三维人体建模方法的研究.pdf

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1、! 竺! ：! ! ! ：型! ! ! ! 旦 三维人体建模方法的研究 李 勇胡敏付小莉 ( 中原T 学院，邡卅l ，4 5 0 0 0 7 ) 摘要：总结观囱各种一维人体建横方法特别是对肖前广泛使用的线框建模实体建模和曲面建模，从坪论到且体的实现等各个 方面鄙怍丁剖析井丹析各种方法的优缺点。 关键词：二维人体建模线框建横实体避模曲面建模研究 中田法分类号：l 蝌4 I1 7文献标识码：B 二维人体建模作为计算机人体仿真的一个组成 部分，一直足人们研究的热点之一。自交互式汁算 机图形学诞牛之日起，就有学者不断探索计算机人 体建模技术_ 13 。从线框建模、实体建模、曲面建 摸发展到今天基于物理

2、的建模，已取得重大进展。 本文住参阅和分折大量有关文献的基础上，深入分 析了线框建模、文体建模、曲面建模以及摹于物理的 建模方法，为进一步研究开发三维人体建模提供了 有益的参学。 l 线框建模 线榧建模是采用点、直线、圆弧、样条曲线等构 造_ 二维物体的图形表示技术，它是计算机图形学在 【A I ) ( A 应用巾最早用来表示形体模型的建模方 法。线框建模只用点、线的信息表示一个形体，数据 培少，定义过程简单，对其编辑、修改非常快，符合服 装生产中人们打样的习惯。很多复杂的形体设计往 往先用样条勾画出基奉轮廓，然后逐步细化。人体 的线框建模是将人体轮廓用线框图形和关节表示。 由于包含的信息有限

3、，因此该法存在缺陷：1 ) 有模糊 性和歧义性，即不能够无二义性地表达三维人体；2 ) 无法实现三维人体模型的自动消隐，真实感较差；3 ) 无法进，亍剖面操作。但线框建模方法很容易产生人 体的动作并且可作为实体建模、曲面建模的基础， 因此至今仍在广泛应用。最早开发商品化人机系统 仿真软件的英国诺丁汉大学s A M M l E 系统生成 的人体模型A P P O L L O ( 包含1 7 个关节点和2 1 个 节段) 、【h r y s l e r 公司用F o 九r a n 开发的C Y B E R M A N 系统l 生成的人体模型以及由P e n n s y l v a n l a 大学

4、计算机| 窀j 形实验室用c 语言开发J A c K 软 件- 孛成的人体模型( 包含8 8 个关节点，1 7 个节 段) 采用的就足线框建模的方法。 ( 长方体、球体、柱体、锥体等) 定义和描述；另一部分 是体索之间的集合运算( 并、差、交等) ：i 维人体的 实体建模由于增加了实心部分表达，信息更加完备， 从而使得二三维人体得到无二义性描述。并且实体建 模方法提供了顶点、边界、表面和实体几乎所有的几 何和拓扑信息，因此它可以支持对表达人体的消隐、 真实感图形显示：采用实体建模的方法构建的系统 有：波音公司开发的B 0 e m a n 人体建模软件。3 、以及 后来在该系统中开发的允许用户建

5、立任意尺寸和比 例的人体几何建模程序生成的人体模型、K 。m y i sB 等【4 在I B MR s 6 0 0 c A T I A 系统上构造的j 维人体 模型等。毛恩荣等_ 5 在研究用于机械系统人机界 面匹配的人体模型中，采月J 面向对象的继承方法，将 人体掏造成由一系列市方体所组成的二维人体模型 实际上也是丑；体建模方法。目前，实体建模对人体 的表达方式主要有四种。 2 1 基于体素分解的表达方法 体素分解表达方法是将复杂的人体层层分解， 并将其逼近表示成为一簇基本体素的集合，分解后 的复杂人体表示成一棵八叉树。该方法简单易行， 但对人体的表达是近似，因而很难反映出人体的宏 观几何特

6、征。并且由于体素间的集合运算涉及大量 面与面之间的交贯运算，难免出现奇异的情况。有 时计算精度有限带来的几何数据误差，还会造成体 素之问拓扑关系的紊乱，从而使运算不能进行下去 因此在实际应用中会受到很大的限制。 22 构造实体几何 构造实体几何方法是通过简单形体( 如圆柱体、 椭球体、球体等) 的交、并、差集合运算来表达复杂人 体外形，该表达方法可以用一棵二叉树描述：其特 点在于：1 ) 能够清晰地表达复杂人体的构造过程；2 ) 能直观地描述人体的宏观几何特点。但是该表达方 2实体建模 河南省自然科学基金资助项目项目编号0 0 4 0 6 1 0 0 0 实体建模技术包含两部分内容，一部分是体

7、素 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 纺织学报第二十三巷第五期4 1 7 【8 l 】 法存在着多种构造人体的表达方案，表示的人体模 刊也不够逼真，很难表示人体的动态特性。同样，由 于俘在集台运算，因此其汁算量大，计算稳定性差。 23 边界表达方法 边界表达方法的主要思想是通过形体的边界元 素( 如有向表面、边、顶点等) 及其拓扑关系来描述三 维空间的形体边界表达方法详细的记录了构成形 体的所有几何元素的几何信息及其相互连接关系一 拓扑关系，以便商接

8、存取构成形体的各个面、面的边 界以及各个顶点的定义参数，有利于以面、边、点为 基础的各种儿何运算和操作。人体的边界表达就是 用面、环、边、点来定义人体的位置和形状。由于表 示人体的点、边、面等几何元素是显示表示的，使得 绘制边界表达的人体速度较快，而且比较容易确定 人体模型几何元素间的连接关系。其缺点是1 ) 数 据结构复杂，需要大量的存储空间，维护内部数据结 构的程序也比较复杂；2 ) 修改人体的操作比较难以 实现： 24 多面体建模 多面体建模是从构造多面体开始，对多面体的 任意一个面、凌边、顶点进行局部修改，从而构造一 个与实体外形相似的多面体( 即基本立体) ，然后通 过类似于磨光的处

9、理，自动产生自由曲面的控制顶 点，并拼接成所需的形状。这种处理，又称为局部变 形操作，是一种根据设计者的构思来进行局部处理 并隹成所需形状的方法。通过局部变形操作，逐步 生成人体的步骤如下：1 ) 首先产生一个由直线和平 面所组成的基本立体，作为人体形状的原型；2 ) 由基 奉立体产生一个表征人体特征的曲线模型；3 ) 在曲 线模删的基础上，用计算几何的方法产生光滑的自 由曲面，即用参数曲面进行拟台。 3 曲面建模 三维人体的曲面建模是通过顶点，边和表面j 种几何无素及其相互间的拓扑关系来描述三维人 掉曲面模型提供了三维人体的表面信息，因此能 够进行隐藏线消除和真实感二维人体模型显示。但 曲面

10、建模方法由于没有明确定义三维人体的实心部 分，因此很难进行剖面操作。目前，国内的三维人体 建模多采用曲面建模以获得逼真度高的人体模型。 文献 6 ：采用了基于特征的人体模型参数化曲面建 模方法。它是以三次H 样条为基础，借助蒙皮、放 样等操作，生成近似G2 连续的人体模型。并根据 服装工业中需对人体模型进行精确定量描述的要 求，结台人体外形和服装设汁特点，在整体结构上将 人体模型分为I ( 卜t 、基本特征。根据不同结构特征 具体的几何特点，选用不同的曲面建模方法，如人 体模型四肢部位的结陶特征( 包括手臂和腿部) 均属 于外型和拓扑结构较简单的圆丰 = 类形体，选用了截 面线蒙皮的参数曲面建

11、模方法，用单张参数曲面表 达这些结构特征的儿何外形。而人体模型的躯干部 分的结构特征( 包括上部躯干部和中部躯干部) 的儿 何形状及拓扑结构均较为复杂，难以采，H 单张曲面 对其进行表达，就选用了曲面拼接的建模方法。头、 手、脚因在服装设计中很少用到，只作近似处理另 外，其参数化的设计思想使用户可以根据具体的需 要对服装人体模型特征表中的特征尺寸进行修改 从而获得所需的服装人体模型。文献 7 也采用曲 面建模的方法对服装c A D 中的三维人体曲面进行 了研究二文献：8 是应用在人机系统仿真巾的人体 模型。人机系统仿真中除r 考虑构造m 逼真的人体 模型，同时要考虑人体模型的动态特征。因此采用

12、 了组合线框模型和曲面模型建立二维人体模型，并 从解剖学的观点出发将人体模型简化为1 6 个关节 在具体的应用中再对某些关节的运动加以约束，使 之限制在合理的运动范围以内。同样，将人体表而 划分为若干曲面片，用曲面建模的方法构造出人体 外形：为了消除各肢体间发生相对运动时肢体间 发生“挤压”和“分离”的现象，在其构造人体模型的 过程中用超限插值的方法构造肢体间的过渡曲面。 4 基于物理的建模技术 基于物理的建模方法足针对传统的人体建 模技术主要描述人体的外部几何特征，而对人体本 身所具有的物理特征和人体所处的外部环境因素 ( 如重力等) 缺乏描述的基础上发展起来的。、因此它 尝试将人体的物理属

13、性和人体所受的外部环境的各 个方面因素引入到传统的几何建模方法中，形成的 一种全新的建模方法。由于在建模过程中引入了人 体自身的物理信息和人体所处的外部环境囚素，因 而基于物理的建模方法能获得更加真实的建模效 果。同时也由于引入了时间变量，人体的动态特征 将得到有效地描述。但基于物理的建模方法在人体 的动态运动规律表达多是采用微分方程组数值求解 方法来进行动态系统的汁算，与传统的人体建模方 法相比，基于物理的建模方法在计算上要复杂得多。 但此法能弥补传统人体建模方法的不足，自产生以 来也得到丁迅速的发展。 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase f

14、rom www.PDFWatermarkR to remove the watermark H 二】4 1 82 ( 】( 1 2 年1 0 月 2 1 世纪的纤维与环境保护 陈文兴余志成胡智文 浙江工程学院材料与纺织学院，杭州3 1 0 0 3 3 ) 摘要：从纤维的制造、加工肚纤维废弁物等方面论述纤维与环境的戈系介绍绿色纤维和绿色加工方面已取得的成就和今 后的发展趋势。井指出纤维在主动治理环境污染方面n J 做出积极的贡献。 关键词：纤维环境保护绿色纤缝绿色加上莳井 中囤法分娄号：is 1 0 9文献标识码：B 2 0 世纪工业的快速发展，极大地提高了人类的 物质生活水平，同时也带来了环境

15、问题，诸如臭氧层 的破坏、地球气温变暖、土地沙漠化、空气污染、水污 染、工业垃圾等，正严重威胁着人类自身的生存环境 和经济的町持续发展。当前，环境问题已引起全世 界的高度重视。过去评价一个产品好坏的标准是 “价廉物美”，而现在还必须考虑环保这一因素。纤 维及其制品也不例外。我们理解，“环境纤维”可包 括以下i 个力面的含义：1 ) 纤维制造加工过程中少 耗资源、少耗能源、少污染环境；2 ) 纤维及其制品废 弃后应尽量减轻对地球的负荷；3 ) 纤维主动地治理 环境污染。 l 纤维加工过程中少耗资源、少耗能源、少污染环境 化学纤维足近几十年来发展最快的产业之一， 要保持这种高速增长的势头，就必须保

16、征源源不断 的原料供应，但地球上资源的储存量有限，总有一天 会枯竭。据科学分析，地球上现存的石油按目前的 消耗量计算到2 0 5 0 年将耗尽。另一方面，某些纤 维的牛产和各种纤维的染整加工，对环境造成了严 重的污染这些资源和环境问题都将制约整个纤维 行业的可持续发展。 5 结论 一种i 维人体建模方法能否在具体人体模型实 现中发挥作用，主要由建模方法本身性能和实现方 法( 如 算机程序) 的质量两方面共同决定。实现方 法的好坏很大程度七依赖于建模方法的原理，因此 对人体建模方法本身进行理论上的分析研究寻求 一种好的建模方法足非常重要的。并且随着人体建 模方法研究的深入，还可能会有一些新的建模

17、方法 出现，原有的方法也可能会得到进一步完善和发展。 参考文献 从长远观点看，大然纤维及再生纤维具有持续 生产的町能性，因而是今后的发展方向。其中再乍 纤维素纤维的前景更令人看好。粘胶纤维从1 9 世 纪末产业化以来，一直延续至今。但由于粘胶纤维 的生产过程中使用对环境有害的二硫化碳溶剂，以 及粘胶自身性能的缺陷使其发展规模受到限制， 因而人们一直在寻找新的纤维素溶剂。2 0 世纪8 0 年代，英国考陶尔兹公司、奥地利伦青公司使用无毒 无污染的、一甲摹氧化吗啉生产再生纤维素纤维获 得成功- “。1 9 8 9 年，国际人造纤维和合成纤维标准 局正式将这种方法制成的纤维命名为L y 。c e l

18、 l 纤维， 商品名为T c n c e l 纤维。L y o c e l l 纤维不仅继承了再 乍纤维素纤维手感柔软、悬垂性好、吸湿性优、穿着 舒适等优点，而且弥补了粘胶纤维湿强低、耐磨性及 尺寸稳定性差的不足。同时，L v o c e l l 纤维的乍产过 程中无副产物生成，所用的有机溶剂几乎能够令部 回收循环利用，符合环保要求，因此被誉为2 l 世纪 最有发展前途的再生纤维素纤维。 浙扛省自然科学基金青年科技人0 培养专项奖金资助项日( 项 目编号：R ( ：0 0 0 4 7 ) l s l o l a IH nSJ 1 a 1 e ( h a r a “e r 、f ( ( ( )

19、I n o I J l e r ( ；r H t P F l I C o n l 【u t c rA a t l o n9 lH c l d c l b e 疆：S p n g c rV c 山g ，1 9 9 18 9 9 9 2丁h f I l m nN KM u n h HTr ) e A n E e l m Me ta ID 日nT f o m a t n dA n t fH u m a nF a c e sV l s u a l ( k m D u l e f1 9 8 9 ( 5 ) 3 2 3 9 3B I n l a nn a sA r u l tKS e “g “p t a

20、p I J l 1 【J P 【l1 1 l I n f l e | 1 1 “H 【1 r 。 g m r n s f o r w o r ks t a t l o nd e s l g nE r g o n o m l c s 1 9 9 5 ( 9 ) ：1 9 5 8 1 9 7 2 4K a v l sBI s k a n d e rP AT h r P ed n s I Ih n m 。d e If o r 【h c I H M “I A T l A8 y s A l p lL e dE 。g o n 0 s ，1 9 9 4 ( 6 ) ：3 9 5 3 9 7 5 毛恩荣等用于

21、机械系统 机界面匹配研究的人体模喇农业机 械学报，1 9 9 8 ( 3 ) ：1 4 6 武剑洁等基于特征的服装人体模犁参化建模方法华中理上大 学学报，2 0 0 0 ( t ) 2 9 3 2 7 张瑞云等服装c A D 中鼍维 体数据处理与曲面拟台中国纳织 大学学撤，2 0 0 0 ( 2 ) 5 0 5 2 8 付世渡等基十B 样条曲面的 悼模型的建立计算机学报 1 9 9 8 f 1 2 ) ：1 1 3 1 1 13 5 9 樊劲基于物理的建模研究以及在服装c A D 中的庸片j ：薄士学位 论义 华中理工大学机械科学与丁程节院1 9 9 7 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark