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动画人体穿衣
Alexander Clegg lowast;Jie Tan lowast; Greg Turk dagger; C. Karen Liu dagger;
Georgia Institute of Technology
图1：一个角色穿上夹克。
摘要
穿衣服是人类社会最常见的活动之一。普通儿童需要练习三到四年来掌握穿衣技能。挑战主要在于协调不同身体部位和操纵柔软和可变形物体（衣服）的综合困难。我们提出了一种通过控制人类角色来穿上模拟衣服来合成人类穿衣服的技术。我们确定了一组原始动作，它们解释了人类穿衣中观察到的绝大部分动作。这些原始动作可以组合成各种运动序列，用于穿戴具有不同风格的不同服装。利用前馈和反馈控制机制，我们开发了一个穿衣控制器来处理每个原始动作。控制器计划一条路径来实现行动目标，同时在必要时根据模拟布料的当前状态在本地进行不断调整。我们证明我们的框架是多功能的，能够使用不同的服装类型制作穿着，包括夹克，短裤，长袍和背心。我们的控制器对不同的布料网格分辨率也很稳健，可以使布料模拟器产生明显不同的布料运动。此外，我们表明相同的控制器可以扩展到辅助穿衣服。
CR类别：I.3.7 [计算机图形]：三维图形和现实主义 - 动画;I.6.8 [模拟和建模]：模拟动画的类型。
关键词：人体动画，布料模拟，路径规划。
lowast;电子邮件：{aclegg3，jtan34}@gatech.edu
dagger;电子邮件：{turk，karenliu} @ cc.gatech.edu
ACM参考格式
Clegg, A., Tan, J., Turk, G., Liu, C. 2015. Animating Human Dressing. ACM Trans. Graph. 34, 4, Article 116
(August 2015), 9 pages. DOI = 10.1145/2766986 http://doi.acm.org/10.1145/2766986.
版权声明
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SIGGRAPH 15技术论文，2015年8月9日 - 13日，洛杉矶，加利福尼亚州。版权所有2015 ACM 978-1-4503-3331-3 / 15/08 ... $ 15.00。
Dol： http://doi.acm.org/10.1145/2766986
介绍
本文描述了一种动画穿衣活动的系统。穿着是我们每个人每天进行的最常见的活动之一。穿着场景在真人电影和电视中也很常见。这些场景中的一些是标志性的，例如“空手道小子”（2010版）中的“夹克，夹克”演习或者蜘蛛侠第一次将他的面具拉到头上。在计算机动画电影中明显缺少这种穿衣场景。尽管在我们的生活和电影中穿着很重要，但是还没有系统的方法让人穿上衣服。
我们的目标是提供一个允许动画师为穿着的人类角色创造动作的系统。我们希望动画师能够高度控制最终动画的外观。为此，我们需要一种允许用户将穿衣场景描述为一系列高级动作的系统。此外，我们希望我们的系统能够以关键帧或动作捕捉的形式接受近似的人体运动，作为样式或美学的参考。因此，来自动画制作者的给定穿衣场景的输入包括：角色模型，服装，一系列穿衣动作和角色的参考动作。为了创造物理上合理的动画，我们选择使用布料的物理模拟来引导服装运动。通过使用布料模拟，由一组刚性段组成的人体图形可以以自然的方式与布料相互作用。
完成穿衣行为的本质是塑造人物角色和布料之间的相互作用。人的运动必须适应布料的运动，否则会出现问题，例如衣服滑落或手被卡在折叠处。我们经常认为穿上衣服需要复杂的动作。穿上夹克看似简单的行为需要人与夹克之间的仔细协调。在将它插入夹克袖子时，我们会不自觉地不断调整手的位置。我们将身体保持一定角度，以防止袖子从肩膀上滑落。在穿上第一个袖子后，我们可以使用几种策略中的任何一种将我们的手放在背后，并在第二个袖子的范围内。用于穿衣动画的系统必须解决这些复杂性。
我们发现，一小部分原始动作可以解释一个人穿上衣服的绝大部分动作。我们采用的方法是首先让动画师从少量这样的动作中组装所需的穿衣动作，这些动作包括将手或脚穿过开口，将衣服拉到肢体上，并在将肢体放到衣服中之后伸展肢体。一旦组合了这一系列动作，就可以进行穿衣动画。系统及时模拟更新布料的位置，每个动作期间角色的动作通过优化指导以满足给定动作的要求。系统调整角色的姿势以适应一个动作的结束与下一个动作的开始。穿衣动作的某些部分不需要角色对布料作出反应，并且这些部分可以遵循所提供的关键帧或动作捕捉数据。
在很大程度上，穿衣动画系统必须解决的问题是路径规划。角色的身体部位必须协调地移动以完成任务，同时防止自身重叠，角色必须在衣服内和衣服周围移动，使衣服在人身上正确地结束。然而，穿衣问题具有一些独特的挑战，这些挑战未被标准路径规划算法解决。与避免碰撞的典型路径规划不同，可以预期身体部位和布料之间的接触。实际上，利用接触来扩展折叠的开口或将一部分布固定在身体上对于成功穿衣服是至关重要的。
使用我们基于动作的穿衣系统，我们制作了各种各样的角色动画，可以穿上各种类型的衣服。这包括穿上夹克，坐着时拉上裤子，站立时穿上裤子，动态穿上背心，在另一个角色帮助下穿上长袍等。
相关工作
与周围物体或人类的近距离交互是角色动画中的重要研究问题。这个问题具有很大难度，因为它通常涉及潜在的冲突目标：保持有意的空间限制，同时避免无意的接触。对处理身体部位或物体之间的接触和空间限制的挑战进行了大量研究，使用“交互网格”来编码相互作用的身体部位的空间关系。通过最小化网格的局部变形，它们的方法保留了期望的空间约束，同时减少了无意的接触或互穿。除了接触问题之外，近距离交互还需要复杂的路径规划。以前的工作利用逆运动学和运动规划技术来生成满足复杂或杂乱环境中所需操作任务的运动。关于全身操纵运动规划主题的大量机器人文献也与近距离相互作用的合成高度相关。在本文中，穿衣服也是近距离相互作用的一个例子。与之前研究的大多数问题不同，穿衣服涉及与独特的物体布料相互作用，布料是高度可变形的，具有频繁的自碰撞。
研究灵巧操作的研究人员已经开发出控制算法来处理不同类型的操作，例如掌握Pollard和Zordan 2005;Kry和Pai 2006;等。
这些方法可以成功地操纵具有不同尺寸和质量的刚体，但是不清楚它们是否可以扩展到操纵可变形体，其通常比刚体具有更大的自由度。与计算机图形相比，操纵可变形体已在机器人技术中得到广泛应用。研究人员已经展示了机器人操纵布料，绳索，电缆，泡沫橡胶和金属板材等。我们的工作涉及折叠衣物的布料操作并协助穿衣部分着装的静态人体模型[。然而，由于人体的参与，开发用于穿衣服的控制算法显着地不同于单独布料的机器人操纵。在本文中，我们没有解决与抓握和重新抓握相关的问题，因为这构成了独特的挑战，并且正在机器人社区中的其他人积极地解决。
以前已经通过一些方法证明了自我修饰的虚拟角色。Ho和Komura [2009]引入了一种使用拓扑坐标与可变形体相互作用的技术，其中可以容易地控制角色身体和环境的拓扑关系。他们在拓扑坐标中生成了关键帧动画，以证明角色能够将一条衣服伸展在她周围的衣服上。为了证明使用电通量进行路径规划的效果，Wang等人展示了一个虚拟人穿上袜子和一条短裤。在这两种情况下，衣服已经与身体部位对齐，并且角色只需要沿着电通量指示的方向拉动它们。虽然这些方法暗示了基于角色相对于布料的运动的穿衣问题的可能解决方案，但是它们仅成功地应用于孤立的情况并且在许多假设下。相比之下，我们的工作设计了一个反馈控制器，使角色可以根据布料的状态自主行动，并在相对较少的假设下有效地实现各种穿衣情况下的目标。
虽然布料模拟是一个相对成熟的研究领域，但布料与刚体系统之间的动态耦合仍然存在许多挑战。研究人员提出了各种方法来处理可变形和刚体之间的双向耦合，可以扩展到刚性布料耦合等。[Otaduy]通过隐含地解决大的混合线性互补问题来解决布和刚体之间的接触。Bai和Liu 提出了一种简单的耦合方法，将现有的布料和刚体模拟器视为黑盒而不改变碰撞处理的内部配方。最近，Macklin等人提出了一个统一的动态系统，其中所有对象交互作为粒子约束的集合来解决。在我们的工作中，我们直接使用开源多体模拟器，DART 和布料模拟器，ARCSim将场景中的刚体视为具有无限质量的对象，并仅考虑从刚体到布料的接触力。由于我们在本文中考虑的衣服类型与人类角色相比相对无质量，忽略布料对角色的影响是一个合理的假设。然而，考虑到准确的双向耦合对于穿着更紧身的衣服或辅助穿衣服可能是至关重要的。
服装骨架
布料模拟
原始
行动编辑
穿衣控制
对齐
遍历
追踪
参考运动
图2：我们系统的概述。
穿衣动画
图3：用于穿衣控制的夹克和一条短裤的布料特征。红色环和贴片分别是对齐和抓握的功能。
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行动 |
描述 |
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把手（RH，f1）轨道（q（t），T1）对齐（LH，f2）拖动（RH，{Bi}） 释放（RH）轨道（q（t），T2）对齐（RH，f3）拉伸（RH）轨道（q（t），T3） 空闲（T4） |
用右手握住衣领特征f1。跟踪参考运动q持续T1秒。将左手与袖窿f2对齐。 沿左手B1，左手臂B2和左肩B3拖动布料。 从右手释放布料。 跟踪参考运动q T2秒。将右手与右侧袖窿f3对齐。将右手伸入袖子。 跟踪参考运动q持续T3秒。 闲置T4秒。 |
都是手或脚的位置对齐。例如，当将手臂放入袖子时，我们使用袖孔的顶点环作为手的目标特征。图3显示了我们用于夹克和短裤的所有功能。
表1：用夹克修饰角色上身的示例动作队列。
概观
我们设计了一个系统，允许虚拟人物角色穿上各种类型的服装。我们的系统由三个主要部分组成：原始动作编辑器，穿衣控制器和布料模拟器。我们系统的输入包括服装，角色和近似于所需着装风格的参考穿衣服运动。参考运动可以是运动捕获序列或稀疏关键帧集。用户首先使用我们的原始动作编辑器组装一系列动作来描述参考动作。例如，将手臂放入套管中可以描述为首先将手与袖孔对齐，然后将手臂从手腕向肩部拖到手臂上。这些原始动作是用于创建各种穿衣动画的参数化构建块。表1显示了穿上夹克的完整动作队列。在每一步，我们的系统从队列中取出一个动作，执行相应的穿衣控制器并模拟布料的物理特性。图2说明了我们系统的主要组件。
服装
我们的示例服装来自伯克利服装图书馆，并经过编辑，以适应我们人类角色的大小。这些示例性服装包括夹克，短裤，长袍和背心。服装被建模为有限元网格，他们的运动使用ARCSim布料模拟器进行物理模拟]。我们使用线性拉伸和弯曲模型以及从测量得到的本构模型。使用边界体积层次检测碰撞并解决了非刚性冲击区。
服装特色。对于每件衣服，我们定义了一套对于换药控制很重要的布料特征。要素是布料网格上的一组顶点。每个功能
穿衣服控制
以最抽象的形式，穿衣服问题可被视为路径规划，其目的是在人的配置空间中找到路径，使得衣物以期望的方式终止于人体。与传统的路径规划问题不同，路径的有效性取决于另一个动态系统布料的演变。考虑到服装状态，许多利用模型预测控制的计划算法都是无效的，因为布料模拟的计算成本太高而不能参与任何优化循环。我们基于两个核心思想来解决问题。首先，我们发现布料的状态非常重要，但仅限于整个场景中的短暂时刻。我们识别那些“布敏感”动作，并为它们开发单独的控制器。其次，为了规划布料敏感时刻，我们利用布料的测地信息来弥补在线预测缺乏计算资源。
我们设计了一小组原始动作来控制角色，使用不同的风格穿上各种服装。两个最重要的行为是对齐和遍历。我们仅在对齐阶段监控布料状态并在每个时间步骤解决优化问题。对于其他操作，我们在操作开始时计划整个路径，并且不考虑布料的状态。
对准
穿上衣服的第一步是将一个身体部位（例如末端执行器）与布料特征对齐。这样的例子是将手与衬衫的袖孔对齐，或者将脚与一条裤子的腰带对齐。在对齐中，我们通常选择顶点循环作为布料特征，目标是控制末端效应器通过此循环。这可能具有挑战性，因为目标布料特征经常被布料的其他部分折叠和遮挡。在这种情况下，目标特征不能从当前末端执行器位置直接可见或可到达。这意味着
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