[发明专利]基于表面网格的快速毛发建模方法

说明书

技术领域

本发明涉及计算机动画的角色建模以及物理仿真领域，尤其涉及一种毛发对象的建模与仿真方法。

背景技术

毛发是体现角色个性的重要特征, 计算机动画及游戏等应用中的各类虚拟角色其毛发对象的建模是角色建模的关键步骤，一种准确高效方便易用的交互式毛发建模方法对于角色建模至关重要。但是，由于毛发极端复杂的几何结构与千变万化的风格效果，用户很难跳过繁琐抽象的交互手段直观控制最终的毛发形态，例如当前广泛采用的Maya、Blender等建模软件，虽然可借助梳理工具以及指导发丝等方法控制毛发外观，但仍无法直接预测到每一步操作对最终结果的影响。当前存在的各种毛发建模方法，用户通常需要较长的熟练过程才能够熟练掌握其使用技巧，这也正是至今仍没有任一毛发建模方法被业界广为接受的原因之一。

已有的毛发建模方法中，最为直观的是由用户通过某些方式直接指定最终的毛发形状。采用广义的圆柱体模型表示分簇的毛发集合，Chen（LH Chen, S Saeyor, H Dohi, M Ishizuka. A system of 3D hair style synthesis based on the wisp model. The Visual Computer. 1999, 15(4), 159-170）、Choe（B Choe, HS Ko. A statistical wisp model and pseudophysical approaches for interactive hairstyle generation. IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics. 2005, 160-170）等提出了各自的交互式毛发建模方法，允许用户以发束为单位控制最终毛发形态。在此基础上，Kim（TY Kim, U Neumann. Interactive multiresolution hair modeling and editing. ACM Transactions on Graphics (TOG). 2002, 21(3), 620-629）等通过层次化的圆柱结构来进行多分辨率的毛发建模。这些方法虽然允许直接控制毛发在各尺度上的形状，但由于需要指定所有发束位置，对较为复杂的毛发模型会使整过程十分繁杂而耗时。Yuksel（C Yuksel, S Schaefer, J Keyser. Hair meshes. ACM Transactions on Graphics (TOG). 2009, 28(5), 1-7）提出了利用表面网格指定毛发大致形态的方法，但是由于仅依靠网格结构并不足以确定对应的毛发模型，仍然需要大量的用户交互操作来辅助建模工作。

另一类方法则是基于某些物理规律模拟得到具体环境下具一定真实性的毛发形状。Anjyo（K Anjyo, Y Usami, T Kurihara. A simple method for extracting the natural beauty of hair. ACM SIGGRAPH Computer Graphics. 1992, 26(2), 111-120）利用悬梁臂模型来模拟重力下直发的静止形状。Hadap（S Hadap, N Magnenat-Thalmann. Modeling dynamic hair as a continuum. Computer Graphics Forum. 2001, 20(3), 329-338）通过放置流体出入口，使用流体运动形成的轨迹线来模拟静态的发型。Yu（Y Yu. Modeling realistic virtual hairstyles. Proceedings of the 9th Pacific Conference on Computer Graphics and Applications. 2001, 295-304）使用三维矢量场来表示一定空间范围内的发型，通过追踪矢量场来得到所有发丝的轨迹进而进行毛发的建模。这些方法虽然能够以较为方便的方式全局地模拟毛发结构，但是结果通常较为简单生硬，也无法直观控制毛发的最终形状。

由于现有的毛发建模方法或是需要大量繁琐的用户交互来达到所需毛发形态，或是仅可以自动得到简单且无法预测的建模结果，并且这些方法都仅仅针对毛发建模这个特例，难以重用其他的建模技巧，所以往往难以掌握与应用。而本发明将毛发建模与普遍的网格建模结合，能够很好地方便用户进行知识迁移并简化建模过程。

发明内容