人群仿真中角色紋理多樣化方法

鄭利平，張 娟，周乘龍，劉曉平

（合肥工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，安徽 合肥 230009）

人群仿真廣泛應(yīng)用于影視動(dòng)畫、教育培訓(xùn)、建筑設(shè)計(jì)、應(yīng)急管理、城市規(guī)劃等諸多領(lǐng)域，自然的多樣化人群是保障這些仿真應(yīng)用可信性和逼真性的關(guān)鍵。但是從目前的研究情況來看，群體動(dòng)畫中采用的角色太過單一，大量的人群僅僅是幾個(gè)角色外觀的簡(jiǎn)單重復(fù)，給人一種單調(diào)乏味的感覺[1]?，F(xiàn)有工作多數(shù)在個(gè)體體型、動(dòng)作、外觀等方面實(shí)現(xiàn)多樣化，生成與實(shí)際相符的自然人群。

本文主要關(guān)注人群紋理多樣化問題，目前工作主要從模型的衣著外觀、穿戴附件等方面來進(jìn)行研究[2]，使用較少的標(biāo)準(zhǔn)顏色要素通過組合的形式構(gòu)成多樣化的外觀。當(dāng)渲染一組包含少量個(gè)體的群體時(shí)，手工方法可使他們的外觀看起來不一樣，但如果一個(gè)應(yīng)用程序需要大量角色，手工難以為每個(gè)角色構(gòu)造不同紋理。此外，當(dāng)人群個(gè)體成千上萬時(shí)，紋理數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)代價(jià)也很大。因此，如何快速生成多樣化紋理將是十分有意義的問題。

在紋理貼圖處理方面，文獻(xiàn)[3]針對(duì)交互式三維建模過程中紋理貼圖的需要，給出了一種基于三角面片模型的二維紋理貼圖算法；范波和吳慧中[4]對(duì)多面體表面應(yīng)用參數(shù)化方法把紋理表示與物體表面聯(lián)系在一起，并有效地控制紋理如何置于多面體表面上，但是對(duì)于人物模型復(fù)雜的網(wǎng)格這種方法則不適用。在多樣化紋理研究方面，文獻(xiàn)[5]提出了一種基于編碼的大面積多樣化紋理生成方法，通過對(duì)源紋理圖定義編碼規(guī)則產(chǎn)生多個(gè)樣圖實(shí)例，在編碼約束下隨機(jī)無縫拼接成大面積的紋理貼圖并實(shí)現(xiàn)樣圖的多樣化。

Maim等[6]和de Heras等[7]以及文獻(xiàn)[8-10]均使用可編程圖形硬件GPU來避免多重通道渲染，通過alpha通道硬件加速調(diào)節(jié)身體各個(gè)部分的顏色；文獻(xiàn)[11]中每個(gè)模型都有一個(gè)紋理貼圖，包括皮膚，頭發(fā)以及衣服，創(chuàng)建alpha映射，用唯一的灰度值編碼每個(gè)區(qū)域，在運(yùn)行時(shí)這些灰度值可以作為映射貼圖的索引，存儲(chǔ)對(duì)每個(gè)貼圖各個(gè)區(qū)域的HSV/HSB顏色調(diào)制結(jié)果，從而產(chǎn)生外觀多樣的紋理貼圖；Thalmann等[12]主要通過帽子眼鏡等附件和紋理顏色混合實(shí)現(xiàn)克隆人的外觀多樣化，從而使人群看起來有差異。

本文實(shí)現(xiàn)多樣化群體外觀的思路是，首先，需要一個(gè)或者幾個(gè)角色模型模板；其次，為每個(gè)模板展UV獲得UV展開圖作為紋理模板；最后，利用圖像分割方法處理UV展開圖得到紋理的衣飾語義信息，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)紋理圖像的純色著色和圖案填充。本文較其他方法較好地解決了虛擬角色制作效率問題，快速生成視覺上合理的大規(guī)模人群且操作流程簡(jiǎn)單只需要模板和圖案的輸入，就可以使人群角色獲得多樣化外觀。

1 模型的UV拆分

UV是駐留在多邊形網(wǎng)格頂點(diǎn)上的二維紋理坐標(biāo)點(diǎn)，它們定義了一個(gè)二維紋理坐標(biāo)系統(tǒng)，稱為UV紋理空間。本質(zhì)上，UV提供了一種模型表面與紋理圖像之間的連接關(guān)系，UV負(fù)責(zé)確定紋理圖像上的一個(gè)點(diǎn)（像素）應(yīng)該放置在模型表面的哪一個(gè)頂點(diǎn)上，由此可將整個(gè)紋理都鋪蓋到模型上。

在三維動(dòng)畫角色制作中，角色模型創(chuàng)建完成后的一個(gè)任務(wù)就是展UV了。如果單獨(dú)利用Maya和3dmax 自帶的UV 編輯工具則實(shí)現(xiàn)起來比較繁瑣，UVLayout就是一款簡(jiǎn)單實(shí)用的工具，UV拆分操作過程如圖1流程所示，經(jīng)過切割后的模型如圖2(a)所示，切割后得到的UV展開圖，如圖2(b)所示。

圖1 UV展開流程圖

圖2 分割結(jié)果

2 紋理多樣化填充

對(duì)于制作好的UV展開圖，希望給其附上不同的顏色和圖案，從而生成不同的紋理貼圖，繼而實(shí)現(xiàn)模型紋理多樣化。為此首先采用基于圖的圖像分割算法對(duì)紋理模板進(jìn)行分割處理，得到紋理的衣服服飾語義信息，然后自動(dòng)對(duì)各部分設(shè)置顏色和紋理貼圖。

圖3為采用文獻(xiàn)[13]所提供的圖像分割算法分段著色后效果，(a)圖輸入?yún)?shù)為sigma=0.3,k=1000, Min=100；(b)圖輸入?yún)?shù)為sigma=0.8,k=1000, Min=150。其中，sigma,k, Min為程序中設(shè)置的3個(gè)輸入?yún)?shù)。sigma參數(shù)是對(duì)輸入的圖像在分段處理前利用高斯濾波器輕微的平滑圖像，目的是補(bǔ)償數(shù)字化產(chǎn)生的噪聲。一般將高斯濾波器的sigma=0.8，這樣就不會(huì)產(chǎn)生視覺上的改變，同時(shí)又可以消除噪聲。k是一個(gè)常數(shù)值，它取決于處理的圖像的大小，這樣較大的k就傾向于較大的區(qū)域。Min為允許的最小區(qū)域，允許的最小區(qū)域?qū)Ψ指钏惴ū旧硎菬o意義的，主要用于后續(xù)區(qū)域合并。

圖3 不同輸入?yún)?shù)的分割效果

上述圖3中，程序?qū)崿F(xiàn)了給所給定圖像分段著色，給分段的每個(gè)區(qū)域分配不同的顏色。仔細(xì)觀察圖3(a)和3(b)不難發(fā)現(xiàn)：上衣被分為前后兩部分，褲子也是如此。在現(xiàn)實(shí)生活中，通常上衣（褲子）的前后是一種顏色，但是圖中的效果卻與實(shí)際不相符，因而需對(duì)程序做相應(yīng)的處理。

在程序中對(duì)上述分段后的圖像設(shè)置標(biāo)志位，來區(qū)分不同塊（如衣服塊、褲子塊等其他部分），對(duì)于標(biāo)志位相同的部分，認(rèn)為是同一塊（比如圖中上衣的正反兩面，可以允許它們分布在圖中的不同位置），然后取其特征點(diǎn)賦予相同的RGB值，這樣就保持了衣服（或者褲子）正反兩面顏色的一致性，對(duì)于標(biāo)志位不同的部分認(rèn)為是不同的部分（比如一個(gè)是上衣一個(gè)是褲子），則對(duì)其賦予不同的顏色值，由此可以實(shí)現(xiàn)不同塊之間的區(qū)分，并可簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)純色的填充，如圖4所示。

在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步要實(shí)現(xiàn)圖案的填充，即能夠針對(duì)UV展開圖在衣服和褲子上貼上重復(fù)條紋，模擬簡(jiǎn)單的衣服紋理。方法是獲取UV展開圖中褲子和上衣正反兩面的紋理坐標(biāo)，采取一一映射的方式貼上紋理，得到的效果如下圖5(b)。將圖(b)貼到三維模型上后不難發(fā)現(xiàn)下身褲子的紋理產(chǎn)生了錯(cuò)位。為了人物模型的美觀，在程序中進(jìn)行以下處理：考慮到只有褲子部分的紋理有錯(cuò)位，所以進(jìn)行二次紋理處理，首先貼上上衣的紋理；由于褲子具備對(duì)稱性，故利用中軸算法計(jì)算出褲子的一邊與水平方向的夾角，在程序中相應(yīng)旋轉(zhuǎn)紋理圖片的角度，圖5(a)為矯正示意圖，圖中A、B 兩點(diǎn)是經(jīng)過中軸算法得到的中軸線上的兩端點(diǎn)，由此產(chǎn)生角度90-angle就是褲子偏移水平方向的夾角，這樣分步處理后就得到了比較合理的效果，圖5(c)為矯正后效果圖，將紋理貼圖對(duì)應(yīng)到模型上效果如圖6所示。其中左邊模型褲子紋理為未矯正的效果，右邊模型褲子紋理為矯正之后的效果。

具體矯正實(shí)現(xiàn)過程偽代碼如下：

圖4 純色貼圖效果

圖5 圖案貼圖效果

圖6 對(duì)褲子貼圖矯正前后模型顯示效果（左為矯正前紋理效果，右為矯正后紋理效果）

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

本文的實(shí)驗(yàn)環(huán)境為64位Windows 7操作系統(tǒng)，主機(jī)CPU為Intel Core四核Q8400 2.66GHz，內(nèi)存6G，程序運(yùn)行環(huán)境為Visual Studio 2008，采用OpenGL作為顯示和交互平臺(tái)。

論文實(shí)現(xiàn)了模型多樣化紋理，并給出實(shí)驗(yàn)生成結(jié)果。圖7為程序?qū)崿F(xiàn)同一模型生成2套紋理衣服，一套為重復(fù)條紋，一套為純色紋理，從而實(shí)現(xiàn)模型紋理多樣化；圖8利用開源模型庫Hasler等[14]并用其提供的變形方法為模型變形后依然可以應(yīng)用程序生成的紋理貼圖，圖中中間的為原始模型，其身高是190cm，體重70kg；左邊為模型身高變?yōu)?50cm，體重變?yōu)?0kg效果；右邊為模型身高變?yōu)?70cm，體重60kg效果，此方法為多樣化模型外觀處理提供了思路。由于本文方法采用的是紋理坐標(biāo)一一映射的方式進(jìn)行紋理貼圖，所以針對(duì)人物模型的不同體態(tài)仍然可以使用而無需更改程序。圖9為應(yīng)用本文的方法，實(shí)現(xiàn)20人的群體隨機(jī)純色外觀多樣化；圖10為模擬20人的群體紋理多樣化，應(yīng)用了15個(gè)格子圖案模板和5個(gè)非格子圖案模板；圖11(a)為100個(gè)人群場(chǎng)景模擬，其外觀采用圖案和純色兩種方式隨機(jī)生成，圖11(b)為放大的人群外觀圖。

圖7 同一模型不同紋理效果圖

圖8 模型變形前后紋理貼圖

圖9 群體模型衣服顏色多樣化

圖10 群體模型衣服圖案多樣化

圖11 100個(gè)人群效果

4 論文總結(jié)

人群仿真中角色模型的多樣化能營造出符合實(shí)際的效果。通過模型紋理處理技術(shù)來加強(qiáng)人群仿真中的人物外觀多樣化，是解決仿真場(chǎng)景中三維模型外觀差異性的有效手段。本文提出一種基于模板的紋理多樣化生成方法，首先給不帶紋理坐標(biāo)的網(wǎng)格模型展UV后作為紋理模板，然后利用基于圖像分割方法處理UV展開圖得到紋理的衣飾語義信息，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)紋理圖像的純色著色和圖案填充，從而生成各種不同的紋理，實(shí)現(xiàn)人群仿真的角色多樣化。所提方法實(shí)用可行，較好地解決了虛擬角色制作效率問題，快速生成視覺上合理的大規(guī)模人群。實(shí)驗(yàn)結(jié)果大體讓人滿意，但有些邊界處理問題有待改進(jìn)。今后將繼續(xù)改進(jìn)算法，實(shí)現(xiàn)分割效果更加精確，紋理映射更加多樣的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)平臺(tái)。

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