[发明专利]一种适用于头发和物体碰撞的实时运动仿真方法

权利要求书

1.一种实时头发物体碰撞运动仿真的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)简化模型的预计算生成：对目标头发模型基于离线运动仿真数据选取代表发丝，并计算所有的基于代表发丝蒙皮插值的简化模型；该步骤包括如下子步骤：

(1.1)根据目标头发模型录制训练头部运动序列T_f，基于录制的训练头部运动序列T_f，使用通用的头发运动仿真技术对目标头发模型进行离线的运动仿真，并进行对齐，得到目标头发模型的训练运动仿真数据H_f；

(1.2)利用步骤(1.1)中得到的目标头发模型的训练运动仿真数据H_f，使用稀疏编码方法优化得到一组稀疏基M以及线性组合系数α，使得这些稀疏基通过线性组合可以近似且稀疏地重构训练运动仿真数据H_f，并从目标头发模型中选取同样数量的代表发丝G拟合这些稀疏基，并对目标头发模型的每一个发丝s在目标头发模型的所有代表发丝G中选取其影响代表发丝G_s；

(1.3)利用步骤(1.1)中得到的目标头发模型的训练运动仿真数据H_f，步骤(1.2)中得到的目标头发模型的代表发丝G以及目标头发模型中每个发丝的影响代表发丝G_s，通过G_s的不同组合来构建目标头发模型中每个发丝s的所有简化模型m，每个简化模型使用G_s中的部分代表发丝G_s^m，通过G_s^m的蒙皮插值来重构发丝；使用蒙皮权值优化方法计算每个简化模型的蒙皮插值权值w_g→s，使得使用此权值进行重构得到的发丝最近似拟合目标头发模型的训练运动仿真数据H_f；

(2)实时运动仿真与插值：实时进行步骤(1)代表发丝的运动仿真，并选取步骤(1)中符合场景物体碰撞情况的简化模型，插值得到目标头发模型的所有发丝；

(3)碰撞修正：对步骤(2)的目标头发模型的所有发丝进行碰撞检测，并通过双向修正的方式将碰撞修正作用在步骤(1)的代表发丝上以此修正目标头发模型，得到修正后的目标头发模型的所有发丝。

2.根据权利要求1所述的实时头发物体碰撞运动仿真方法，其特征在于，所述步骤(2)包括如下子步骤：

(2.1)对步骤(1.2)得到的目标头发模型的代表发丝G利用质量弹簧模型进行实时的运动仿真，同时考虑外力，与场景物体的碰撞以及自身发丝间的作用，得到代表发丝运动仿真结果G_t；

(2.2)基于步骤(2.1)得到的目标头发模型的代表发丝运动仿真结果G_t，计算任一对代表发丝(i,j)之间的包括位置与速度在内的运动相似度d(i,j)，并检测两者相连路径上与场景中物体的碰撞情况，基于这些结果得到代表发丝之间的运动一致性，并以此对代表发丝进行聚类，使得每一个聚类内的代表发丝之间均符合运动一致性；

(2.3)基于步骤(2.2)得到的代表发丝聚类，对目标头发模型的每个发丝，从步骤(1.3)得到的其所有简化模型中选取符合代表发丝聚类，并与当前简化模型最为接近的一个简化模型m_t；

(2.4)基于步骤(2.3)得到的目标头发模型的每个发丝选取的简化模型m_t，按照步骤(1.3)中计算得到的影响代表发丝G_s^m以及插值蒙皮权值w_g→s使用步骤(2.1)得到的代表发丝运动仿真结果进行插值得到该发丝的当前位置，从而得到目标头发模型的当前形态H_t。

3.根据权利要求2所述的实时头发物体碰撞运动仿真方法，其特征在于，所述步骤(3)包括如下子步骤：

(3.1)对步骤(2.4)得到的目标头发模型的当前形态H_t，对其每个发丝的当前位置与场景物体进行碰撞检测，并计算其碰撞修正力I_s(i)，包括其大小与方向；

(3.2)将步骤(3.1)得到的目标头发模型的每个发丝粒子的碰撞修正力I_s(i)，根据步骤(2.3)选取的该发丝当前的简化模型m_t中的蒙皮插值权值w_g→s，投影至步骤(1.2)得到的目标头发模型的代表发丝G上，优化得到每个代表发丝的碰撞修正力使得其通过当前简化模型的插值结果与原碰撞修正力I_s(i)相似；

(3.3)使用步骤(3.2)投影到目标头发模型的代表发丝G上的碰撞修正力作用于其运动仿真过程中，使得修正后的代表发丝根据步骤(2.3)选取的该发丝当前的简化模型进行插值后的新目标头发模型H_t^*与场景物体的碰撞情况得到缓解。