基于单视角图像的头发建模与仿真

作     者：周斌斌 

作者单位：杭州师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：潘志庚;张明敏

授予年度：2020年

学科分类：08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0802[工学-机械工程] 

主      题：头发仿真 弹簧质点模型 基于图像的头发建模 头发动态模拟 

摘      要：头发的建模与仿真因为数目过于繁多且造型多种,加上头发本身的质感,所以较难仿真。传统基于物理与几何构造头发的方式,需要复杂庞大的计算以及构造头发的各种参数。近几年基于单幅图片、基于多幅图片、基于视频的头发的建模方法开始发展,加上一些数据库,其最大的优点就是建模快。目前主要采用三维点的线条来表示头发的几何形状。而头发的建模与仿真会增加3D虚拟人的真实感,增加用户的体验感,所以头发的建模与仿真有着较广的应用前景和研究意义。本文研究单视角下的3D虚拟人的头发建模与仿真技术,针对建模过程中需人工手动干预、时间慢,仿真过程中弹力等问题,设计了一个基于单幅图像的头发建模与仿真系统,采用一种三维布条状来表示头发的几何形状。本文的主要研究内容包括头发建模、头发拟合、动态模拟和碰撞检测四部分。通过输入一张人的正面的图片,自动构建出与图像中相似的模型,通过进一步拟合,将选取的头发模型和头部模型连接,然后通过设置重力、摩擦力和碰撞检测等模拟动态的头发,并赋予相应的物理特性。模型尽可能的保留了图像显示的形象外观,可用于模拟常见的各种头发几何形状。具体研究内容包括:(1)采用了一种基于三维多布条状来表示头发几何形状,并且结合小型头发模型数据库的方法,更适合实时渲染。(2)头发类型分类。提出一个深度学习和传统分类相结合的头发属性全自动分类框架,能够从单幅图像中获取头发的形状,并从数据库中匹配相应的模型,以及头发纹理的分类。(3)头发模型拟合。为了确保输出高质量的头发模型网格,提出了多布条调整拟合优化算法,防止网格穿透的同时保证形状。(4)头发动态模拟。采用质点弹簧模型,主要涉及头发模型的各种受力分析、运动模拟、碰撞检测和超弹性现象问题等。实验结果表明,本文研究的基于单视角的头发建模与仿真方法,能够较为真实地构建出符合物理运动常识的人物头发模型,具有较好的应用拓展价值。