Chinese Journal of Ship Research
Top-down 基于 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430064中国舰船研究设计中心，湖北 武汉
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Top-down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 快速建模实践操Top-down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 建模机制下的虚拟人快速建模应Top-down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 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
0引言
1（Virtual human ［ ］虚拟人 ）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2拟人的几何表示与纹理映射表达 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3人模板的参数化建模法，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对上述 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UV的 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3D实感需要依赖 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。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。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 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。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Top-down的虚拟人 快速建模方法。
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— 1所参数控制层”等逐级向下的层次结构，如图示。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，
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。 在虚拟人的建模过程中，首先在总体层抽象出虚拟人的建模需求，然后进行模块层的快速组合，实现总体模型呈现，最后通过变参处理，完成需求定制的虚拟人模型建立。采用自顶向下的建模方式，随着建模层次逐级向下进行，对虚拟人模型的需求将得到进一步的细化与确认，并根据需要随时予以调整，在保证建模品质的同时，缩短虚拟人的定制周期。
1.2 基于模块化的虚拟人表达实现
为满足顶层设计对模块化组合建模的需要，进行虚拟人的模块化表达实现研究。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。虚拟人的模块划分2及模块关系如图 所示。 角色虚拟人是躯体与服饰两部分综合表述的结果。依据人体的自身器官组成，将躯体部分划4分为上肢、躯干、下肢与头部 大模块，依据人体穿衣需要，将服饰部分划分为上衣、裤子、鞋子与4帽子 大模块。在明确虚拟人模块划分方式与组成类型的前提下，建立具有广泛角色涵盖面的各模块模型数据库。在实现模块划分的基础上，对模块间的接口与映射约束关系进行梳理，以便于总体层实施全局性的约束关联关系设计。躯干模块分别与上肢模块、下肢模块、头部模块相连接，定义躯干模块与三者之间的接口关系；服饰部分的上衣模块映射到上肢与躯干模块，裤子与鞋子映射到下肢模块，帽子模块映射到头部模块，建立映射对象依赖于被映射对象的尺寸约束关联关系，即躯体部分的模块尺寸变化驱动服饰部分映射模块的尺寸变化。
1.3 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建模方法的层次末端，是实现个性化定制虚拟人快速建模的快捷途径。现有的虚拟人参数化建模过程以实现人体尺寸的参数化为主，尚未见到对于虚拟人角色纹理的参数控制设计［11］。为了最大限度地满足虚拟人个性化定制需求，以虚拟人模块为参数化的基本单元，从尺寸设计与纹理设计两方面出发，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［12］参数化控制设计的新模式。虚拟人各模块参变量及关3系设计如图 所示。
建立躯体部分各模块的尺寸与纹理控制参变量。对决定虚拟人角色的头部模块进行参变量控制组设计，各参变量包含多项细致的子变量，通过子变量控制与设计实现需求头部模型建立；依据服饰模块与躯体模块的映射约束关系，建立服饰模块尺寸受躯体模块尺寸约束的关联关系，并为服饰模块添加纹理设计变量。
2 标准化的虚拟人Top-down建模流程构建
为了便于实践操作与应用，依据虚拟人Top-down快速建模方法，构建了逐级向下的虚拟Top-down 4人标准化 快速建模流程，如图 所示。 下面对标准化的虚拟人建模流程进行详细描述： 1）依据用户对虚拟人角色的定制需求，对应分析并明确完成需求角色虚拟人建模对虚拟人各模块在尺寸及外观（纹理）方面的需求。2）根据1）对虚拟人各模块的需求分析结果，从现有的虚拟人模块库中，依次选择最合适的虚拟人模块，实现快速组合建模。3 ）判断所建立的虚拟人在尺寸及外观（纹理）两方面是否完全满足定制需求，如果不满足， 4），如果完全满足，则跳至6）。跳至 4）依据虚拟人定制需求，对于不满足需求的虚拟人模块进行参数化设计与修改，使其尺寸与外观（纹理）完全满足定制需求。5）为提高后期建模过程中对需求模型的使用率，并降低重复建模工作量，将参数化修改后产生的虚拟人新模型，以模块为单位反馈入库，丰富虚拟人模型库，以便于后续建模过程中可依据需要进行直接调用。6）将 式（.obj）导虚拟人模型通过中间格 出至3DMAX通用的虚拟现实软件 中，至此，全部完成虚拟人模型的快速建立。可以看出，与自底向上的建模方法相比，基于Top-down的快速建模方法与标准化流程为虚拟人几何建模建立了一种全新、高效的设计模式。由于重用已有成熟的虚拟人设计方案，在新的虚拟人建模时利用虚拟人模块库中的内容作为原型，再进行一定的参数化设计即可满足应用需求，极大地提高了人体模型建模速度，降低了人体模型建模成本，且具有广泛的涵盖面与普遍适用性。
3 应用验证
Top-down为了检验 快速建模方法与标准化建模流程的可行性及高效性，依据前述建立的虚Top-down拟人 快速建模方法，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，以建立中国籍船长角色虚拟人模型的过程为例，进行应用性的虚拟人建模过程验证。
3.1 虚拟人躯体模块快速组合建模
1）选择合适的人体躯干。中国人为黄种人，且船长通常身体较为精壮， 5（a）所示。选择的合适躯干如图2）添加合适尺寸与外观（纹理）的下肢。在生成了人体躯干后，下肢模型库自动出现在右侧模块选择窗口中，单击选择合适的尺寸及5（b））。外观的下肢模块，生成虚拟人下肢（图3）生成合适尺寸与外观（纹理）的上肢。与下肢生成方式相同，为人体模型选择合适尺寸与外观的上肢，单击选择合适的上肢模型，完5（c）所示。成士兵人体上肢模型添加，效果如图4）生成模型的头部。从模型数据库中挑选相符程度最高的男性角色的头部模块，后期根据角色设计需求实施参数化个性设计。至此，完成了标准化建模流程中虚拟人躯体模块快速组合。
3.2 虚拟人服饰模块添加
服饰是决定虚拟人角色的重要因素，船长服饰主要包括制服型的上衣、长裤、军帽与军靴。从服饰模块的模型数据库中进行对比性选择，进行服饰模块的快速组合与添加。由于在总体层已经完成了服饰模块与躯体模块的映射约束定义，因此，直接从各模块的人体库模型中选择合适的服饰模块，服饰模块将会自动添加到人体的身上，并根据人体尺寸自适应性地 调整服饰尺寸。依次完成符合要求的长裤、上衣、6鞋子以及帽子模块的添加，建模过程如图 所示。
3.3 虚拟人模型模块参数化设计
仔细观察所选择的虚拟人头部模型，发现其面部特征中鼻梁高挺，头发呈暗黄色，肤色较黄种人相比稍白，这些均不符合对中国籍船长角色的定位和定制需求，需要通过头部模块的参数化功能实现头部模型的需求设计。1）头部尺寸参数化设计。
通过全局性协调头部各尺寸控制变量组的参数数值，建立具有中国人面部特征的虚拟人头部7（a）和图 7（b）所模型。如图 示，主要调节头部宽度、鼻子与下颚尺寸等参数。2）头部外观（纹理）参数化设计。中国人的特征为黄色皮肤、黑头发，对虚拟人皮肤及头发的纹理参数进行调节，生成黄色皮肤、7（c 7（d）所黑色头发的外观效果，如图 ）和图 示，生成最终的中国籍船长虚拟人头部模型。
3.4 模型数据传递
为使建立的角色虚拟人模型能在虚拟现实系统中得到良好的应用，将建立好的虚拟人模型导3DMAX入通用虚拟现实软件 中，依据在总体层实施的数据传递接口协议，通过.obj中间格式完成所3DMAX的数据传递［13］。建立的虚拟模型向至此，完成了视觉效果逼真的中国船长角色3DMAX虚拟人建模过程，在 平台上实现数据传递8导入后的虚拟人模型效果如图 所示。
4结语
本文提出了一种面向个性化定制的角色虚拟Top-down人 快速建模新方法。在建立了含有总3体层、模块层、参变量层这 层逐级向下的人体模型层次结构的基础上，实施模块细分、模块接口关系与映射约束关系定义，完成虚拟人模块化表达，进一步实现了对各模块在尺寸变量与纹理变量2方面的控制设计，提供了一种高效、简洁的虚拟人建模新思路，可以很好地满足虚拟人个性化高级定制的快速建模需求。Top-down同时，构建了面向虚拟人 快速建模Top-down应用的标准化流程。为便于虚拟人 建模方法的有效实施和应用，并指导具体的虚拟人建模操作，在顶层完成模块接口定义与虚拟人模型模块数据库建立的基础上，建立了面向虚拟人Top-down快速建模应用的标准化流程。该流程在实现虚拟人模型高效建立的同时，还提供了新模块反馈入库功能，可降低后续过程重复建模的工作量。Top-down另外，为了验证虚拟人 快速建模方
法与标准化建模流程的高效性、可行性，本文以计算机为设计和仿真平台，以中国籍船长角色虚拟人的模型建立过程为例，进行了应用性的虚拟人建模过程验证。从建模的效果来看，所建立的虚拟人视觉效果逼真；从建模的效率与成本来看，可2在 小时内完成全部虚拟人建模工作，同目前市1万元/场上中国船长虚拟人定制为 个的价格与15 Top-down天的建模周期相比，验证了虚拟人 快速建模方法的有效性和高效性。
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