一種采用手繪草圖的三維人體多姿態建模方法技術

本發明專利技術提出了采用手繪草圖的三維人體多姿態建模方法，包括：顯式繪制人體特征草圖，在給定的三維人體姿態模型下，將觀察視角和人體姿態調整為與人體草圖一致，并根據人體姿態模型網格點與人體關節點之間的位置關系對該人體模型加權；在該觀察視角和人體姿態下，對人體姿態模型進行投影并提取輪廓線、暗示性輪廓線、谷線和脊線等特征投影線集合，將人體草圖筆畫線與特征投影線組合進行匹配，并根據草圖筆畫線與特征投影線組合的幾何關系構建隱馬爾科夫模型，將草圖筆畫點與三維模型網格點對應并計算對應點的位移參數；在對應三維模型網格點位移參數的約束下，通過均值坐標編碼形變算法對人體網格模型進行形變，得到最終的三維人體網格模型。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種三維圖像數據處理領域，特別是。
技術介紹
三維人物建模技術是三維建模研究的重要問題之一，在游戲、動畫及電影等領域有著廣泛的應用，尋找一種簡單有效地構建三維人體網格模型的方法，成為計算機圖形學領域的重要課題。目前的虛擬人物構建方法大多為真實感方法，主要分為創建，重構，插值三個類別，典型方法如文獻 I Wilhelms J, Van Gelder A. Anatomically basedmodeling, In:Proceedings of SIGGRAPH’97, ACM SIGGRAPH; 1997. p. 173-80，該方法主 要根據人體生理結構創建層次化物理模型，并通過模擬各層次物理性質驅動其運動，達到模擬仿真人體運動的目的。該類方法能夠生成極為逼真的人體模型，但由于交互方式復雜，用戶需要熟悉三維操作環境并具有專業的建模技能；同時，方法所需的人體生理學數據往往需要專業的數據采集設備，因此難以被普通用戶所使用。為此，有研究者提出了非真實感人體建模方法，該類方法主要面向概念設計階段，通過降低人體模型的真實程度以增強建模方法的交互性；其中，由于草繪交互方式符合傳統的人體設計模式，能夠較好地支持用戶表達創作意圖，因此近年來成為人體建模研究的熱點之一。根據特征映射機制及模型生成方法的不同，現有的草繪人體建模方法主要分為直接構造、參數化模板構造及模型形變三種類型。直接構造方法典型如文獻2 IgarashiT, Matsuoka S，Tanaka H. Teddy: a sketching interface for 3D freeform design.In:Proceedings of SIGGRAPH ‘99，ACM SIGGRAPH; 1999. p. 409-16 提出的基于草繪輪廓的自由形體模型生成方法，用戶分別繪制人體各部分輪廓線并膨脹生成相應部分的網格模型，最后混合各部分網格得到完整人體模型。由于網格膨脹機制所能表現的三維形狀極為有限，因此該方法所生成的肢體模型難以表現人體細節特征。參數化模板構造方法典型如文獻 3 Chen Mao, Sheng Feng Qin, David Wright, ChenMao, Sheng Feng Qinand Davidffright, Asketch-based approachto human body modelling, Computers &Graphics (2009)提出的基于截面模板的草繪人體建模方法，用戶分層次繪制人體骨架線及外輪廓線，并通過解析骨架特征及外輪廓特征得到模板形變參數直接構造得到結果模型。但是，構建參數化人體模板需要用戶進行大量交互，且結果模型的表現能力取決于人體模板的復雜性，一般只能表現手腿軀干部分的大致外形，而難以表現關節肌肉等復雜形狀特征。模型形變方法典型如文獻 4 Vladislav Kraevoy, Alla Sheffer, and Michiel van dePanne. Contourbased Modeling Using Deformable 3D Templates. Tech Report, 2007.提出的基于均值編碼坐標的形變方法，該方法允許用戶繪制人體模型在某一確定視角下的輪廓線，通過HMM方法將投影輪廓線與三維模型網格點進行對應，最后通過均值編碼坐標方法對該人體模型進行形變得到結果模型。但是該方法只能夠繪制人體外部輪廓線，且由于所匹配的網格點僅依賴于觀察視角，因此無法保證筆畫匹配過程的合理性；同時，由于未考慮人體模型的結構特性，因此模型形變時無法保證滿足人體模型的局部細節特征。概括起來，手繪草圖是三維人體網格模型創建的有效方式，但已有基于單幅草圖的三維人體網格模型創建方法對于用戶的繪制內容和所能表現的人體特征均有很大的限制，如直接構造方法和模型形變方法僅允許用戶繪制人體外輪廓，且所匹配的三維特征點僅依賴于觀察視角，因此無法保證特征映射過程的合理性，參數化模板構造方法雖然允許用戶繪制骨架線以體現人體模型的姿態，但是仍然不允許用戶繪制人體特征筆畫；直接構造方法生成的人體為膨脹體模型，因此難以表現人體細節特征，參數化模板構造方法所生成的人體模型，其表現能力取決于人體模板的復雜性，一般只能表現手腿軀干部分的大致外形，而難以表現關節肌肉等復雜形狀特征，模型形變方法雖然能夠保持網格模型的幾何特征，但由于沒有考慮人體結構特征而無法在形變幅度較大的情況下滿足人體生理學約束。顯然，現有的單視圖草繪人體建模方法難以滿足用戶較自由地進行形體設計的需要，如何捕捉用戶繪制過程中體現的人體特征，并將這些特征合理地映射到三維模型網格特征點，同時如何在模型形變的過程中滿足人體結構特征的約束也是手繪草圖交互創建三維人 體網格模型面臨的重要課題。
技術實現思路
專利技術目的本專利技術所要解決的技術問題是針對現有技術的不足，提供。為了解決上述技術問題，本專利技術公開了，包括以下步驟步驟一，模型預處理用戶繪制人體特征草圖S，并調整給定的三維人體姿態模型M0的觀察視角和人體姿態，使三維人體姿態模型M。的觀察視角和人體姿態與人體特征草圖S 一致；根據用戶在三維人體姿態模型M。上標定的人體關節點位置，并對三維模型網格點進行加權；步驟二，筆畫匹配在步驟一中調整后的觀察視角和人體姿態下，對三維人體姿態模型M0進行投影得到特征投影線集合SF，特征投影線集合Sf包括一組特征投影線；對每一條草圖筆畫線Si計算對應的候選特征投影線集合SF。，并在特征投影線集合Sfc中，遍歷查找所有可能與草圖筆畫線Si匹配的特征投影線組合，計算各特征投影線組合的組合代價集合Csi，并得到對應的特征投影線組合集合SFSi ;計算草圖筆畫線Si與特征投影線組合集合SFSi中各特征投影線組合的相似度，選擇相似度最高的特征投影線組合Ssi與草圖筆畫線Si進行匹配，I ^ i對所述匹配的草圖筆畫線Si和特征投影線組合Ssi建立隱馬爾科夫模型，將草圖筆畫線Si的草圖筆畫點與特征投影線組合Ssi中的特征投影線點進行匹配，并計算特征投影線點所對應的三維模型網格點在繪制平面的位移參數PDSi，所有特征投影線點對應的三維模型網格點位移參數構成三維人體姿態模型M。的特征點位移集合Pd ；步驟三，在三維人體姿態模型M0的特征點位移集合Pd的約束下，對三維人體姿態模型M。進行形變，得到最終的三維人體網格模型，從而實現三維人體多姿態建模。本專利技術中，優選地，步驟一中，包括以下步驟用戶顯式繪制人體特征草圖S=Is1, S2, , sn}，對人體特征草圖S中的草圖筆畫線Si進行筆畫分割，將所有草圖筆畫線識別為直線和橢圓兩類圖元；所述三維人體姿態模型記為MJ δ，a J，并以三維人體網格模型的形式顯示給用戶；用戶根據人體特征草圖S，調整三維人體姿態模型的觀察視角，使該三維人體姿態模型M0與人體特征草圖S的投影視角一致，在三維人體姿態模型MJ δ，a J上標定人體關節點位置；通過移動各人體關節點的位置調整人體姿態參數S和根關節點坐標α，使移動后的三維人體姿態模型與人體特征草圖S所繪制的人體姿態一致，移動后的人體姿態參數為δ /，根關節點坐標為α/，將所得到的三維人體姿態模型^(δ 本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種采用手繪草圖的三維人體多姿態建模方法，其特征在于，包括以下步驟：步驟一，模型預處理：用戶繪制人體特征草圖S，并調整給定的三維人體姿態模型Mo的觀察視角和人體姿態，使三維人體姿態模型Mo的觀察視角和人體姿態與人體特征草圖S一致；所述人體特征草圖為S={s1,s2,...,sn}，s1,s2,...,sn表示由草圖筆畫點構成的各條人體草圖筆畫線，n為人體特征草圖中的筆畫線數；所述三維人體姿態模型Mo包括一組三維模型網格點；根據用戶在三維人體姿態模型Mo上標定的人體關節點位置，對三維模型網格點進行加權；步驟二，筆畫匹配：在步驟一中調整后的觀察視角和人體姿態下，對三維人體姿態模型Mo進行投影得到特征投影線集合SF，特征投影線集合SF包括一組特征投影線；對每一條草圖筆畫線si計算對應的候選特征投影線集合SFC，并在特征投影線集合SFC中，遍歷查找所有可能與草圖筆畫線si匹配的特征投影線組合，計算各特征投影線組合的組合代價集合CSi，并得到對應的特征投影線組合集合SFSi；計算草圖筆畫線si與特征投影線組合集合SFSi中各特征投影線組合的相似度，選擇相似度最高的特征投影線組合SSi與草圖筆畫線si進行匹配，1≤i≤n；對所述匹配的草圖筆畫線si和特征投影線組合SSi建立隱馬爾科夫模型，將草圖筆畫線si的草圖筆畫點與特征投影線組合SSi中的特征投影線點進行匹配，并計算特征投影線點所對應的三維模型網格點在繪制平面的位移參數PDSi，所有特征投影線點對應的三維模型網格點位移參數構成三維人體姿態模型Mo的特征點位移集合PD；步驟三，模型形變：在三維人體姿態模型Mo的特征點位移集合PD的約束下，對三維人體姿態模型Mo進行形變，得到最終的三維人體網格模型，從而實現三維人體多姿態建模。...

【技術特征摘要】
1.一種采用手繪草圖的三維人體多姿態建模方法，其特征在于，包括以下步驟 步驟一，模型預處理用戶繪制人體特征草圖S，并調整給定的三維人體姿態模型M。的觀察視角和人體姿態，使三維人體姿態模型M。的觀察視角和人體姿態與人體特征草圖S —致；所述人體特征草圖為S=Is1, S2, , sn}, S1, S2, , Sn表示由草圖筆畫點構成的各條人體草圖筆畫線，η為人體特征草圖中的筆畫線數；所述三維人體姿態模型M。包括一組三維模型網格點；根據用戶在三維人體姿態模型Μ。上標定的人體關節點位置，對三維模型網格點進行加權； 步驟二，筆畫匹配在步驟一中調整后的觀察視角和人體姿態下，對三維人體姿態模型M0進行投影得到特征投影線集合SF，特征投影線集合Sf包括一組特征投影線； 對每一條草圖筆畫線Si計算對應的候選特征投影線集合Src，并在特征投影線集合Src中，遍歷查找所有可能與草圖筆畫線Si匹配的特征投影線組合，計算各特征投影線組合的組合代價集合CSi，并得到對應的特征投影線組合集合SFSi ;計算草圖筆畫線Si與特征投影線組合集合SFSi中各特征投影線組合的相似度，選擇相似度最高的特征投影線組合Ssi與草圖筆畫線Si進行匹配，I ^ i ； 對所述匹配的草圖筆畫線Si和特征投影線組合Ssi建立隱馬爾科夫模型，將草圖筆畫線Si的草圖筆畫點與特征投影線組合Ssi中的特征投影線點進行匹配，并計算特征投影線點所對應的三維模型網格點在繪制平面的位移參數PDSi，所有特征投影線點對應的三維模型網格點位移參數構成三維人體姿態模型M。的特征點位移集合Pd ； 步驟三，模型形變在三維人體姿態模型M。的特征點位移集合Pd的約束下，對三維人體姿態模型M。進行形變，得到最終的三維人體網格模型，從而實現三維人體多姿態建模。2.根據權利要求I所述的一種采用手繪草圖的三維人體多姿態建模方法，其特征在于，步驟一中，用戶繪制人體特征草圖S，對人體特征草圖S中的草圖筆畫線Si進行筆畫分害I]，將所有草圖筆畫線識別為直線和橢圓兩類圖元； 所述三維人體姿態模型記為^(δ，α0);用戶根據人體特征草圖S，調整三維人體姿態模型的觀察視角，使該三維人體姿態模型Μ。與人體特征草圖S的投影視角一致，在三維人體姿態模型^(δ，α0)上標定人體關節點位置；通過移動各人體關節點的位置調整人體姿態參數S和根關節點坐標α，使移動后的三維人體姿態模型與人體特征草圖S所繪制的人體姿態一致，移動后的人體姿態參數為δ '，根關節點坐標為α/，將所得到的三維人體姿態模型M。^ , α/ )作為模型形變的模板； 在三維人體姿態模型^(δ '，α。')上標記人體關節點位置，并對每個三維模型網格點Va計算其到最近人體關節點的距離Di,根據此距離Di對三維模型網格點Va進行加權。3.根據權利要求2所述的一種采用手繪草圖的三維人體多姿態建模方法，其特征在于，步驟二中，對三維人體姿態模型^(δ ' , α/ )計算以下幾何特征并投影 計算各三維人體姿態模型^(δ '，α。')中三維模型網格點的法向量與視向量的內積，并將內積小于閾值的三維模型網格點作為輪廓特征點；計算各三維模型網格點處的半徑曲率Kr以及半徑曲率Kr在曲面切線方向w上的方向導數Dw(Kr)，將Kr=O且Dw(Kr) >0的三維模型網格點作為暗示性輪廓點；計算三維人體網格模型虬(δ ' , α0')主曲率的局部極值點； 將上述輪廓特征點、暗示性輪廓點、以及主曲率局部極值點投影到繪制平面生成對應的投影點集，采用基于深度連續性的輪廓跟蹤算法將上述投影點集連接為特征投影線...

【專利技術屬性】
技術研發人員：孫正興，劉凱，張堯燁，宋沫飛，
申請(專利權)人：南京大學，
類型：發明
國別省市：