一種基于靜態(tài)超螺旋模型頭發(fā)造型建模方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及虛擬人的模擬技術領域，具體涉及一種基于靜態(tài)超螺旋模型頭發(fā)造型 建模方法。
【背景技術】
[0002] 現有技術中，在圖形學和虛擬人模擬領域，對頭發(fā)的模擬一直是一個很有挑戰(zhàn)性 的物理和計算繪制上的難題。頭發(fā)作為卡通人物最主要的視覺元素之一，改變發(fā)型，可以完 全改變一個任務的外觀和形象。同時，卡通人物的頭發(fā)往往還蘊含著人物的個性和情緒。所 以，在卡通人物的設計中，頭發(fā)的設計對塑造人物形象和人物性格起到關鍵性的作用。
[0003] 頭發(fā)的結構根據人種的不同而多種多樣，黃種人的頭發(fā)平滑順直，橫截面為圓形； 黑種人的頭發(fā)結構不規(guī)則，橫截面為橢圓形；白種人的頭發(fā)結構介于兩者之間。一根頭發(fā)可 以被看做是一根又細又長的彈性桿。一般來說，正常人的發(fā)量為100, 〇〇〇到150, 000。就單 根頭發(fā)來說，它的直徑變化范圍為45到100,并且一根頭發(fā)可以有任意角度的旋轉，扭曲。 此外，由于染發(fā)劑的作用，頭發(fā)本身的顏色也多種多樣，有白色、灰色、黃色、紅色、棕色、黑 色等。
[0004] 現在還沒有一個很好的被接受的頭發(fā)模型，研宄人員并沒有考慮如何真實的模擬 頭發(fā)的結構，而是將注意力放在如何真實地模擬頭發(fā)的動力學特性和最終外觀上。為了模 擬渲染出更加逼真的頭發(fā)外形，研宄人員主要考慮頭發(fā)間光線的發(fā)散和陰影的產生。
[0005] 在過去的研宄中，研宄人員提出了很多頭發(fā)模擬的模型。但是由于關于頭發(fā)性質 的研宄沒有得到完善的研宄結論，現在工業(yè)界還沒有得到一致贊同的頭發(fā)建模方法。研宄 人員大都根據不同的應用需求構造出相應的頭發(fā)模型。
[0006] 頭發(fā)靜態(tài)造型指的是模擬整個頭發(fā)的靜態(tài)特性，涉及到頭發(fā)的幾何特性、頭發(fā)的 厚度、不同發(fā)型的發(fā)量分布和頭發(fā)走向等問題。頭發(fā)靜態(tài)造型的技術主要分為三大類：基于 幾何的、基于物理的和基于圖片的。其中，基于幾何的造型方法利用參數方法表示頭發(fā)構成 的曲面或者是將一束頭發(fā)表示為參數表示的圓柱體，但是這個方法需要大量的用戶交互來 輸入參數。并且這種表示法一般用來表示頭發(fā)的整體造型?；谖锢淼脑煨头椒ㄖ粚﹃P鍵 的參數進行控制，減少了用戶交互的數量。它包括利用流體力學的理論來控制頭發(fā)的整體 外形和根據力場來模擬頭發(fā)外形的方法等?；趫D像的造型方法，計算機通過對發(fā)型圖片 的分析產生對應的三維模型，這種方法速度極快。
[0007] 中國專利CN101884604.B公開了一種使用還原性組合物和加熱使頭發(fā)造型的方 法，該毛發(fā)纖維的造型方法包括下列步驟：（i)在毛發(fā)纖維上施用還原性組合物，其包括一 種或多種陽離子聚合物，還原劑的重量濃度對陽離子聚合物的重量濃度的比率為〇. 1-10， 該施用后跟有漂洗，（ii)施用護理組合物，優(yōu)選不漂洗，包括一種或多種肢化硅酬，（iii) 借助于加熱裝置把毛發(fā)纖維的溫度提升到在50-280°C的溫度，該溫度的提升是在毛發(fā)纖維 任選的漂洗之前或之后進行。該專利也沒解決頭發(fā)的幾何特性、頭發(fā)的厚度、不同發(fā)型的發(fā) 量分布和頭發(fā)走向等問題的方法。

【發(fā)明內容】

[0008] 為了克服現有技術中的缺陷，本發(fā)明提供本發(fā)明的技術解決方案是利用球B樣條 來構造頭發(fā)股，利用能量最小化來優(yōu)化頭發(fā)造型，所獲得的模型能用于虛擬人的各種各樣 的發(fā)型模型。
[0009] 本發(fā)明是通過如下技術方案實現的：一種基于靜態(tài)超螺旋模型頭發(fā)造型建模方 法，包括：
[0010] 步驟1:對頭發(fā)的生長點進行初始化；
[0011] 步驟2 :對所述頭發(fā)的進行參數化計算；
[0012] 步驟3 :計算所述頭發(fā)進行標架和坐標；
[0013] 步驟4 :對所述頭發(fā)進行能量最小化計算；
[0014] 步驟5 :計算所述頭發(fā)的新標架和坐標；
[0015] 步驟6 :對所述頭發(fā)進行碰撞檢測；
[0016] 步驟7 :根據球B樣條曲線對所述頭發(fā)進行建模，步驟4中對所述能量最小化計 算包括以下步驟：
[0017] 1、基于靜態(tài)超螺旋模型，計算所述頭發(fā)的最小勢能并確定頭發(fā)的最終形態(tài)，包括 以下步驟：
[0018] 1)根據勢能公式⑴計算出頭發(fā)的勢能： _9]ehair=eg+ee……⑴，
[0020] 2)將所述頭發(fā)絲模擬成一個彈性桿，遵循胡克定律，根據公式（2)計算出頭發(fā)的 彈性應變勢能e6:
【主權項】
1. 一種基于靜態(tài)超螺旋模型頭發(fā)造型建模方法，包括： 步驟1 :對頭發(fā)的生長點進行初始化； 步驟2 :對所述頭發(fā)的進行參數化計算； 步驟3 :計算所述頭發(fā)進行標架和坐標； 步驟4 :對所述頭發(fā)進行能量最小化計算； 步驟5 :計算所述頭發(fā)的新標架和坐標； 步驟6 :對所述頭發(fā)進行碰撞檢測； 步驟7 :根據球B樣條曲線對所述頭發(fā)進行建模，其特征在于，步驟4中對所述能量最 小化計算包括以下步驟： (1)、基于靜態(tài)超螺旋模型，計算所述頭發(fā)的最小勢能并確定頭發(fā)的最終形態(tài)，包括以 下步驟： 1) 根據勢能公式（1)計算出頭發(fā)的勢能： ε hair= ￡ g+ ￡ e......⑴； 2) 將所述頭發(fā)絲模擬成一個彈性桿，遵循胡克定律，根據公式（2)計算出頭發(fā)的彈性 應變勢能ε ε:
3) 通過楊氏模量E公式（3)計算出來剪切模量μ :
4) 通過公式（4)、（5)和（6)計算出所述頭發(fā)的發(fā)絲橢圓形截面的慣性矩I1U2和極慣 性矩J的數值：
5) 根據所述頭發(fā)的自然彎曲狀態(tài)，計算所述頭發(fā)發(fā)絲物理性質自然撓率1°和第一曲 率κ ^和第二κ 2°的原始值，按照沿著整根頭發(fā)不變設定，通過公式（7)，（8)，（9)和（10) 計算所述頭發(fā)為彈性桿的重力勢能ε g: K20= 0……（9)，
6)所述頭發(fā)的總勢能為重力勢能和彈性應變能的總和，采用三角形法計算出所述頭發(fā) 的最小勢能。
2. 根據權利要求1所述基于靜態(tài)超螺旋模型頭發(fā)造型建模方法，其特征在于，所述步 驟4中的第4)步驟包括：假設頭發(fā)的橫截面是圓形的，所述圓形截面的慣性矩和極慣性矩 是：
3. 根據權利要求1所述基于靜態(tài)超螺旋模型頭發(fā)造型建模方法，其特征在于，所述步 驟7中包括根據球B樣條曲線對所述頭發(fā)進行建模步驟： 1) 根據所述球B樣條曲線構造出頭發(fā)股模型： 按照所述球B樣條曲線為帶有厚度的B樣條曲線設定，所述一條B樣條曲線是由一個 控制點集和權值有一個節(jié)點向量，通過調整所述控制點的位置，調節(jié)所述B樣條曲線的形 狀； 2) 引入控制球代替B樣條曲線中的控制點，使得產生的所述球B樣條曲線表示的對象 具有了 B樣條曲線無法表示的厚度，并以此來表示管狀物體， 所述控制球的球體按照公式（13)為： <C ；r> = {x e R31 I χ-C | r, C e R3, r e R+}......(13)， 所述球B樣條曲線按照公式（14)被定義為：
在公式（15)中，所述一條球B樣條曲線被定為兩個部分：一條3DB樣條曲線作為中心 曲線；
用所述球B樣條曲線的標量函數公式（16)計算的半徑：
用所述球B樣條曲線的標量函數公式（17)計算的半徑
將所述大部分球B樣條曲線的屬性和算法分成兩部分，一部分為球B樣條，另一部過分 為半徑函數，分別計算所述頭發(fā)的半徑和中心線，并用所述球B樣條曲線構造頭發(fā)股。
【專利摘要】本發(fā)明涉及虛擬人的模擬技術領域，具體涉及一種基于靜態(tài)超螺旋模型頭發(fā)造型建模方法。本發(fā)明提供的基于靜態(tài)超螺旋模型頭發(fā)造型建模方法，包括：對頭發(fā)的生長點進行初始化；對頭發(fā)的進行參數化計算；計算頭發(fā)進行標架和坐標；對所述頭發(fā)進行能量最小化計算；計算頭發(fā)的新標架和坐標；對頭發(fā)進行碰撞檢測；根據球B樣條曲線對頭發(fā)進行建模。本發(fā)明能利用球B樣條來構造頭發(fā)股，利用能量最小化來優(yōu)化頭發(fā)造型，所獲得的模型能用于虛擬人的各種各樣的發(fā)型模型。
【IPC分類】G06F17-50
【公開號】CN104765934
【申請?zhí)枴緾N201510206655
【發(fā)明人】王醒策, 邵菲, 武仲科, 姜倩倩, 周明全
【申請人】北京師范大學
【公開日】2015年7月8日
【申請日】2015年4月28日