基于Top-down建模機制的三維虛擬人快速建模方法

李濤濤，方雄兵，林銳，陳捷捷

中國艦船研究設計中心，湖北武漢 430064

基于Top-down建模機制的三維虛擬人快速建模方法

李濤濤，方雄兵，林銳，陳捷捷

中國艦船研究設計中心，湖北武漢 430064

為滿足虛擬現實領域對不同角色三維虛擬人大量定制與快速建模的需要，系統性梳理虛擬人建模技術的研究現狀及不足，提出一種基于自頂向下（Top-down）建模機制的三維虛擬人快速建模方法。在頂層實現虛擬人模型層次結構框架設計的基礎上，逐級向下實現虛擬人模塊化表達與各模塊控制參變量設計，建立虛擬人各模塊的接口與映射約束關系，完成尺寸與紋理參變量的定義，并形成支持虛擬人Top-down快速建模實踐操作的標準化流程。最后，以中國籍船長角色的定制建模為例，進行Top-down建模機制下的虛擬人快速建模應用驗證。由建模過程的能效性以及建模結果的視覺效果分析可知，基于Top-down機制的三維虛擬人快速建模方法及標準化流程高效、可行，可為三維虛擬人幾何建模與紋理建模的實現提供新的建模思路與理念。

虛擬人；自頂向下；快速建模方法；模塊化；參數化

0 引 言

虛擬人［1］（Virtual human）是虛擬現實系統中的行為主體。視覺效果逼真的虛擬人角色對增強虛擬環境的生命力與真實感具有不可替代的重要作用。虛擬人建模主要包括三維建模、運動學建模及動力學建模，其中虛擬人三維模型主要由虛擬人的幾何表示與紋理映射表達2大部分組成，二者共同決定了所建立的虛擬人角色類型，是本文討論與研究的重點。虛擬人三維建模技術是計算機圖形學研究領域的重要分支［2］，隨著計算機圖形學和建模技術的飛速發展，衍生出了多種三維虛擬人建模方法，主要包括基于軟件的直接建模法、基于數據捕獲的模型重構法、基于標準虛擬人模板的參數化建模法，3種建模方法均可實現對虛擬人模型的構建，但其在應用范圍和可推廣性等方面仍然存在諸多的限制與不足。

對上述3種虛擬人角色建模原理與不足的具體表述如下：

1）基于軟件的直接建模方法［3］。借助通用的三維造型軟件（3DMAX，Maya等），采用自底向上的建模方法，通過對底層造型元素的編輯來創建人體幾何模型，之后繪制并添加人體各部分相應的UV貼圖，最終完成所需角色的制作。直接建模法需要大量繁重的底層布線工作，人體造型的真實感需要依賴3D建模師對軟件的熟練掌握程度和美術功底，建模周期長、個性化人體模型定制價格昂貴。

2）基于掃描數據捕獲的虛擬人建模。該方法主要包括人體圖片識別建模［4］與三維人體掃描建模［5］。前者從人體照片中獲取建模對象的外形輪廓，通過關鍵點對應，生成對應的人體模型。后者采用人體掃描儀器對真實的人體進行掃描，捕獲人體各部分三維位置信息數據，將數據處理后重構虛擬人模型。圖片識別建模法對照片的拍攝背景有著嚴格要求，并且其建立的模型有著相當的噪點；而三維人體掃描建模則存在掃描設備過于昂貴、專業性強、掃描數據處理難度大及冗余節點多等局限。

3）基于標準虛擬人模板的參數化建模。該方法是指程序員先在系統中建立一個基礎模型，然后將所建立基礎模型中的尺寸變量化，以此模型為基礎進行參數變換與控制而獲得新的人體模型［6-8］。目前所見的模板建模法以虛擬人臺的尺寸參數化建模為主，可以實現不同尺寸的人體模型構建，卻無法滿足不同角色虛擬人的臉部、服飾、映射紋理等多樣化建模的需求。

可以看出，雖然虛擬人的建模手段和水平取得了長足的進步，但要完成一個所需求的虛擬人模型，仍需進行大量的建模工作或專業的設備與技能，目前尚未找到一種高效、簡潔的虛擬人快速建模方法，由于虛擬人建模（尤其是臉部模型）需求的多樣性及建模工作的復雜性，虛擬人的角色建模至今仍是計算機圖形學領域最具挑戰性的研究課題。

在相關工作的基礎上，針對現有虛擬人建模技術的不足之處，本文擬提出一種基于自頂向下（Top-down）建模機制的三維虛擬人快速建模方法，即從頂層設計出發，將人體模塊化并將各模塊的尺寸與紋理進行變量參數化，構建多樣化的各模塊數據庫，通過模塊組合與變參建模，實現虛擬人的個性化快速建模。本文重點開展的自頂向下的人體模型層次結構將以自底向上虛擬人模型全模塊尺寸與紋理集成過程為基礎，來實現具有廣泛覆蓋范圍的模塊化與參數化幾何模型數據庫與紋理庫的構筑，二者之間相互支持。該建模思路高效、整潔、適應性強，可突破虛擬人建模領域的技術瓶頸。

1 多角色虛擬人Top-down快速建模方法

針對當前的虛擬人建模軟件或系統自底向上（Bottom-up）建模過程效率低下與操作專業性過強的問題，提出了基于模塊化與參數化的虛擬人Top-down快速建模方法。頂層實施人體建模層次結構設計、模塊分解及其對應的參變量設計，同時強調模塊間的接口定義與模型數據庫的自我更新功能，系統性地構建了一套具有高效、整潔特性的虛擬人Top-down快速建模方法。

1.1 人體模型自頂向下層次結構設計

在所提出的自頂向下的虛擬人建模方法中，實施虛擬人各模塊組合和參數化建模，該過程與機械設備的裝配過程較為類似。在文獻［9-10］所提出面向裝配的自頂向下裝配建模機制的相似點基礎上，考慮虛擬人模塊組合建模中的模塊劃分、尺寸及紋理參數調整等特有的個性化建模需求，為支持自頂向下的多角色虛擬人快速建模方法，提出將人體建模過程劃分為“總體層—模塊層—參數控制層”等逐級向下的層次結構，如圖1所示。其中，總體層為設計頂層，主要進行模塊接口及映射約束關系控制，其由模塊層快速組合而成，模塊層則由參數控制層來實現模塊的修改與變更。與常規的“總體層—參數控制層”兩層結構相比，增加模塊層，支持實現同一類型模塊（如頭部等）內部的不同模型替換，可極大地增強對多角色建模的適應程度。

圖1 支持自頂向下的人體模型層次結構Fig.1 Top-down human model hierarchical structure

在虛擬人的建模過程中，首先在總體層抽象出虛擬人的建模需求，然后進行模塊層的快速組合，實現總體模型呈現，最后通過變參處理，完成需求定制的虛擬人模型建立。采用自頂向下的建模方式，隨著建模層次逐級向下進行，對虛擬人模型的需求將得到進一步的細化與確認，并根據需要隨時予以調整，在保證建模品質的同時，縮短虛擬人的定制周期。

1.2 基于模塊化的虛擬人表達實現

為滿足頂層設計對模塊化組合建模的需要，進行虛擬人的模塊化表達實現研究。依據人體部位與服飾的需要進行人體模塊劃分，并梳理各模塊間的接口與映射約束關系。虛擬人的模塊劃分及模塊關系如圖2所示。

圖2 虛擬人模塊劃分及模塊關系Fig.2 Partition of virtual human module and relationship of each module

角色虛擬人是軀體與服飾兩部分綜合表述的結果。依據人體的自身器官組成，將軀體部分劃分為上肢、軀干、下肢與頭部4大模塊，依據人體穿衣需要，將服飾部分劃分為上衣、褲子、鞋子與帽子4大模塊。在明確虛擬人模塊劃分方式與組成類型的前提下，建立具有廣泛角色涵蓋面的各模塊模型數據庫。

在實現模塊劃分的基礎上，對模塊間的接口與映射約束關系進行梳理，以便于總體層實施全局性的約束關聯關系設計。軀干模塊分別與上肢模塊、下肢模塊、頭部模塊相連接，定義軀干模塊與三者之間的接口關系；服飾部分的上衣模塊映射到上肢與軀干模塊，褲子與鞋子映射到下肢模塊，帽子模塊映射到頭部模塊，建立映射對象依賴于被映射對象的尺寸約束關聯關系，即軀體部分的模塊尺寸變化驅動服飾部分映射模塊的尺寸變化。

1.3 虛擬人模塊的參數化控制設計

虛擬人模塊的參數化建模設計處于虛擬人Top-down建模方法的層次末端，是實現個性化定制虛擬人快速建模的快捷途徑。現有的虛擬人參數化建模過程以實現人體尺寸的參數化為主，尚未見到對于虛擬人角色紋理的參數控制設計［11］。為了最大限度地滿足虛擬人個性化定制需求，以虛擬人模塊為參數化的基本單元，從尺寸設計與紋理設計兩方面出發，通過合理設計各模塊的控制參變量，搭建了虛擬人全模塊尺寸與紋理［12］參數化控制設計的新模式。虛擬人各模塊參變量及關系設計如圖3所示。

圖3 虛擬人各模塊參變量及其關系圖Fig.3 Parameter variable of each virtual human module and its relationships

建立軀體部分各模塊的尺寸與紋理控制參變量。對決定虛擬人角色的頭部模塊進行參變量控制組設計，各參變量包含多項細致的子變量，通過子變量控制與設計實現需求頭部模型建立；依據服飾模塊與軀體模塊的映射約束關系，建立服飾模塊尺寸受軀體模塊尺寸約束的關聯關系，并為服飾模塊添加紋理設計變量。

2 標準化的虛擬人Top-down建模流程構建

為了便于實踐操作與應用，依據虛擬人Top-down快速建模方法，構建了逐級向下的虛擬人標準化Top-down快速建模流程，如圖4所示。

圖4 標準化的虛擬人Top-down快速建模流程Fig.4 Standardized top-down rapid modeling process of virtual human

下面對標準化的虛擬人建模流程進行詳細描述：

1）依據用戶對虛擬人角色的定制需求，對應分析并明確完成需求角色虛擬人建模對虛擬人各模塊在尺寸及外觀（紋理）方面的需求。

2）根據1）對虛擬人各模塊的需求分析結果，從現有的虛擬人模塊庫中，依次選擇最合適的虛擬人模塊，實現快速組合建模。

3）判斷所建立的虛擬人在尺寸及外觀（紋理）兩方面是否完全滿足定制需求，如果不滿足，跳至4），如果完全滿足，則跳至6）。

4）依據虛擬人定制需求，對于不滿足需求的虛擬人模塊進行參數化設計與修改，使其尺寸與外觀（紋理）完全滿足定制需求。

5）為提高后期建模過程中對需求模型的使用率，并降低重復建模工作量，將參數化修改后產生的虛擬人新模型，以模塊為單位反饋入庫，豐富虛擬人模型庫，以便于后續建模過程中可依據需要進行直接調用。

6）將虛擬人模型通過中間格式（.obj）導出至通用的虛擬現實軟件3DMAX中，至此，全部完成虛擬人模型的快速建立。

可以看出，與自底向上的建模方法相比，基于Top-down的快速建模方法與標準化流程為虛擬人幾何建模建立了一種全新、高效的設計模式。由于重用已有成熟的虛擬人設計方案，在新的虛擬人建模時利用虛擬人模塊庫中的內容作為原型，再進行一定的參數化設計即可滿足應用需求，極大地提高了人體模型建模速度，降低了人體模型建模成本，且具有廣泛的涵蓋面與普遍適用性。

3 應用驗證

為了檢驗Top-down快速建模方法與標準化建模流程的可行性及高效性，依據前述建立的虛擬人Top-down快速建模方法，在提前實現了虛擬人模塊間接口定義、模塊間映射約束關系、參變量設計以及多模塊數據庫構建的基礎上，以建立中國籍船長角色虛擬人模型的過程為例，進行應用性的虛擬人建模過程驗證。

3.1 虛擬人軀體模塊快速組合建模

1）選擇合適的人體軀干。

中國人為黃種人，且船長通常身體較為精壯，選擇的合適軀干如圖5（a）所示。

2）添加合適尺寸與外觀（紋理）的下肢。

在生成了人體軀干后，下肢模型庫自動出現在右側模塊選擇窗口中，單擊選擇合適的尺寸及外觀的下肢模塊，生成虛擬人下肢（圖5（b））。

3）生成合適尺寸與外觀（紋理）的上肢。

與下肢生成方式相同，為人體模型選擇合適尺寸與外觀的上肢，單擊選擇合適的上肢模型，完成士兵人體上肢模型添加，效果如圖5（c）所示。

4）生成模型的頭部。

從模型數據庫中挑選相符程度最高的男性角色的頭部模塊，后期根據角色設計需求實施參數化個性設計。至此，完成了標準化建模流程中虛擬人軀體模塊快速組合。

圖5 虛擬人軀體模塊化快速組合建模Fig.5 The process of rapid modeling of virtual human body with modularity method

3.2 虛擬人服飾模塊添加

服飾是決定虛擬人角色的重要因素，船長服飾主要包括制服型的上衣、長褲、軍帽與軍靴。從服飾模塊的模型數據庫中進行對比性選擇，進行服飾模塊的快速組合與添加。

由于在總體層已經完成了服飾模塊與軀體模塊的映射約束定義，因此，直接從各模塊的人體庫模型中選擇合適的服飾模塊，服飾模塊將會自動添加到人體的身上，并根據人體尺寸自適應性地調整服飾尺寸。依次完成符合要求的長褲、上衣、鞋子以及帽子模塊的添加，建模過程如圖6所示。

圖6 虛擬人服飾模塊化快速組合建模Fig.6 The process of rapid modeling of virtual human dress with modularity method

3.3 虛擬人模型模塊參數化設計

仔細觀察所選擇的虛擬人頭部模型，發現其面部特征中鼻梁高挺，頭發呈暗黃色，膚色較黃種人相比稍白，這些均不符合對中國籍船長角色的定位和定制需求，需要通過頭部模塊的參數化功能實現頭部模型的需求設計。

1）頭部尺寸參數化設計。

通過全局性協調頭部各尺寸控制變量組的參數數值，建立具有中國人面部特征的虛擬人頭部模型。如圖7（a）和圖7（b）所示，主要調節頭部寬度、鼻子與下顎尺寸等參數。

2）頭部外觀（紋理）參數化設計。

中國人的特征為黃色皮膚、黑頭發，對虛擬人皮膚及頭發的紋理參數進行調節，生成黃色皮膚、黑色頭發的外觀效果，如圖7（c）和圖7（d）所示，生成最終的中國籍船長虛擬人頭部模型。

圖7 虛擬人模型頭部模塊參數化設計Fig.7 The process of parameterization design of virtual human head model adjusting size and texture

3.4 模型數據傳遞

為使建立的角色虛擬人模型能在虛擬現實系統中得到良好的應用，將建立好的虛擬人模型導入通用虛擬現實軟件3DMAX中，依據在總體層實施的數據傳遞接口協議，通過.obj中間格式完成所建立的虛擬模型向3DMAX的數據傳遞［13］。

至此，完成了視覺效果逼真的中國船長角色虛擬人建模過程，在3DMAX平臺上實現數據傳遞導入后的虛擬人模型效果如圖8所示。

圖8 中國船長角色虛擬人3DMAX平臺效果圖Fig.8 Virtual human for the Chinese captain in 3DMAX

4 結 語

本文提出了一種面向個性化定制的角色虛擬人Top-down快速建模新方法。在建立了含有總體層、模塊層、參變量層這3層逐級向下的人體模型層次結構的基礎上，實施模塊細分、模塊接口關系與映射約束關系定義，完成虛擬人模塊化表達，進一步實現了對各模塊在尺寸變量與紋理變量2方面的控制設計，提供了一種高效、簡潔的虛擬人建模新思路，可以很好地滿足虛擬人個性化高級定制的快速建模需求。

同時，構建了面向虛擬人Top-down快速建模應用的標準化流程。為便于虛擬人Top-down建模方法的有效實施和應用，并指導具體的虛擬人建模操作，在頂層完成模塊接口定義與虛擬人模型模塊數據庫建立的基礎上，建立了面向虛擬人Top-down快速建模應用的標準化流程。該流程在實現虛擬人模型高效建立的同時，還提供了新模塊反饋入庫功能，可降低后續過程重復建模的工作量。

另外，為了驗證虛擬人Top-down快速建模方法與標準化建模流程的高效性、可行性，本文以計算機為設計和仿真平臺，以中國籍船長角色虛擬人的模型建立過程為例，進行了應用性的虛擬人建模過程驗證。從建模的效果來看，所建立的虛擬人視覺效果逼真；從建模的效率與成本來看，可在2小時內完成全部虛擬人建模工作，同目前市場上中國船長虛擬人定制為1萬元/個的價格與15天的建模周期相比，驗證了虛擬人Top-down快速建模方法的有效性和高效性。

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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

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.

virtual human；top-down；rapid modeling method；modularization；parameterization

U662.9

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2017.01.007

2015-09-01

2016-12-28 15:54

中國艦船研究設計中心研發基金項目（YF15-03-47，YFA14-03-41）

李濤濤（通信作者），男，1988年生，碩士，助理工程師。研究方向：虛擬設計及仿真。E-mail：taotaoliwhut@163.com方雄兵，男，1983年生，博士，工程師。研究方向：計算機圖形學。E-mail：fangxb2013@sina.cn

http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20161228.1554.026.html期刊網址：www.ship-research.com

李濤濤，方雄兵，林銳，等.基于Top-down建模機制的三維虛擬人快速建模方法［J］.中國艦船研究，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.