基于Top-down 建模机制的三维虚拟人快速建模方法

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中国舰船研究
第 12 卷
模块层则由参数控制层来实现模块的修改与变 更。与常规的“总体层—参数控制层”两层结构相 比 ，增 加 模 块 层 ，支 持 实 现 同 一 类 型 模 块（如 头 部 等）内 部 的 不 同 模 型 替 换 ，可 极 大 地 增 强 对 多 角 色建模的适应程度。
收稿日期：2015 - 09- 01
第1期
李涛涛等：基于 Top-down 建模机制的三维虚拟人快速建模方法
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0引言
虚 拟 人［1］（Virtual human）是 虚 拟 现 实 系 统 中 的行为主体。视觉效果逼真的虚拟人角色对增强 虚拟环境的生命力与真实感具有不可替代的重要 作 用 。 虚 拟 人 建 模 主 要 包 括 三 维 建 模 、运 动 学 建 模 及 动 力 学 建 模 ，其 中 虚 拟 人 三 维 模 型 主 要 由 虚 拟人的几何表示与纹理映射表达 2 大部分组成， 二 者 共 同 决 定 了 所 建 立 的 虚 拟 人 角 色 类 型 ，是 本 文讨论与研究的重点。虚拟人三维建模技术是计 算 机 图 形 学 研 究 领 域 的 重 要 分 支［2］，随 着 计 算 机 图 形 学 和 建 模 技 术 的 飞 速 发 展 ，衍 生 出 了 多 种 三 维 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 ，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 和 可 推 广 性等方面仍然存在诸多的限制与不足。
3）基 于 标 准 虚 拟 人 模 板 的 参 数 化 建 模 。 该 方法是指程序员先在系统中建立一个基础模型， 然 后 将 所 建 立 基 础 模 型 中 的 尺 寸 变 量 化 ，以 此 模 型为基础进行参数变换与控制而获得新的人体模 型 。 ［6-8］ 目 前 所 见 的 模 板 建 模 法 以 虚 拟 人 台 的 尺 寸 参 数 化 建 模 为 主 ，可 以 实 现 不 同 尺 寸 的 人 体 模 型 构 建 ，却 无 法 满 足 不 同 角 色 虚 拟 人 的 脸 部 、服
2）基 于 扫 描 数 据 捕 获 的 虚 拟 人 建 模 。 该 方 法 主 要 包 括 人 体 图 片 识 别 建 模［4］与 三 维 人 体 扫 描 建 模［5］。 前 者 从 人 体 照 片 中 获 取 建 模 对 象 的 外 形 轮廓，通过关键点对应，生成对应的人体模型。后 者 采 用 人 体 扫 描 仪 器 对 真 实 的 人 体 进 行 扫 描 ，捕 获 人 体 各 部 分 三 维 位 置 信 息 数 据 ，将 数 据 处 理 后 重构虚拟人模型。图片识别建模法对照片的拍摄 背 景 有 着 严 格 要 求 ，并 且 其 建 立 的 模 型 有 着 相 当 的 噪 点 ；而 三 维 人 体 扫 描 建 模 则 存 在 扫 描 设 备 过 于昂贵、专业性强、扫描数据处理难度大及冗余节 点多等局限。
饰、映射纹理等多样化建模的需求。 可 以 看 出 ，虽 然 虚 拟 人 的 建 模 手 段 和 水 平 取
得 了 长 足 的 进 步 ，但 要 完 成 一 个 所 需 求 的 虚 拟 人 模 型 ，仍 需 进 行 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挑战性的研 究课题。
拟人模型层次结构框架设计的基础上，逐级向下实现虚拟人模块化表达与各模块控制参变量设计，建立虚拟人
各模块的接口与映射约束关系，完成尺寸与纹理参变量的定义，并形成支持虚拟人 Top-down 快速建模实践操
作的标准化流程。最后，以中国籍船长角色的定制建模为例，进行 Top-down 建模机制下的虚拟人快速建模应
第 12 卷 第 1 期 2017 年 2 月
中国舰船研究 Chi中nese国Journ舰al of船Ship研Res究earch
Vol.12 No.1 Fe第b. 1220卷17
引用格式：李涛涛，方雄兵，林锐，等. 基于 Top-down 建模机制的三维虚拟人快速建模方法［J］. 中国舰船研究，2017，12 （1）：38-44. LI T T，FANG X B，LIN R，et al. 3D virtual human rapid modeling method based on top-down modeling mechanism［J］. Chinese Journal of Ship Research，2017，12（1）：38-44.
基于 Top-down 建模机制的三维虚拟人 快速建模方法
李涛涛，方雄兵，林锐，陈捷捷
中国舰船研究设计中心，湖北 武汉 430064
摘 要：为满足虚拟现实领域对不同角色三维虚拟人大量定制与快速建模的需要，系统性梳理虚拟人建模技术
的研究现状及不足，提出一种基于自顶向下（Top-down）建模机制的三维虚拟人快速建模方法。在顶层实现虚
在 相 关 工 作 的 基 础 上 ，针 对 现 有 虚 拟 人 建 模 技 术 的 不 足 之 处 ，本 文 拟 提 出 一 种 基 于 自 顶 向 下 （Top-down）建 模 机 制 的 三 维 虚 拟 人 快 速 建 模 方 法，即从顶层设计出发，将人体模块化并将各模块 的 尺 寸 与 纹 理 进 行 变 量 参 数 化 ，构 建 多 样 化 的 各 模块数据库，通过模块组合与变参建模，实现虚拟 人的个性化快速建模。本文重点开展的自顶向下 的人体模型层次结构将以自底向上虚拟人模型 全 模 块 尺 寸 与 纹 理 集 成 过 程 为 基 础 ，来 实 现 具 有 广泛覆盖范围的模块化与参数化几何模型数据库 与 纹 理 库 的 构 筑 ，二 者 之 间 相 互 支 持 。 该 建 模 思 路高效、整 洁 、适 应 性 强 ，可 突 破 虚 拟 人 建 模 领 域的技术瓶颈。
1 多角色虚拟人 Top-down 快速建 模方法
针对当前的虚拟人建模软件或系统自底向上 （Bottom-up）建 模 过 程 效 率 低 下 与 操 作 专 业 性 过 强 的 问 题 ，提 出 了 基 于 模 块 化 与 参 数 化 的 虚 拟 人 Top-down 快速建模方法。顶层实施人体建模层 次结构设计、模块分解及其对应的参变量设计，同 时强调模块间的接口定义与模型数据库的自我更 新功能，系统性地构建了一套具有高效、整洁特性 的虚拟人 Top-down 快速建模方法。
对上述 3 种虚拟人角色建模原理与不足的具 体表述如下：
1）基于软件的直接建模方法［3］。借助通用的 三维造型软件（3DMAX，Maya 等），采用自底向上 的 建 模 方 法 ，通 过 对 底 层 造 型 元 素 的 编 辑 来 创 建 人 体 几 何 模 型 ，之 后 绘 制 并 添 加 人 体 各 部 分 相 应 的 UV 贴图，最终完成所需角色的制作。直接建模 法 需 要 大 量 繁 重 的 底 层 布 线 工 作 ，人 体 造 型 的 真 实感需要依赖 3D 建模师对软件的熟练掌握程度 和美术功底，建模周期长、个性化人体模型定制价 格昂贵。
1.1 人体模型自顶向下层次结构设计
在所提出的自顶向下的虚拟人建模方法中， 实 施 虚 拟 人 各 模 块 组 合 和 参 数 化 建 模 ，该 过 程 与 机械设备的装配过程较为类似。在文献［9-10］所 提出面向装配的自顶向下装配建模机制的相似点 基础上，考虑虚拟人模块组合建模中的模块划分、 尺寸及纹理参数调整等特有的个性化建模需求， 为支持自顶向下的多角色虚拟人快速建模方法， 提 出 将 人 体 建 模 过 程 划 分 为“ 总 体 层 — 模 块 层 — 参 数 控 制 层 ”等 逐 级 向 下 的 层 次 结 构 ，如 图 1 所 示。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，
3D virtual human rapid modeling method based on top-down modeling mechanism
LI Taotao，FANG Xiongbing，LIN Rui，CHEN Jiejie China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China
用验证。由建模过程的能效性以及建模结果的视觉效果分析可知，基于 Top-down 机制的三维虚拟人快速建模
方法及标准化流程高效、可行，可为三维虚拟人几何建模与纹理建模的实现提供新的建模思路与理念。
关键词：虚拟人；自顶向下；快速建模方法；模块化；参数化
中图分类号：U662.9

文献标志码：A
DOI：10.3969/j.issn.1673-3185.2017.01.007
Abstract：Aiming to satisfy the vast custom-made character demand of 3D virtual human and the rapid modeling in the field of 3D virtual reality, a new virtual human top-down rapid modeling method is put for⁃ ward in this paper based on the systematic analysis of the current situation and shortage of the virtual hu⁃ man modeling technology. After the top-level realization of virtual human hierarchical structure frame de⁃ sign, modular expression of the virtual human and parameter design for each module is achieved gradu⁃ al-level downwards. While the relationship of connectors and mapping restraints among different modules is established, the definition of the size and texture parameter is also completed. Standardized process is meanwhile produced to support and adapt the virtual human top-down rapid modeling practice operation. Finally, the modeling application, which takes a Chinese captain character as an example, is carried out to validate the virtual human rapid modeling method based on top-down modeling mechanism. The result demonstrates high modelling efficiency and provides one new concept for 3D virtual human geometric mod⁃ eling and texture modeling. Key words：virtual human；top-down；rapid modeling method；modularization；parameterization