一種基于可變形螺旋線模型的人體建模方法技術

本發明專利技術公開了一種基于可變形螺旋線模型的人體建模方法，包括以下步驟：步驟1，建立曲率和撓率受調控的參數方程螺旋線；步驟2，針對待建模的物體，按照待建模物體的大小確定坐標軸，建立骨骼函數；步驟3，采用輪廓擬合方法建立可變形螺旋線模型，即建立人體四肢部分的模型；步驟4，采用三維繪圖工具導出頭部、手部和腳部模型的點云數據，建模并與四肢模型拼裝組合人體模型。本發明專利技術既可以選取較少的參數簡易描述人體，又可以采取復雜擬合提高模型的細節和精確度，應用范圍廣泛。

A method of human body modeling based on deformable helix model

The invention discloses a human body modeling method based on deformation of helical line model, which comprises the following steps: 1, establish the curvature parameter equation of spiral line regulated; step 2, according to the modeling object, according to the Dai Jianmo objects to determine the size of the coordinate axes, establish skeletal function; step 3, the establishment of the deformable helix model using contour fitting method, namely the establishment of the model of human limbs; step 4, point cloud data using 3D drawing tools are head, hand and foot model, modeling and model and combined model of human limbs. The invention can simply select fewer parameters and describe the human body, and can adopt complex fitting to improve the details and the accuracy of the model, and has wide application range.

【技術實現步驟摘要】
一種基于可變形螺旋線模型的人體建模方法
本專利技術屬于計算機視覺
，特別是一種基于可變形螺旋線模型的人體建模方法。
技術介紹
計算機視覺中的運動研究主要集中于對剛體運動的分析，對于現實生活中更加一般的非剛體運動，學者的研究還處于十分不成熟的階段。當然，在過去的十幾年中，非剛性的人體建模已經取得了一些成績。Nahas等人使用了B樣條曲面表示人身體和臉部的柔軟的運動。Petland等人介紹了一種彈性非剛體運動的物理校正模型，此模型采用的是基于有限元的方法。Min等人使用了三種基本軟體來對各種形狀的人體上肢和肩部肌肉建模：一個點基元產生一個橢圓體，一組連接的線段產生一個圓柱體,一個三角網格產生一個復雜的形狀。Sminchisescu等人構建了一種人體模型，它由通過關節點角度控制的運動骨架和覆蓋在骨架上代表肌肉的超二次橢球體組成，每個肢體模型有大約30個節點參數、8個內部比例參數和9個變形參數。Plankers等人開發了一個連接彈性體三維形狀和運動恢復的框架，把一種稱為元球或軟體的隱式曲面附在人體的連接骨架上并按照解剖學的近似程度來排列這些元球，這個人體模型共使用了230個元球，并使用B樣條曲面片進行蒙皮。Apuzzo等人提出了一種簡化的肢體模型，采用橢圓球來模擬骨架、肌肉和脂肪組織的大體狀態，每個肢體僅用三個橢圓球附在肢體的骨架上并基于解剖學的近似程度排列，每個橢圓球有四個變形參數，每個肢體有三個橢圓球，因此每個肢體有十二個變形參數。除此之外，還可以用blobby分子、軟體、卷積曲面等各種隱式曲面進行人體建模。彈性連接剛體是連接剛體和非剛體的結合，人體是一種典型的彈性連接剛體。由于實際應用和需求的不同，作者總結人體建模有兩個大的發展方向。一種是盡可能逼真的還原人體的三維輪廓和細節，這首先需要借助各種儀器或測量資料獲得的大量點云數據，然后利用數學方法還原人體輪廓曲面，例如在3D游戲中游戲角色的建模，現代整形手術中的對人體部位的建模等。另一種方向則是一種抽象化的方式，這類建模通常將人體抽象為易于表達的方程或模式，如橢球，隱式曲面等，并從中參數化的提取人體輪廓特征。但是，現有的人體建模方法存在參數化模型難于描述、難以實現對細節的體現、精確度低等問題。
技術實現思路
本專利技術的目的在于提供一種精確度高、易于實現的基于可變形螺旋線模型的人體建模方法，以供運動分析、步態識別等應用。實現本專利技術目的的技術解決方案為：一種基于可變形螺旋線模型的人體建模方法，包括以下步驟：步驟1，建立曲率和撓率受調控的參數方程螺旋線；步驟2，針對待建模的物體，按照待建模物體的大小確定坐標軸，建立骨骼函數；步驟3，采用輪廓擬合方法建立可變形螺旋線模型，即建立人體四肢部分的模型；步驟4，采用三維繪圖工具導出頭部、手部和腳部模型的點云數據，建模并與四肢模型拼裝組合人體模型。進一步地，步驟1所述建立曲率和撓率受調控的螺旋線，具體如下：從坐標原點起始，x軸方向與主軸相重合的螺旋線r的方程表示為：其中f(x)和g(x)為模型輪廓的邊界函數；t為參數方程變量，t的取值范圍決定螺旋線的起始位置，m為決定生長速度的參數，令f(x)＝g(x)，該方程即是曲率和撓率受f(x)調控的一條三維曲線。進一步地，步驟2所述骨骼函數的建立：令y和Y分別表示變形前后的邊界，B(x)為骨骼函數，則有Y＝y+B(x)，B(x)表達x軸方向上模型的彎曲程度。進一步地，步驟3所述采用輪廓擬合方法建立可變形螺旋線模型，其中輪廓擬合方法采用樣條線擬合、傅立葉級數擬合、高斯擬合或多項式擬合。進一步地，步驟3所述建立人體四肢部分的模型的過程中，包括將三維螺旋線蒙皮成三維曲面的過程，采用方法如下：在螺旋線的每一個周期即一圈上等距選取n個點，再將點數據連接成曲面，取點過程將螺線看作緯線，通過添加經線與緯線相交從而獲得點數據。進一步地，所述輪廓擬合方法采用高斯擬合，模型輪廓的邊界函數f(x)如下：f(x)＝aexp(-(bx-c)2)其中，a為控制y軸和z軸方向輪廓尺度的參數，b、c為控制模型輪廓形變的參數。本專利技術與現有技術相比，其顯著優點為：(1)既可以選取較少的參數簡易描述人體，又可以采取復雜擬合提高模型的細節和精確度，適用于對人體模型的精度要求不同的應用場合，應用范圍廣泛；(2)所采取的人體建模方法折中兩大主流方法，在保留了參數化模型易于描述的優點的同時，又極大地提高了模型的細節度和精確度。下面結合附圖對本專利技術作進一步詳細描述。附圖說明圖1是本專利技術基于可變形螺旋線模型的人體建模方法的流程圖。圖2是基本螺旋線r，即輪廓函數為常量時的三維示意圖，其中(a)是水平方向視角圖，(b)是豎直方向視角圖。圖3是確定了輪廓函數和骨骼函數的可變形螺旋線示意圖，其中(a)是發生粗細變化的示意圖，(b)是發生彎曲變化的示意圖。圖4是完整的手臂螺旋線擬合圖和蒙皮后的效果圖，其中(a1)是手臂伸直狀態的原圖，(b1)是手臂半彎狀態的原圖，(c1)是手臂彎曲狀態的原圖，(a2)是手臂伸直狀態的螺旋線擬合圖，(b2)是手臂半彎狀態的螺旋線擬合圖，(c2)是手臂彎曲狀態的螺旋線擬合圖，(a3)是手臂伸直狀態的蒙皮后效果圖，(b3)是手臂半彎狀態的蒙皮后效果圖，(c3)是手臂彎曲狀態的蒙皮后效果圖。圖5是完整的腿部螺旋線擬合圖和蒙皮后的效果圖，其中(a1)是腿部伸直狀態的原圖，(b1)是腿部半彎狀態的原圖，(c1)是腿部彎曲狀態的原圖，(a2)是腿部伸直狀態的螺旋線擬合圖，(b2)是腿部半彎狀態的螺旋線擬合圖，(c2)是腿部彎曲狀態的螺旋線擬合圖，(a3)是腿部伸直狀態的蒙皮后效果圖，(b3)是腿部半彎狀態的蒙皮后效果圖，(c3)是腿部彎曲狀態的蒙皮后效果圖。圖6是局部模型的效果圖，其中(a)是頭部模型圖，(b)是手部模型圖，(c)是足部模型圖。圖7是建模對象及其人體建模總成效果圖，其中(a)是人體原圖，(b)是人體正面模型圖。圖8是目標視頻截取圖及對應幀數姿態的人體模型圖，其中(a1)、(b1)、(c1)分別為目標視頻中截取的三幀圖，(a2)、(b2)、(c2)為對應幀數姿態的人體模型示意圖。圖9是螺旋線模型擬合橢圓旋轉體模型的對比圖，其中(a)是橢圓旋轉體模型圖，(b)是對應擬合出的螺旋線模型圖。圖10是螺旋線模型擬合元球隱式曲面模型的對比圖，其中(a)是元球隱式曲面模型圖，(b)是對應擬合出的螺旋線模型圖。圖11是螺旋線模型擬合可變形橢球模型的對比圖，其中(a)是可變形橢球模型圖，(b)是對應擬合出的螺旋線模型圖。圖12是螺旋線模型擬合隱式曲面模型的對比圖，其中(a)是隱式曲面模型圖，(b)是對應擬合出的螺旋線模型圖。圖13是螺旋線模型擬合超二次曲面模型的對比圖，其中(a)是超二次曲面模型圖，(b)是對應擬合出的螺旋線模型圖。圖14是利用各種變形和高斯擬合模擬出的象鼻信息未蒙皮效果圖。具體實施方式下面結合附圖及具體實施例對本專利技術做進一步詳細說明。結合圖1，本專利技術基于可變形螺旋線模型的人體建模方法，包括以下步驟：步驟1，建立曲率和撓率受調控的參數方程螺旋線，具體如下：從坐標原點起始，x軸方向與主軸相重合的螺旋線r的方程表示為：其中f(x)和g(x)為模型輪廓的邊界函數；t為參數方程變量，t的取值范圍決定螺旋線本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于可變形螺旋線模型的人體建模方法，其特征在于，包括以下步驟：步驟1，建立曲率和撓率受調控的參數方程螺旋線；步驟2，針對待建模的物體，按照待建模物體的大小確定坐標軸，建立骨骼函數；步驟3，采用輪廓擬合方法建立可變形螺旋線模型，即建立人體四肢部分的模型；步驟4，采用三維繪圖工具導出頭部、手部和腳部模型的點云數據，建模并與四肢模型拼裝組合人體模型。

【技術特征摘要】
1.一種基于可變形螺旋線模型的人體建模方法，其特征在于，包括以下步驟：步驟1，建立曲率和撓率受調控的參數方程螺旋線；步驟2，針對待建模的物體，按照待建模物體的大小確定坐標軸，建立骨骼函數；步驟3，采用輪廓擬合方法建立可變形螺旋線模型，即建立人體四肢部分的模型；步驟4，采用三維繪圖工具導出頭部、手部和腳部模型的點云數據，建模并與四肢模型拼裝組合人體模型。2.根據權利要求1所述的基于可變形螺旋線模型的人體建模方法，其特征在于，步驟1所述建立曲率和撓率受調控的螺旋線，具體如下：從坐標原點起始，x軸方向與主軸相重合的螺旋線r的方程表示為：其中f(x)和g(x)為模型輪廓的邊界函數；t為參數方程變量，t的取值范圍決定螺旋線的起始位置，m為決定生長速度的參數，令f(x)＝g(x)，該方程即是曲率和撓率受f(x)調控的一條三維曲線。3.根據權利要求1所述的基于可變形螺旋線模型的人體建模方法，其特...

【專利技術屬性】
技術研發人員：王飛，康丹卉，
申請(專利權)人：南京理工大學，
類型：發明
國別省市：江蘇,32