基于物理的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)幾何建模研究.pdf

1、當(dāng)今社會(huì)正處于信息化快速發(fā)展的重要階段，人們可以更加快速、更加便捷地獲取自己所需的信息，而且獲取信息的途徑也是越來越多。不過在信息化的今天，作為社會(huì)中的每個(gè)個(gè)體，其實(shí)也都在無時(shí)不刻地產(chǎn)生著數(shù)據(jù)，這就造就了當(dāng)下大數(shù)據(jù)的熱潮。但是在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)領(lǐng)域，由于之前模型數(shù)據(jù)獲取相對(duì)較難、成本較高，大數(shù)據(jù)時(shí)代在這一領(lǐng)域似乎并沒有到來的跡象，相關(guān)的研究也沒有受到領(lǐng)域內(nèi)專家學(xué)者足夠的重視。但是，隨著當(dāng)前三維數(shù)據(jù)采集設(shè)備和以可穿戴設(shè)備為代表的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的

2、火熱發(fā)展，我們有充分的理由相信計(jì)算機(jī)圖形學(xué)領(lǐng)域的大數(shù)據(jù)時(shí)代很快將會(huì)到來，基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的三維幾何研究將獲得更多的關(guān)注。
　　三維輸入設(shè)備的快速發(fā)展給計(jì)算機(jī)圖形學(xué)研究人員帶來了大量的三維幾何數(shù)據(jù)。不過其中很大一部分?jǐn)?shù)據(jù)都未經(jīng)加工處理，大多數(shù)的三維幾何算法不能對(duì)其直接處理，更不用說另外一些對(duì)數(shù)據(jù)要求較高的算法。因此，針對(duì)當(dāng)前三維幾何模型序列數(shù)據(jù)較少的問題，本文研究了如何利用已有的少量三維模型數(shù)據(jù)，通過模型插值技術(shù)生成更多可用模型數(shù)據(jù)，以

3、滿足后續(xù)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)相關(guān)算法的需要。在通過插值算法生成三維模型或者利用三維掃描設(shè)備獲取數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，我們針對(duì)具體應(yīng)用，又研究了如何利用這些數(shù)據(jù)生成新的模型數(shù)據(jù)。具體來說，首先針對(duì)用戶給定的輸入模型，本文研究了基于骨架的三維模型距離場(chǎng)插值算法，算法在不需要用戶交互的前提下插值出了高質(zhì)量的中間模型。其次，利用插值算法對(duì)人體模型的姿勢(shì)進(jìn)行插值，得到姿勢(shì)之間的動(dòng)作序列，在這些動(dòng)作序列上進(jìn)行衣物模擬，生成衣物的模型數(shù)據(jù)庫；基于對(duì)動(dòng)作和與之對(duì)應(yīng)的衣物模

4、型的分析，提出了衣物模型快速生成算法。在給定新的人體動(dòng)作后，算法能夠快速生成與之匹配的衣物模型。最后，本文針對(duì)三維模型打印，通過理論分析并結(jié)合掃描采集的物體運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，綜合分析計(jì)算了打印材料的物理參數(shù)，最終能夠讓只能打印單一材料的三維打印機(jī)打印出具有不同物理屬性的目標(biāo)模型。
　　論文的創(chuàng)新點(diǎn)主要包括：
　　1.基于骨架的三維幾何模型距離場(chǎng)插值：三維模型插值技術(shù)在計(jì)算機(jī)動(dòng)畫，游戲和影視等商業(yè)領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用，主要在于它能夠完

5、成從一個(gè)幾何模型到另外一個(gè)幾何模型的平滑過渡。不過事實(shí)上，三維模型插值還可以被當(dāng)作一種生成中間數(shù)據(jù)的方法。要得到滿意的中間數(shù)據(jù)，最重要的就是要建立兩個(gè)模型之間的準(zhǔn)確對(duì)應(yīng)關(guān)系，而這是圖形學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)難題。本章提出了一種基于三維模型骨架的模型距離場(chǎng)插值方法，得到了高質(zhì)量的模型平滑插值結(jié)果。而且在模型插值路徑中借鑒了基于物理的模型變形策略，使得插值結(jié)果符合人類認(rèn)知。
　　2.基于物理模擬數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的快速衣物生成：衣物模擬也是圖形學(xué)領(lǐng)域的一

6、個(gè)重要研究方向，它在電子商業(yè)、游戲影視等方面都有著重要的需求，也有著很大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。本文提出了一種基于幾何的衣物快速合成算法框架，嘗試解決衣物模擬真實(shí)感與實(shí)時(shí)性之間的矛盾。它將人體模型和衣物模型分別降維成一系列剛性和非剛性骨骼。在離線階段，通過兩種模型之間的對(duì)應(yīng)，學(xué)習(xí)人體骨骼與衣物骨骼之間的關(guān)系。當(dāng)處于在線模擬階段時(shí)，根據(jù)用戶輸入的新的人體姿勢(shì)模型就可以快速驅(qū)動(dòng)衣物形變，從而使形變后的衣物與輸入的人體姿勢(shì)相適應(yīng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種基于模

7、擬數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法可以達(dá)到交互性的要求，并且具有較好的真實(shí)感。
　　3.基于動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)掃描和物理模擬驅(qū)動(dòng)的三維模型打?。耗壳爸髁魅S打印機(jī)都只能利用單一材料打印模型，這就大大地限制了它的應(yīng)用范圍。本文針對(duì)這種單一材料打印的情況，采用單一材料但具有不同物理屬性的微結(jié)構(gòu)，最終使得單一材料三維打印機(jī)可以打印出具有不同物理特性的三維模型。另外，還搭建了掃描三維數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過對(duì)現(xiàn)實(shí)物體運(yùn)動(dòng)軌跡的掃描和模擬追蹤，估算出現(xiàn)實(shí)物體所用材料的屬性