基于物理的數(shù)據(jù)驅(qū)動幾何建模研究.pdf

1、當(dāng)今社會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，作為社會中的每個個體，其實也都在無時不刻地產(chǎn)生著數(shù)據(jù)，這就造就了當(dāng)下大數(shù)據(jù)的熱潮。但是在計算機圖形學(xué)領(lǐng)域，由于之前模型數(shù)據(jù)獲取相對較難、成本較高，大數(shù)據(jù)時代在這一領(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)實技術(shù)的

2、火熱發(fā)展，我們有充分的理由相信計算機圖形學(xué)領(lǐng)域的大數(shù)據(jù)時代很快將會到來，基于數(shù)據(jù)驅(qū)動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)展給計算機圖形學(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其直接處理，更不用說另外一些對數(shù)據(jù)要求較高的算法。因此，針對當(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，利用插值算法對人體模型的姿勢進行插值，得到姿勢之間的動作序列，在這些動作序列上進行衣物模擬，生成衣物的模型數(shù)據(jù)庫；基于對動作和與之對應(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，本文針對三維模型打印，通過理論分析并結(jié)合掃描采集的物體運動數(shù)據(jù)，綜合分析計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打印出具有不同物理屬性的目標(biāo)模型。
　　論文的創(chuàng)新點主要包括：
　　1.基于骨架的三維幾何模型距離場插值：三維模型插值技術(shù)在計算機動畫，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、成從一個幾何模型到另外一個幾何模型的平滑過渡。不過事實上，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模型之間的準(zhǔn)確對應(yīng)關(guān)系，而這是圖形學(xué)領(lǐng)域的一個難題。本章提出了一種基于三維模型骨架的模型距離場插值方法，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)動的快速衣物生成：衣物模擬也是圖形學(xué)領(lǐng)域的一

6、個重要研究方向，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)濟價值。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感與實時性之間的矛盾。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，根據(jù)用戶輸入的新的人體姿勢模型就可以快速驅(qū)動衣物形變，從而使形變后的衣物與輸入的人體姿勢相適應(yīng)。實驗結(jié)果表明，這種基于模

7、擬數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法可以達到交互性的要求，并且具有較好的真實感。
　　3.基于動態(tài)數(shù)據(jù)掃描和物理模擬驅(qū)動的三維模型打?。耗壳爸髁魅S打印機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)的實驗平臺，通過對現(xiàn)實物體運動軌跡的掃描和模擬追蹤，估算出現(xiàn)實物體所用材料的屬性