CN104915983B - 一种衣物褶皱基线提取方法 - Google Patents

Abstract

一种衣物褶皱基线提取方法，通过对初始网格和变形网格的变形分析，跟踪提取三角网格中的边线作为初始基线，然后进行光滑处理得到褶皱曲线。将褶皱曲线与褶皱区域进行融合，调整三维网格以得到最终的褶皱基线。其步骤是(1)对三维衣物网格进行网格变形分析及平面展开；(2)在展开的网格平面上进行初始褶皱基线的跟踪及光滑处理；(3)将褶皱曲线与衣物网格褶皱区域进行融合，调整三维网格以得到最终的褶皱基线。

Description

一种衣物褶皱基线提取方法

技术领域

本发明涉及一种衣物褶皱基线提取方法，属于柔性织物仿真技术领域。

背景技术

在衣物仿真领域，褶皱是衣物布料不可忽视的主要细节，褶皱的添加能增强衣物模拟的视觉真实性，对褶皱的模拟仿真是实现真实性柔性衣物模拟中不可或缺的一部分。目前的大部分基于几何的衣物褶皱模拟方法分为两个步骤：首先在衣物网格上生成褶皱基线，描述褶皱的大致走向；然后根据已定义的褶皱基线，生成三维的衣物褶皱。

有关褶皱基线的提取作为关键的技术难点，Larboulette等人和Wang Yu等人采用边长保持不变的原则，在用户定义的褶皱线上添加褶皱。Li等人由图片提取人脸皱纹曲线，并把曲线从2D投射到3D人脸模型，通过对皱纹剖面形状的曲线函数调整得到立体的皱纹形状，并通过曲面细分进一步细化皱纹模型。Cutler等人在衣物表面相应位置标定褶皱基线，并根据这些褶皱基线按照定义的褶皱形状及可调节的参数-褶皱形状半径最后生成立体褶皱。Rohmer等人采用与其相同的概念，在褶皱基线的基础上进一步模拟褶皱。不同的是，Rohmer等人的方法中，褶皱基线的位置是程序根据分析粗仿真结果而得到，以一种自动后处理方法取代人为干涉。

以往褶皱基线的提取方法存在以下问题：

(1)没有成熟的褶皱基线自动生成方案，大部分的褶皱生成方法依靠具有专业技能的艺术人员在衣物网格上手工添加褶皱基线。

(2)目前的褶皱基线提取方法往往比较复杂，计算量大，需要耗费较多的计算资源。

针对以上问题，本发明对褶皱基线提取方法作了进一步研究，提出一种新的基于网格变形分析的褶皱基线提取方法。该方法的核心内容可以总结为：通过对初始网格和变形网格的变形分析，跟踪提取三角网格中的边线作为初始基线，然后进行光滑处理得到褶皱曲线。将褶皱曲线与褶皱区域进行融合，调整三维网格以得到最终的褶皱基线，从而实现更具视觉真实性的褶皱基线。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种衣物褶皱基线提取方法。

本发明采用的技术方案：将连续介质力学中定义的变形张量运用在三维衣物网格上，对三维衣物网格进行网格变形分析；把三维衣物网格进行平面展开，并在展开的平面上，根据网格顶点的拉伸量信息进行初始褶皱基线的跟踪寻找；基于粗网格提取的初始褶皱线通常是折线，运用Laplacian方法进行光滑处理形成光滑的褶皱曲线；采用质心坐标概念获得褶皱曲线的三维坐标，并用Delaunay方法把曲线上的顶点嵌入褶皱区域的网格中去。

该方案实现的步骤，如图1所示：

(1)对三维衣物网格进行网格变形分析；

(2)对三维衣物网格进行平面展开，并在展开平面上进行褶皱基线的跟踪寻找；

(3)对提取的褶皱基线进行光滑处理，获得褶皱曲线；

(4)将褶皱曲线与褶皱区域进行融合，调整三维网格以得到最终的褶皱基线。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

基于衣物网格本身的属性作为提取参数，更简洁自动，免去了专业技术人员手工添加褶皱基线的麻烦，减少了褶皱基线提取的难度和专业度。具有更高的效率，占用资源少，能得到更具有视觉真实性的褶皱基线。

附图说明

图1一种衣物褶皱基线提取方法步骤示意图；

图2褶皱基线跟踪示意图；

图3Laplacian光滑方法示意图；

图4质心坐标的说明示意图；

图5采用Delaunay方法***新顶点的步骤示意图；

图6上衣正面分块的展开平面上的初始褶皱基线示意图；其中，(a)显示了顶点的拉伸量与寻找的褶皱基线的对应关系，(b)则清晰地单独显示了提取出的褶皱基线；

图7上衣背面分块的展开平面上的初始褶皱基线示意图；其中，(a)显示了顶点的拉伸量与寻找的褶皱基线的对应关系，图(b)则清晰地单独显示了提取出的褶皱基线；

图8不同Laplacian迭代次数后的顺滑结果图；其中，(a)、(b)、(c)和(d)分别为Laplacian光滑迭代次数分别为1、2、4和5时的效果；

图9上衣正面分块的褶皱基线光滑效果图；其中，(a)是光滑前效果，(b)显示光滑后效果；

图10上衣背面分块的褶皱基线光滑效果图；其中，(a)是光滑前效果，(b)显示光滑后效果；

图11融合光滑褶皱曲线的细化褶皱区域效果图；其中，(a)和(b)为上衣三维衣物网格模型的正面的一个褶皱区域，(c)和(d)为上衣三维衣物网格模型的背面一个褶皱区域。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式对本发明进一步详细说明。

(1)对三维衣物网格进行网格变形分析和平面展开

将连续介质力学中定义的变形张量运用在三维衣物网格上，对三维衣物网格进行三角形基元变形分析；采用Pennec等人提出的定义在张量空间、基于仿射不变性的黎曼度量的插值方案，由三角形变形量插值出网格顶点的变形量。为了降低褶皱基线查找的计算复杂性，需要把三维衣物网格信息转换到二维平面上，因此采用保角度的平面展开方法实现对三维初始网格的平面展开。

(2)在展开平面上进行褶皱基线的跟踪寻找

在得到初始网格的平面展开后，就可以很方便地在二维的平面上根据各个顶点的顶点拉伸张量的大小提取褶皱基线。本发明称在二维平面上提取褶皱基线的过程为褶皱基线的跟踪。在二维平面上选取一个顶点作为一条褶皱基线的起始点，逐步在平面上“追踪”整条褶皱基线，并称选定的起始点为种子起点。

在开始褶皱基线跟踪前，首先将按照各个顶点的拉伸张量的特征值μ_i1从小到大的顺序对平面上所有的顶点进行排序，把所有的顶点按照特征值μ_i1的大小放入一个优先级队列。接下来将按照如下步骤进行褶皱基线的跟踪：

步骤一：选取队列里特征值μ_i1最小的点为种子起点，即选为褶皱基线上的第一个顶点；将种子起点的邻接顶点中特征值μ_i1最小的顶点为褶皱基线上第二个顶点，并计算这两个顶点间连线方向。接下来将根据这条连线上的方向进行。由于选取的头两个顶点的连线上有两个方向，本发明将分别沿着两个方向进行剩余的褶皱基线的跟踪。最后再将两个方向上的跟踪结果合并在一起。

步骤二：根据步骤一选定一个跟踪方向；

步骤三：定义当前顶点为这个方向上的褶皱基线的尾部顶点，如图2所示，其中点C为当前点，褶皱基线下一个顶点D的选择需要满足以下三个条件：

d.D为在当前顶点C的邻接顶点之一，并且其特征值μ_i1需要小于设定的阈值μ_thresh；

e.向量与向量之间的夹角不超过一定的阈值θ_thresh1；

f.向量与向量之间的夹角不超过一定的阈值θ_thresh2；

g.D为满足上述三个条件的所有顶点中特征值μ_i1最小的顶点。

初始褶皱基线提取实验：如图6和图7所示分别为采用褶皱基线跟踪方案二在上衣正面分块和背面分块的展开平面上的提取的褶皱基线。

图6和图7中，图(a)显示了顶点的拉伸量与寻找的褶皱基线的对应关系，图(b)则清晰地单独显示了提取出的褶皱基线。从两幅图可以看到，提取的褶皱基线与顶点拉伸量较大的点是对应的。

本实验中μ_i1的阈值μ_thresh取为0.8，θ_thresh，θ_thresh2和θ_thresh2的值都取为π/2。

(3)对得到的初试褶皱基线进行光滑处理

采用上节中所述的褶皱基线提取方法提取出来的褶皱线通常是折线，然而真实世界中的褶皱曲线往往是光滑曲线，点与点的位置之间是光滑过渡的。因此在提取出褶皱折线后，需要对提取出来的褶皱折线进行光滑，形成光滑的褶皱曲线。本发明将采用最简单的Laplacian光滑方法，如图3所示为Laplacian光滑方法的示意图。

具体的褶皱折线光滑过程描述如下：

对于如图3左边所示的一条褶皱折线上的顶点p_i，p_i-1和p_i+1是其两个相邻的顶点，令：

那么，顶点p_i的新的位置更新为：

p'_i＝p_i+λL(p_i) (3.2)

其中，0<λ<1。

图3右边部分图示意折线经过一次光滑的过程，浅灰色折线是原来的折线，深灰色的折线是光滑后的褶皱线结果，箭头示意该次光滑过程每次顶点的移动方向。事实上，一维的Laplace算子相当于二阶导数的有限差分离散。每次光滑过程中，将每个点与周围的点做平均，使相邻的顶点的坐标值更为接近，从而达到光滑折线的目的。

对褶皱折线L进行光滑操作的迭代过程如下：

1)L上的顶点信息存储拷贝一份；

2)对于折线L上的内部顶点p_i(p_i为非边界上的顶点)，做运算并计算p'_i＝p_i+λL(p_i)，其中p'_i为p_i新的位置点坐标；

3)若达到循环次数，结束；否则，从步骤1)开始新一轮循环迭代。

值得注意的是，Laplacian光滑方法会有收缩效应(shrink)，即当迭代次数增多的时候，本来呈弧线状的折线会萎缩，其弧长越来越小。举一个最极端的例子，如果原来的折线是个封闭的多边形，那么，无限次Laplacian光滑迭代循环后，该折线将萎缩为一个点。因此，在使用Laplacian光滑方法要注意选择恰当的迭代次数。

褶皱基线光滑实验：如图8所示为对同一条褶皱基线，进行不同次数的Laplacian迭代后的褶皱基线顺滑结果。

图8中，图(a)、图(b)、图(c)和图(d)分别为Laplacian光滑迭代次数为1、2、4和5的效果。其中，黑色实线为原来的褶皱基线，黑色虚线为采用Laplacian光滑方法对褶皱基线进行光滑后产生的褶皱曲线效果。

可以看到，随着迭代次数的增加，Laplacian光滑结果趋于稳定，并与褶皱折线的起点和终点间的连线越来越接近，从而丧失了原来折线蕴含的弯曲信息。

如图9和图10分别为上衣正半面分块和背面分块的褶皱基线光滑效果图。其中，图(a)中的线条为初始提取的褶皱基线，图(b)中的线条为光滑后的褶皱曲线。

(4)褶皱曲线与褶皱区域的融合

第一步，获取光滑后褶皱曲线的三维坐标；

之前是在展开的平面内对提取的褶皱基线进行Laplacian光滑，光滑后的褶皱曲线上点的坐标为二维平面坐标，而细化的褶皱区域为三维空间上的衣物网格区域。因此，本发明需要获取光滑曲线的三维信息，为光滑后的褶皱曲线与细化褶皱区域的融合做准备工作。本发明将采用质心坐标(barycentric coordinates)的概念，即几何图形中的点相对各顶点的位置关系，实现光滑后的褶皱曲线上点的二维坐标到三维坐标的映射。

假设有如图4所示三角形(a,b,c)(该三角形可以使二维平面上的三角形也可以是三维空间上的三角形)，记为V，d为该三角形上的一个顶点，d与三角形三个顶点的连线把三角形划分为三个子三角形区域，按图示分别记三个子三角形的面积为A_a,A_b和A_c，三角形(a,b,c)的面积记为A。

假设V的质心坐标为(α,β,γ)，其质心坐标满足(0<α<1)，(0<β<1)和(0<γ<1)，并且α+β+γ＝1。那么V的质心坐标计算如下：

展开平面上的每个三角形都对应于三维衣物网格上的一个处于三维空间的三角形基元，并且它的每个顶点也都对应于三维空间的一个顶点。设为光滑后的褶皱曲线上的一个顶点，并且在三角形上。三角形对应的三维衣物网格上的三角形为(a,b,c)，映射到三维衣物网格上的点为v，则v应该在三角形(a,b,c)上。那么，光滑后的褶皱曲线上点的二维坐标到三维坐标的映射过程描述如下：

a.根据与三角形的信息，可以计算的质心坐标为(α,β,γ)；

b.三维空间上的点v的坐标为：v＝αa+βb+γc。

第二步，三维空间中光滑后褶皱曲线与褶皱区域的融合；

得到光滑后的褶皱曲线上顶点的三维坐标后，需要进一步把曲线上的顶点嵌入褶皱区域的网格中去，使其成为褶皱区域网格的一部分，以方便后续三维褶皱的生成。褶皱曲线的嵌入过程相当于把曲线上的每个点***到三角形网格。为了使***新顶点后生成的三角形网格不至于过于细长(即该三角形网格的某一个角的角度过于小，某一条边过于短的情况)，本发明将借鉴Delaunay三角网格化方法，进行点的***操作。

Delaunay三角化方法的主要的约束条件是Delaunay三角性质，即对于Delaunay三角网格上的一个三角形基元，设其三个顶点为a、b、c，该三角形基元的外接圆为S，则除a、b、c三点外，任何其他的顶点都不在S内。采用Delaunay方法向三维网格***褶皱曲线上的顶点的步骤如图5所示。

假设需要向原来的网格***如图5(a)图黑色圆点所示的新顶点，那么具体的***步骤如下所述：

a.首先，找出其外接圆包含新顶点的三角形基元，如图5(b)所示，有三个三角形基元的外接圆包含黑色新顶点；

b.如图5(c)所示把这三个三角形基元从网格中剔除，去除这三个三角形间重复的边，保留为各个三角形独有的边，如图5(d)所示；

c.由上一步中留下的三角形边与黑色新顶点形成如图5(e)所示的新三角形，最后把这些三角形嵌入原来的三角形网格，如图5(f)所示。

褶皱基线融合实验：如图11所示为上衣变形网格上融合光滑褶皱曲线后的两个褶皱区域的效果图。图11中，(a)和(b)为上衣三维衣物网格模型的正面的一个褶皱区域，(c)和(d)为上衣三维衣物网格模型的背面一个褶皱区域。其中，(a)和(C)中的白色网格区域内黑色折线为细分后的褶皱网格区域上的褶皱基线，(b)和(d)中的白色网格区域内黑色曲线为与细化褶皱网格区域融合后的光滑褶皱曲线。从图11可见，褶皱曲线融合到细化后的褶皱曲线后，成为细化褶皱区域的一部分。

Claims (1)

1.一种衣物褶皱基线提取方法，其特征在于：依据对衣物模型网格的变形分析，进行褶皱基线的跟踪提取和光滑处理，并将褶皱曲线与褶皱区域进行融合，调整三维网格以得到最终的褶皱基线；

褶皱基线的跟踪提取和光滑处理，在展开的二维网格平面上选取合适的点作为一条褶皱基线的起始点，然后根据各个顶点的顶点拉伸张量追踪提取整条褶皱基线，对提取的褶皱基线进行光滑处理，形成光滑的褶皱曲线，具体步骤如下：

(2.1)在展开的二维网格平面上根据各个顶点的拉伸张量追踪提取褶皱基线；

(2.2)采用Laplacian光滑方法，对提取的褶皱基线进行光滑处理，形成光滑的褶皱曲线，对于折线L上的内部顶点p_i，做运算并计算p′_i＝p_i+λL(p_i)，0<λ<1,其中p′_i为p_i新的位置点坐标，所述p_i同时须满足为非边界上的顶点；

褶皱曲线与褶皱区域的融合，根据光滑后的褶皱曲线在二维平面上的坐标信息，计算其在三维网格的对应坐标，并把光滑后的褶皱基线嵌入到细化后的褶皱区域中去；具体步骤如下：

(3.1)获取光滑后褶皱曲线的三维坐标；

光滑的褶皱曲线上点的坐标为二维平面坐标，而细化后的褶皱区域为三维空间上的衣物网格区域；所以采用质心坐标的概念实现光滑后的褶皱曲线上点的二维坐标到三维坐标的映射；

(3.2)得到光滑后的褶皱曲线上顶点的三维坐标后，采用Delaunay三角网格化方法把曲线上的顶点嵌入褶皱区域网格中去，使其成为褶皱区域网格的一部分；

在开始褶皱基线跟踪前，首先将按照各个顶点的拉伸张量的特征值μ_i1从小到大的顺序对平面上所有的顶点进行排序，把所有的顶点按照特征值μ_i1的大小放入一个优先级队列，接下来将按照如下步骤进行褶皱基线的跟踪：

步骤一：选取队列里特征值μ_i1最小的点为种子起点A，即选为褶皱基线上的第一个顶点；将种子起点的邻接顶点中特征值μ_i1最小的顶点为褶皱基线上第二个顶点B，并计算这两个顶点间连线方向，接下来将根据这条连线上的方向进行，由于选取的头两个顶点的连线上有两个方向，分别沿着两个方向进行剩余的褶皱基线的跟踪，最后再将两个方向上的跟踪结果合并在一起；

步骤二：根据步骤一选定一个跟踪方向；

步骤三：定义当前顶点为这个方向上的褶皱基线的尾部顶点，其中点C为当前点，褶皱基线下一个顶点D的选择需要满足以下三个条件：

a.D为在当前顶点C的邻接顶点之一，并且其特征值μ_i1需要小于设定的阈值μ_thresh；

b.向量与向量之间的夹角不超过一定的阈值θ_thresh1；

c.向量与向量之间的夹角不超过一定的阈值θ_thresh2；

D为满足上述三个条件的所有顶点中特征值μ_i1最小的顶点。