虚拟人头发实时模拟分析

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1、东南大学硕士学位论文力和显示质量的不断提高以及应用范围的不断拓宽，模拟的效果也慢慢地成为了研究算法的核心。从上世纪八十年代后期开始，已经有不少研究者对头发模型进行了更加深入广泛的研究，提出了许多有效的头发仿真方法。虚拟人头发模拟包括几何模拟和物理模拟。几何模拟指头发的建模、光照及自阴影的模拟；物理模拟则指头发的动力学仿真，涉及到碰撞检测，真实感运动等。现有的系统大都适合模拟简单的发型，且由于头发数量巨大造成了计算的困难。南加利福尼亚大学提供了一个多分辨率的头发模拟系统【121，用户可以通过多分辨率的发簇形式，隐含的设计头发间的交互作用。同时可以在高层给用户提供在根发簇上运动的动态控制。但是

2、模拟这样的发簇效果非常困难，由此造成了巨大的计算花费。东京大学Lieu-HenChen等的聚簇发束模型嘲和新加坡国立大学ChuanKoonKoh和ZhiyongHuang的发模型‘131虽然在一定程度上解决了头发数量巨大的问题，减少了计算花费，但缺少头发的真实感。日内瓦大学的SunilHadap和NadiaMagnenat-ThalmannIs]提出了一个基于流体的交互式头发造型器，解决了模拟发型单一的问题，然而同样的，此方法也缺乏头发的真实感。东京大学的TomoyukiNishita等人【3】提出了用松散的粒子系统来对头发建模，粒子间的松散关系可以很好的模拟出头发的横向运动，但只模拟了比

3、较简单的发型。现有的系统针对的都是具有某种特点的应用，因此，本文关注的是如何建立一个耗时少且计算花费小的交互式头发建模系统。目前在头发模拟领域比较著名研究团队主要有以下几个：表1．I虚拟人头发模拟领域的主要研究队伍MIRALAB虚拟人发型建模与仿真ProgramofComputerGraphicsComellUniversityWaltDisneyFeatureAnimationPixarAnimationSttldios浙江大学头发渲染和光照模型研究动画角色头发的建模动画角色头发的动力学模拟头发的几何建模技术1．2．2存在挑战近年来，人们在虚拟人动画领域取得了许多突破性的进展，包括皮肤变

4、形和模拟，基于运动捕获的运动编辑，以及脸部变形和表情模拟。在一些科幻电影中出现的虚拟人角色在很多方面都达到了以假乱真的地步，例如《最终幻想6一一灵魂深处》中女主角细致的脸部细节和逼真的唇形动画，《最终幻想7——降临之子》复杂的布料模拟和流畅的打斗动作均给观众留下了深刻的印象。然而，相对于虚拟人动画的其他方面，头发的模拟依然困难重重。即使Dreamworks的《怪物史瑞克》展示了海量毛发的真实渲染技术，却仍是以离线预处理2第一章绪论的方式花费大量的时间为代价的。真实感头发模拟存在的挑战在以下几个方面：·头发数量庞大一个人的头发数量大约在10万到15万根左右，当要精确地绘制每一根头发时需要考虑

5、光照和投影，绘制一个发型所需要的计算量是巨大的。而当进行动画效果模拟时，必须计算发丝与发丝，发丝与头部以及场景中其他部分的碰撞交互，力学模型构造困难，渲染代价庞大。·几何特性复杂从物理结构上看，头发长而细，柔软而坚韧。宏观上它是一个弯曲的圆柱体，而微观上这个圆柱体的半径却是任意变化的；头发长短不一，表现出来的几何特性复杂，且容易与碰撞、静电、重力等物理现象联系在一起；不同的头发有不同的颜色，疏密程度亦不同，即使是同一根发丝，也可能有黑、白、棕、红等多种颜色。这些物理因素导致不同发型、同一发丝不同位置对光的作用现象各异，从而形成了一个复杂的光学模型。很难构造一个精确的物理模型来模拟头发的光照

6、，只能以简化的模型尽量逼近。●直径太小头发直径很小，一般在40微米到80微米之间，远小于显示器在最高分辨率情况下的像素大小，因此绘制单根发丝时会出现走样的现象。●运动的各向异性发丝不易拉伸，但却可以向各个方向运动并且与周围的发丝产生不规则的交叉现象；发丝在交叉过程中不具穿透性，且每根发丝其相邻头发数量不固定，随着运动的变化而变化。为了计算头发运动的动画效果，模拟头发之间的受力、速度以及光照效果和阴影，需要巨大的计算，现有的硬件很难获得令人满意的实时效果。正是由于头发所具有的上述复杂特性，使得虚拟人头发的模拟不同于固体或者流体模拟，无法依靠现有的经典方法来建模。虚拟人的头发模拟存在大量未解决

7、的困难，建立一种能够实时精确模拟头发的模型具有很大的挑战性。1．3论文工作尽管目前动画电影中对虚拟角色的毛发模拟已经达到了很高的水平，但动画模拟以离线渲染为基础，以大量的渲染时间为代价产生高质量的画面效果。对于交互设计和3D游戏等实时环境，毛发的绘制速度必须在15帧，秒以上，离线算法无法满足实时要求。目前应用的绘制技术中，即使绘制速度可以达到实时，但是大多数只能支持单一的直发发型，绘制质量3东南大学硕士学位论文不高。因此