模特动态展示服装的效果.
参考文献
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18北京服装学院学报(自然科学版) 2010年
SimulationofModelsCatwalkActioninVirtual
DynamicClothingDisplay
WUZhi-ming,MAOLi-juan,ZHAOYuan-yuan
(CollegeofTextilesandClothing,JiangnanUniversity,Wuxi214122,China)
Abstract:Withthepopularityofthenetworkandthedevelopmentofvirtualtechnology,virtualdis-playtechnologyofgarmentwouldbewidelyusedinsuchareasasfashionshow,apparele-commerceandsoon.Thusthesimulationofmodelcatwalkactionbecameoneoftheresearchtopics.Inthisarticle,throughtheanalysisandresearchontherealisticmodelscatwalkaction,theskeletalmove-mentwascontrolledbyforwardkinematicsandinversekinematicstheoryandthemodelscatwalkac-tionwassimulatedbythin-gaugeskinbindingtechnology.Theresultsoftheresearchwouldenrichcomputertechnicalapplicationondynamicdisplayofclothingandclothingsales,whichcouldpro-moteanincreaseinfashiondesigndevicesandmarketingdevices.
Keywords:skeletalthin-gaugeskinanimation;thin-gaugeskinbindingtechnology;simulationofvirtualmodelscatwalkaction
(上接第12页)
RelationshipofonLineApparelPresentationand
InternetShoppingRiskPerception
CHENHui-xing,JIANGLei,WANGBao-lu
(SchoolofFashionArtandEngineering,BeijingInstituteofFashionTechnology,Beijing100029,China)
Abstract:Discussedtheforeigntheoriesoftheinternetshoppingriskperceptionsbasedonthequal-itativeanalysisapproach,andsumedupriskperceptionelementsofinternetshoppingapparelper-formanceandfourkindsstyleofapparelpresentation.Basedontheanalysisoftherelationshipoftheonlinegarmentpresentationwithinternetshoppingriskperception,itwasfoundthathumanmodeltry-ondispalywasthebestpresentationinthefourkindspresentationandtheriskperceptionsofthecustomerwereloweronthispresentation.Virtualtry-onpresentationcouldreducecustomerssuita-bilityriskperceptioneffectively,butthequalityandcolorriskperceptionofcustomerswashigher.Ontheflatpresentation,thesuitabilityandqualityriskperceptionofcustomerswerebothhigh.Comparedtotheformerthreepresentations,theperformanceriskperceptionsofcustomersweremid-dlingonthemannequinpresentation.
Keywords:apparelinternetshopping;internetshoppingriskperception;onlineapparelpresenta-ti