CC BY
71
уДК 004.421-24-443.5 м. А. ИВАЩЕНКО
А. Б. КОРОБОВА
Омский государственный институт сервиса
ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СКЕЛЕТНОЙ АНИМАЦИИ ПРИ ПОСТРОЕНИИ ВИРТУАЛЬНОГО МАНЕКЕНА И ПРОВЕДЕНИЯ ВИРТУАЛЬНОЙ ПРИМЕРКИ ПОЯСНЫХ ИЗДЕЛИЙ В АВТОМАТИЗИРОВАННОМ РЕЖИМЕ
В статье рассмотрено использование скелетной анимации при построении виртуального манекена и возможность ее использования при проектировании и виртуальной примерке поясных изделий в автоматизированном режиме. Ключевые слова: скелетная анимация, 3D-скелет, автоматизированное проектирование, полигональная модель.
Введение. В настоящее время компьютерная графика и анимация тесно связаны с современными системами автоматизированного проектирования (в дальнейшем САПР). С развитием трехмерных компьютерных технологий в состав САПР швейных изделий стали включаться ЗБ-модули различного характера и назначения. Современные тенденции развития швейной промышленности предусматривают необходимость постоянного использования средств вычислительной техники в процессе проектирования изделий [1].
Разработка алгоритмов виртуальной примерки изделий и способов построения трехмерного манекена с учетом индивидуальных особенностей фигуры человека ускорит процесс проектирования и примерки.
Поверхность тела человека представляет собой сложную незакономерную поверхность, которая нестабильна и зависит от многих изменчивых факторов. Геометрическая модель объекта должна быть его аналогом и повторять те его свойства и их взаимодействия, которые необходимы для изучения объекта, а именно для получения размерных характеристик тела человека и построения поверхности, которая станет базовой моделью [2].
Скелетная анимация и ее использование при построении виртуального манекена. Скелетная анимация — это способ анимирования трёхмерных моделей в мультипликации и компьютерных играх. Скелетная анимация стала основной технологией в анимировании, используемой программистами, поскольку быстро обрабатывается и дает невероятные результаты. При использовании скелетной анимации возможно анимировать любую деталь, она также позволяет контролировать любую часть тела.
Принцип скелетной анимации заключается в том, что мультипликатор создаёт скелет, представляющий собой, как правило, древообразную структуру костей, в которой каждая последующая кость
«привязана» к предыдущей, то есть повторяет за ней движения и повороты с учётом иерархии в скелете. Иерархией в скелете называется система объектов, в которой одни объекты своим расположением в пространстве влияют на расположение других объектов [3 — 5]. Таким образом, 3Б-скелет, описывает иерархию трансформаций объекта; сами объекты называют костями. Скелет можно определить как совокупность костей. Автором будет использоваться скелетная трансформация для построения манекена фигуры человека с индивидуальными особенностями, в частности девушки-подростка. Индивидуальная фигура девушки-подростка зачастую имеет нежелательные особенности, которые необходимо учитывать при проектировании поясных изделий. Форма нижних конечностей фигуры человека зависит:
— от положения головки бедерной кости в тазобедренном суставе;
— от степени развития мышц;
— подкожно-жирового слоя;
— от угла наклона костей в коленной чашечке.
Для построения манекена будут рассчитываться
трансформации, при этом задаются:
— длины и высоты тазовых костей относительно пола с возможностью их корректировки;
— положение коленей, позиция пяток корректирует положение бедренных костей и костей голени;
— ширины поверхности манекена по нескольким сечениям, во фронтальной и сагиттальной плоскостях.
Поскольку все кости в скелете задаются своими локальными трансформациями, то для конечного использования необходимо вычислить все абсолютные трансформации. Процесс вычисления является просчётом скелета. Трансформации в 3-мерной графике принято задавать матрицами [6]. Обычно это матрицы размерности 4x4 или 4x3.
После того как просчитан скелет, трансформируется геометрия, на которую влияет скелет. Для
представления манекена человека, удобно хранить взаимосвязи между подвижными частями данного субъекта, например, голова крепится к шее, ступня к ноге и т. д. Трансформацию любой части можно задать как трансформацию отдельной кости.
Построение скелета виртуального манекена. Для создания произвольного манекена используется трансформация базового (рассчитанного на среднюю типовую фигуру). В первую очередь, важно правильно задать длины конечностей и расположить их относительно туловища манекена.
Так как высокодетализированный манекен нижних конечностей человека состоит из десятков тысяч полигонов, то трансформация каждого отдельного полигона является весьма сложной задачей, которую возможно решить с использованием технологии скелетной анимации.
В основе манекена лежит «скелет», названный так из-за схожести со скелетом человека, но, в отличие от скелета человека, «скелет» 3D-модели не является физической основой «тела» и поэтому может не совпадать по расположению и составу со скелетом человека. В то же время, как и скелет че-
Рис. 1. «Скелет» 3D-модели манекена
Рис. 2. Пример преобразования поверхности манекена относительно его кости
ловека, «скелет» манекена определяет расположение конечностей и внешней оболочки тела человека (манекена) в пространстве.
«Скелет» 3D-модели и манекена человека состоит из отрезков прямых, расположенных в пространстве выстроенных в иерархию в виде дерева (граф). Расположение каждого последующего отрезка задается относительно предыдущего, такие отрезки называются «костями». Пример «скелета» 3D-модели манекена представлен на рис. 1.
Принцип построения «скелета» в скелетной анимации человека:
1. Задается базовая точка и вводится система координат, относительно которой располагается 3D модель.
2. Задается «иерархия костей» в виде дерева. Каждая «кость» задается относительно предыдущей «кости» в иерархии. Первые «кости» в дереве задаются относительно базовой точки.
3. Для задания трансформации 3D-модели изменяется положение «костей» относительно предыдущих «костей» в иерархии или относительно базовой точки.
Отличия в принципе построения «скелета» для манекена человека от «скелета» 3D-модели в анимации:
— базовая точка не перемещается в пространстве, так как положение манекена в пространстве не влияют на его форму;
— для задания трансформаций помимо движений «костей» используется также изменение их длины.
С каждой «костью» связана система координат (рис. 2), в которой OkK — «кость» манекена, ось OZ расположена вдоль «кости», а OX и OY образуют правую ортогональную систему координат.
Система координат «кости» определяет матрицу преобразования координат из системы координат «кости» в пространственную систему координат манекена. Матрица преобразований имеет квадратную форму 4x4 и определяет поворот системы координат и смещение ее центра.
При задании любой точки относительно одной или более «кости» манекена она задается координатами в системе координат «костей». При этом результирующие координаты в пространстве определяются путем сложения результирующих координат по каждой из «костей» с определенными для данной точки весовыми коэффициентами «костей» (сумма весовых коэффициентов должна быть равна единице).
После трансформации скелета виртуального манекена необходимо провести расчет его поверхности.
Расчет поверхности виртуального манекена.
Поверхность манекена задается полигональной моделью с заданием ориентации ее полигона для задания внутренней и внешней сторон поверхности. Ориентация полигона задается порядком перечисления его вершин, так чтобы два вектора, образованные тремя его вершинами (от первой до второй и от первой до третей), и вектор нормали, направленный наружу манекена, образовывали правую тройку векторов (рис. 3).
Для задания одной вершины полигональной модели манекена используется привязка к одной или более «костям» манекена, привязка заключается во введении координат вершины в системе координат «кости». В случае привязки к двум и более «костям» для каждой «кости» вводится весовой коэффици-
Рис. З.Заданиеориентацииполигонаповерхностиманеке-на (фрагмент)
ент, указывающий, в каких пропорциях учитывать вклад координат по каждой из «костей». Сумма весовых коэффициентов должна быть равна единице.
Так как одна вершина может входить в состав более чем одного полигона, то вершины полигонов задаются своими номерами в массиве всех вершин манекена [1].
Трансформация базового ЗБ-манекена для получения виртуального манекена фигуры с индивидуальными особенностями. Для создания произвольного манекена используется трансформация базового, рассчитанного на среднюю типовую фигуру. В первую очередь, важно правильно задать длины конечностей и их расположение относительно туловища манекена. Данная задача решается трансформацией «скелета» базового манекена.
В соответствии с антропометрическими точками задается система координат, где начало координат располагается на уровне линии бедер в точке О, направление осей представлено на рис. 4. По полученным координатам вычисляются положения и длины «костей».
Для уточнения формы поверхностинижних конечностей манекена ижеилезуетсж мнтод сжатия/
расширения конечностей относительно «кости». Для этого по заданным точкам производится измерение диаметров/ширин конечностей моделируемого человека и корректировка диаметров/ширин конечностей базового манекена. По каждой из «костей» производится корректировка по 3 — 4 точкам.
В общем случае для каждой «кости» производится измерение толщины конечностей относительно «кости» по двум осям (ОХ и ОУ) в плоскости параллельной ХОУ, для каждого сечения делается четыре измерения (рис. 5).
Корректировка поверхности манекена производится с использованием абрисов фигуры человека. Абрис нижних конечностей представляет собой визуальную характеристику по выявлению нежелательных индивидуальных особенностей фигуры человека, которые необходимо учитывать при проектировании поясной одежды.
Заключение. Для упрощения построения манекена человека с учетом индивидуальных особенностей фигуры авторами используются методы, применяемые в скелетной анимации. Корректировка поверхности манекена производится с использованием абрисов фигуры человека.
Преимущества преобразований в виде скелетной анимации заключаются:
— в относительно малом количестве данных, требуемых для хранения анимации;
— в отсутствии необходимости хранить информацию о трансформации для каждой кости;
— в значительном уменьшении частоты появления ключевых кадров.
Поскольку скелет представляет собой некую иерархию костей, то имеется возможность использовать инверсную кинематику.
Очевидно, что представляется перспективным дальнейшее внедрение методов скелетной анимации, в процесс проектирования и виртуальной при-меркитхшотржкини поясного изделия на трехмерную модель фигуры человека. Современные сред-
б
Рис. 4. Определение конечных точек «скелета» на фигуре человека:
а — пример «скелета» манекена;б — конечные точкинафигуре человека в сагиттальной плоскости; в — конечные точки на фигуре человека вофронтальной плоскости
а
в
Рис.5.Измерение толщиныконечностей относительно «кости скелета»
ства компьютерной графики позволяют решить множество задач моделирования изделий. Использование скелетной анимации является одним из возможных вариантов, который имеет большие перспективы развития. Средства работы с пространственными ебъеитаминонволяют рештть зт-дачи трехмерного проектирования и моделирова-тияедемтоы с рретом осебенностть фигурн.
Благодаря этому возможно избавиться от трудо-емеого н малопроинвотительнтбо , в
частности поясных изделий, сократить количество примерок, проработать модельные особенности деталей конструкции поясной одежды и визуализиро-втть поясное изделие на индивидуальную фигуру.
Библиографический список
1. Иващенко, М. А. Автоматизация процесса виртуальной примерки на трехмерную модель фигуры человека на этапе проектирования / М. А. Иващенко, А. Б. Коробова. А. Г. Бурцев. — Омск : ОГИС, 2013. — 144 с.
2. Балжирсурэн, Г. Автоматизация проектирования нестандартных компьютерных манекенов : дис. ... канд. техн. наук : 05.13.12 / Ганцэцэг Балжирсурэн. — Омск : СибАДИ, 2009. — 178 с.
3. Скелетная анимация [Электронный ресурс]. — Режим доступа : http://unmail22.narod.rU/Books/3D_XNA4/9.7.html (дата обращения: 09.01.2012).
4. Скелетная анимация [Электронный ресурс]. — Режим доступа : http://wat.gamedev.ru/articles/SkelAnim1 ?раде = 2 (дата обращения: 09.01.2012).
5. 3D-манекен человека [Электронный ресурс]. — Режим доступа : http://steps3d.narod.ru/tutorials/skeletal-animation-tutorial.html (дата обращения: 18.01.2012).
6. Типы скелетной анимации [Электронный ресурс]. — Режим доступа : http://www.netlib.narod.ru/library/book0077/ ch11_01.htm (дата обращения: 24.01.2012).
КОРОБОВА Антонина Брониславовна, кандидат технических наук, профессор (Россия), декан ху-иожесмвенмс-темнологического факультета, профессор кафедры «Конструирование швейных из-ие лий».
ИВАЩЕНКО Мария Алексеевна, аспирантка кафе-ИНЫ «Конструиеование швейных изделий». Адрес для переписки: [email protected]
Статья поступила в редакцию 30.06.2014 г. © А. Б. Коробова, М. А. Иващенко
Книжная полка
004.4/К63
Комлев, Н. Ю. Объектно ориентированное программирование / Н. Ю. Комлев. — М. : Солон-Пресс, 2014. — 297 c. — ISBN 978-5-91359-138-8.
Объектно ориентированное программирование (ООП) — технология, которую обязан знать, понимать и применять каждый программист. Печально, но многие программисты не знают, не понимают и не применяют. А многие, что ещё хуже, находятся в заблуждении, что знают, понимают и применяют. Из этой книги вы узнаете всё, что надо знать об ООП, и даже немного больше. Кратко, понятно, с примерами.
004.6/К26
Карпова, И.П.Базыданных : курс лекций и материалы для практ. занятий : учеб. пособие для техн. фак. / И. П. Карпова. — СПб. : Питер, 2013. — 240 c. — ISBN 978-5-496-00546-3.
В учебном пособии излагается лекционный материал по курсу «Базы данных», а также материал для практическихзанятий (семинаров и лабораторных работ) и курсового проектирования, в рамках которого создается проект базы данных по произвольной предметной области. Изложение снабжено большим количеством примеров и конкретных рекомендаций по применению получаемых знаний в процессе создания и эксплуатации баз данных. Издание соответствует программе курса «Базы данных» по специальности 230101 «Вычислительные машины, комплексы, системы и сети» и может быть рекомендовано в качестве учебного пособия для студентов технических факультетов, изучающих автоматизированные информационные системы и системы управления базами данных.
s
§ 004.8/К85
х Крысова, И. В. Интеллектуальные САПР : учеб. пособие / И. В. Крысова. — Омск : ОмГТУ, 2014. —
| 95 c. — ISBN 978-5-8149-1825-3.
| Целью издания является формирование умений и навыков у студентов по следующим направлениям
§ деятельности: построение модели предметной области САПР средствами искусственного интеллекта; ре! шение задач проектирования методами искусственного интеллекта; разработка и реализация основных е элементов интеллектуальных систем. Предназначено для студентов и магистрантов, обучающихся по на-s правлению «Информатика и вычислительная техника», а также студентов, магистрантов и аспирантов дру-| гих направлений, специализирующихся в области искусственного интеллекта.
