基于物理的数据驱动几何建模研究

发布时间：2018-02-22 11:18

本文关键词： 数据驱动几何建模物理模拟三维打印模型插值模型合成　出处：《国防科学技术大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：当今社会正处于信息化快速发展的重要阶段,人们可以更加快速、更加便捷地获取自己所需的信息,而且获取信息的途径也是越来越多。不过在信息化的今天,作为社会中的每个个体,其实也都在无时不刻地产生着数据,这就造就了当下大数据的热潮。但是在计算机图形学领域,由于之前模型数据获取相对较难、成本较高,大数据时代在这一领域似乎并没有到来的迹象,相关的研究也没有受到领域内专家学者足够的重视。但是,随着当前三维数据采集设备和以可穿戴设备为代表的虚拟现实技术的火热发展,我们有充分的理由相信计算机图形学领域的大数据时代很快将会到来,基于数据驱动的三维几何研究将获得更多的关注。三维输入设备的快速发展给计算机图形学研究人员带来了大量的三维几何数据。不过其中很大一部分数据都未经加工处理,大多数的三维几何算法不能对其直接处理,更不用说另外一些对数据要求较高的算法。因此,针对当前三维几何模型序列数据较少的问题,本文研究了如何利用已有的少量三维模型数据,通过模型插值技术生成更多可用模型数据,以满足后续数据驱动相关算法的需要。在通过插值算法生成三维模型或者利用三维扫描设备获取数据的基础上,我们针对具体应用,又研究了如何利用这些数据生成新的模型数据。具体来说,首先针对用户给定的输入模型,本文研究了基于骨架的三维模型距离场插值算法,算法在不需要用户交互的前提下插值出了高质量的中间模型。其次,利用插值算法对人体模型的姿势进行插值,得到姿势之间的动作序列,在这些动作序列上进行衣物模拟,生成衣物的模型数据库;基于对动作和与之对应的衣物模型的分析,提出了衣物模型快速生成算法。在给定新的人体动作后,算法能够快速生成与之匹配的衣物模型。最后,本文针对三维模型打印,通过理论分析并结合扫描采集的物体运动数据,综合分析计算了打印材料的物理参数,最终能够让只能打印单一材料的三维打印机打印出具有不同物理属性的目标模型。论文的创新点主要包括:1.基于骨架的三维几何模型距离场插值:三维模型插值技术在计算机动画,游戏和影视等商业领域都有着广泛的应用,主要在于它能够完成从一个几何模型到另外一个几何模型的平滑过渡。不过事实上,三维模型插值还可以被当作一种生成中间数据的方法。要得到满意的中间数据,最重要的就是要建立两个模型之间的准确对应关系,而这是图形学领域的一个难题。本章提出了一种基于三维模型骨架的模型距离场插值方法,得到了高质量的模型平滑插值结果。而且在模型插值路径中借鉴了基于物理的模型变形策略,使得插值结果符合人类认知。2.基于物理模拟数据驱动的快速衣物生成:衣物模拟也是图形学领域的一个重要研究方向,它在电子商业、游戏影视等方面都有着重要的需求,也有着很大的经济价值。本文提出了一种基于几何的衣物快速合成算法框架,尝试解决衣物模拟真实感与实时性之间的矛盾。它将人体模型和衣物模型分别降维成一系列刚性和非刚性骨骼。在离线阶段,通过两种模型之间的对应,学习人体骨骼与衣物骨骼之间的关系。当处于在线模拟阶段时,根据用户输入的新的人体姿势模型就可以快速驱动衣物形变,从而使形变后的衣物与输入的人体姿势相适应。实验结果表明,这种基于模拟数据驱动的方法可以达到交互性的要求,并且具有较好的真实感。3.基于动态数据扫描和物理模拟驱动的三维模型打印:目前主流三维打印机都只能利用单一材料打印模型,这就大大地限制了它的应用范围。本文针对这种单一材料打印的情况,采用单一材料但具有不同物理属性的微结构,最终使得单一材料三维打印机可以打印出具有不同物理特性的三维模型。另外,还搭建了扫描三维数据的实验平台,通过对现实物体运动轨迹的扫描和模拟追踪,估算出现实物体所用材料的属性。
[Abstract]:This paper studies how to use the three - dimensional model data to generate new model data . However , as the current 3D data acquisition equipment and virtual reality technology represented by wearable device have not been processed , we have studied how to use these data to generate new model data . In the end , with the analysis of the current three - dimensional data acquisition equipment and virtual reality technology with wearable device , we have studied how to use the data - driven three - dimensional model data to produce new model data . This paper puts forward a new frame of clothing fast synthesis algorithm based on geometry , which can quickly drive the deformation of clothes by using single - material printing model . The experimental results show that the three - dimensional model based on dynamic data scanning and physical simulation drive can print out the three - dimensional model with different physical properties .

【学位授予单位】：国防科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP391.41

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