【独家推荐】遇见虚拟世界中的另一个自己:虚拟人快速建模

 

莎士比亚在《仲夏夜之梦》中曾经写道：想象的东西往往是虚无缥缈的，但在诗人的笔下，它们可以有形、有固有的实质。



仲夏夜之梦

如今虚拟现实时代的到来，让这一切想象变得触手可及。你是否也曾脑洞大开，觉得世界上一定还有另外一个自己？在虚拟人快速建模这篇论文里，你可以遇见另外一个自己。

虚拟人（Virtual Human）是虚拟现实世界中的行为主体，视觉效果逼真的虚拟人角色对增强虚拟环境的真实感具有不可替代的重要作用。

中国舰船研究设计中心李涛涛的虚拟现实研究团队，在实施顶层规划的前提下，通过提出的虚拟人Top-Down快速建模机制，实现虚拟人模块化划分、尺寸及纹理参数化建模系统的构建。经应用验证，可在2小时内完成一个虚拟人定制建模任务，远高于现有的15天。所建立的虚拟人可支持各类虚拟现实系统，具有良好的推广及应用价值。
船长角色虚拟人效果图

李涛涛, 方雄兵, 林锐, 陈捷捷

中国舰船研究, 2017,12(1): 38-44

论文背景

传统的虚拟人角色定制设计主要依赖于虚拟建模软件，如3Ds max、Maya，该方法构建的虚拟人模型定制性好，能全方位满足用户对虚拟人角色模型的需求，但是其对设计人员的软件操作水平、设计经验、美工能力要求较高，存在设计周期长、成本高等不足。

国内外相关学者也基于人体扫描法、模板虚拟人参数化建模法等开展了虚拟人快速建模的研究工作，但由于扫描硬件设备昂贵、后期数据处理工作量大、虚拟人定制性差等问题，无法大范围应用推广。

虚拟人建模技术是计算机图形学研究领域的重要分支。当前，虚拟人建模方法主要包括基于软件的直接建模法、基于数据捕获的模型重构法、基于标准虚拟人模板的参数化建模法。这3种建模方法均可实现对虚拟人模型的构建，但其在应用范围、可推广性等方面仍然存在诸多的限制与不足。

当前，完成定制化虚拟人模型建立，仍需要大量的建模工作或专业的设备与技能，目前尚未找到一种高效、简洁的虚拟人快速建模方法。由于虚拟人建模（尤其是脸部模型）需求的多样性及建模工作的复杂性，虚拟人的角色建模至今仍是计算机图形学领域最具有挑战性的研究课题之一。

论文主要内容

本文系统地梳理了虚拟人建模技术的研究现状及不足，提出一套面向角色设计的虚拟人Top-Down快速建模机制。在顶层实现虚拟人模型层次结构框架设计的基础上，逐级向下实施虚拟人模块化表达实现与各模块控制参变量设计，并形成支持虚拟人Top-Down快速建模实践操作的标准化流程，为设计人员提供了一种高效、可行的虚拟人快速建模思路。

 

一、多角色虚拟人Top-Down快速建模机制

提出将人体建模过程划分为“总体层—模块层—参数控制层”逐级向下的层次结构。其中，总体层为设计顶层，主要进行模块接口及映射约束关系控制，其由模块层快速组合而成，模块层由参数控制层来实现模块的修改与变更。



图  支持自顶向下的人体模型层次结构二、基于模块化的虚拟人表达实现

为满足顶层设计对模型模块化组合建模的需要，研究虚拟人的模块化表达实现。依据人体部位与服饰的需要进行人体模块划分，并梳理各模块间的接口与映射约束关系。



图 虚拟人模块划分及模块关系三、虚拟人模块的参数化控制设计

虚拟人模块的参数化建模设计处于虚拟人Top-Down建模机制的层次末端，是实现个性化定制虚拟人快速建模的快捷途径。通过合理设计各模块的控制参变量，搭建了虚拟人全模块尺寸与纹理参数化控制设计的新模式。



图 虚拟人各模块参变量及其关系图

四、标准化的虚拟人Top-Down建模流程构建

为了便于指导实践的操作与应用，依据虚拟人Top-Down快速建模机制，构建了逐级向下的虚拟人标准化Top-Down快速建模流程。



图 标准化的虚拟人Top-Down快速建模流程

五、应用验证

为了检验构建的虚拟人Top-Down快速建模机制与标准化建模流程的可行性与高效性，依据前述建立的虚拟人Top-Down快速建模机制，在提前实现了虚拟人模块间接口定义、模块间映射约束关系、参变量设计以及多模块数据库构建的基础上，以中国籍船长角色的虚拟人模型的建立过程为例，完成了应用性的虚拟人建模过程验证。


图 虚拟人模型头部模块参数化设计

作者简介

李涛涛，1988年生，2014年获武汉理工大学工学硕士学位，毕业至今在中国舰船研究设计中心工作，从事虚拟仿真技术与数字化设计。获软件著作权2项；以第一作者发表论文12篇，其中EI检索4篇。方雄兵，1983年生，2012年获得华中科技大学计算机应用技术专业工学博士学位，毕业至今在中国舰船研究设计中心工作，主要研究兴趣为计算机图形学、计算机辅助几何设计和船舶数字化设计。近8年来，发表论文20余篇，其中SCI/EI检索8篇；取得软件著作权6项。

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