基于模型驅(qū)動(dòng)的人體模型生成

基于模型驅(qū)動(dòng)的人體模型生成

1人體三維人體模型的制備虛擬用戶是計(jì)算機(jī)生成空間（虛擬環(huán)境）中幾何功能和行為特征的表達(dá)，也是許多虛擬環(huán)境的主角。隨著虛擬理論的發(fā)展，三維虛擬人員在許多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，對(duì)三維包裝的需求也越來越大。在人機(jī)功效方面,設(shè)計(jì)師們需要用各種不同體型的三維人體模型在虛擬交通工具中模擬人的各種行為和操作,以設(shè)計(jì)出對(duì)不同體型的乘客,甚至是嬰兒和殘疾人,都更舒適、更安全的交通工具;在體育領(lǐng)域,基于運(yùn)動(dòng)仿真技術(shù)的運(yùn)動(dòng)員輔助訓(xùn)練系統(tǒng)需要不同體型的虛擬人來仿真各種標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)作,以提供針對(duì)特定運(yùn)動(dòng)員的動(dòng)作參考、動(dòng)作分析、動(dòng)作編排等訓(xùn)練支持功能;在服裝設(shè)計(jì)和銷售領(lǐng)域,設(shè)計(jì)師需要不同體型的三維人體模型,輔以服裝仿真技術(shù),為不同用戶定制更加合體的服裝.在其他以人為主體的虛擬環(huán)境中,為了提高環(huán)境的逼真性,通常需要大量不同體型的三維人體模型進(jìn)行群體建模,來真實(shí)地模擬地鐵、商場(chǎng)中的人流等.目前,獲得三維人體模型的方法主要有兩種:(1)利用通用建模軟件Maya,3Dmax等繪制人體的三維模型.(2)利用三維掃描儀自動(dòng)獲得真實(shí)人體表面的幾何數(shù)據(jù).這兩種方法獲得的模型美觀、精確,但是建立單一人體模型的成本均較高.其中,利用通用建模軟件制作人體模型需要專業(yè)的三維建模師,而利用三維掃描儀則需要一些專業(yè)的軟件從掃描的數(shù)據(jù)中構(gòu)造出人體模型,速度較慢,成本較高.因此,這兩種方法均不適用于建立大量個(gè)性化的三維人體模型.為了滿足對(duì)大量個(gè)性化三維人體模型的需求,研究人員開始嘗試模型重用的思路,即利用傳統(tǒng)方法獲得單個(gè)或多個(gè)三維人體模型,通過對(duì)這些模型進(jìn)行變形、編輯等操作,獲得大量其他體型的人體模型.較有代表性的是,Seo等提出的利用樣條曲線對(duì)人體進(jìn)行局部編輯的方法.隨后,Seo等又提出了一種基于人體測(cè)量參數(shù)的個(gè)性化人體模型生成方法,根據(jù)8個(gè)人體測(cè)量參數(shù)的輸入值,對(duì)多個(gè)由三維掃描儀得到的人體皮膚表面模型進(jìn)行插值,生成個(gè)性化的人體皮膚表面模型.文獻(xiàn)的方法能夠重用已有的三維人體模型,通過簡(jiǎn)單地調(diào)整人體測(cè)量參數(shù)的輸入值,即可實(shí)時(shí)獲得相應(yīng)體型的人體表面模型,具有快速、簡(jiǎn)便等特點(diǎn),而且生成的人體模型具有個(gè)性化、逼真等優(yōu)點(diǎn);但是,這一方法僅能獲得人體表面模型,無法同時(shí)生成新人體模型的骨架,人體模型若要在虛擬環(huán)境中驅(qū)動(dòng)起來,還需利用專業(yè)軟件進(jìn)行骨架生成、骨架和表面模型綁定以及表面變形參數(shù)設(shè)置等煩瑣操作.本文提出了一種新的基于人體測(cè)量參數(shù)的人體模型定制方法,通過對(duì)21個(gè)人體測(cè)量學(xué)參數(shù)進(jìn)行交互式修改,實(shí)時(shí)定制個(gè)性化的人體模型.本文方法與Seo等方法的不同之處在于:(1)考慮到目前三維掃描儀尚未普及,本文采用一般的三維人體模型作為原型(或稱標(biāo)準(zhǔn)模型).(2)在表面模型編輯過程中同時(shí)獲得新的骨架模型,且時(shí)刻保持骨架和表面模型之間的匹配關(guān)系,使得生成的新人體模型可以直接在虛擬環(huán)境中驅(qū)動(dòng)起來.(3)采用21個(gè)人體測(cè)量參數(shù)控制人體模型的體型,能夠生成更為細(xì)致、豐富、廣泛的人體模型.2非cvhb的人體模型定制方法目前有許多三維虛擬人建模標(biāo)準(zhǔn),如VRML2.0中的H-Anim標(biāo)準(zhǔn),CVHB標(biāo)準(zhǔn),MPEG-4中也有一些相關(guān)規(guī)定.其中,CVHB標(biāo)準(zhǔn)兼容了H-Anim和MPEG-4標(biāo)準(zhǔn),同時(shí)對(duì)人體模型進(jìn)行了更為詳細(xì)的定義.本文將以CVHB標(biāo)準(zhǔn)的人體模型為例,闡述人體模型的定制過程,其原理及方法可以推廣到其他非CVHB標(biāo)準(zhǔn)的人體模型的定制中.在CVHB標(biāo)準(zhǔn)中,人體分為骨架層和表面層(或稱部位層).骨架層定義了人體主要關(guān)節(jié)的位置、自由度信息以及關(guān)節(jié)間、關(guān)節(jié)與部位間的層次關(guān)系;骨架層包括77個(gè)人體關(guān)節(jié)(如圖1a所示).表面層定義了人體各部位的幾何外形信息,通常用三角網(wǎng)格表示;表面層包括了人體53個(gè)部位(如圖1b?所示).每個(gè)部位被綁定在骨架層中的相應(yīng)關(guān)節(jié)上,使得骨架運(yùn)動(dòng)能夠直接驅(qū)動(dòng)表面層(如圖1c?所示).CVHB定義的模型初始姿態(tài)為立正姿態(tài),直立于XZ平面,雙腳正中位于坐標(biāo)系原點(diǎn),人體模型面朝+Z方向,左側(cè)為+X方向(坐標(biāo)系為右手坐標(biāo)系).人體標(biāo)準(zhǔn)姿態(tài)如圖2所示,其中手掌的初始狀態(tài)如圖3所示.3基于人體測(cè)量參數(shù)的模型調(diào)整3.1人體重要測(cè)量學(xué)參數(shù)的定義針對(duì)一般人體模型的特點(diǎn),本文選取21個(gè)對(duì)體型外觀有較大影響的人體測(cè)量參數(shù)作為模型定制的依據(jù),參數(shù)的具體名稱及描述如表1所示,更詳細(xì)的參數(shù)定義見文獻(xiàn).從表1可以看出,這21個(gè)人體測(cè)量學(xué)參數(shù)覆蓋了人體各處的細(xì)節(jié),能夠完整地描述人體的外形特征,反映不同體型人體之間的差別.與Seo等方法中依據(jù)8個(gè)人體測(cè)量學(xué)參數(shù)對(duì)模型進(jìn)行編輯相比較,能夠?qū)θ梭w的外形進(jìn)行更細(xì)微的控制,生成更為廣泛的人體模型.3.2幾何模型直接編輯人體測(cè)量參數(shù)作為一種尺度參數(shù),描述的是人體皮膚表面的幾何信息.由于人體運(yùn)動(dòng)是由骨架運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)表面來完成的,因此骨架層的真實(shí)性直接影響人體模型運(yùn)動(dòng)的逼真性.為方便模型將來的驅(qū)動(dòng),本文算法在定制過程中對(duì)標(biāo)準(zhǔn)模型的骨架層和表面層同時(shí)進(jìn)行編輯.獲得的新模型不僅在幾何外形上與輸入的人體測(cè)量參數(shù)值一致,其骨架的形狀也保持一致.在選定的21個(gè)人體測(cè)量參數(shù)中,與骨架有直接關(guān)系的是1～12號(hào)參數(shù),胸寬、胸圍、腰圍等其他參數(shù)的變化無法從骨架層中直接體現(xiàn)出來(這里所說的骨架是CVHB標(biāo)準(zhǔn)中經(jīng)過抽象的人體骨架,如圖1a所示,而非真實(shí)人體的骨架.)模型定制算法的步驟如下:Step1.依據(jù)12個(gè)與骨架有關(guān)的人體測(cè)量參數(shù)的值對(duì)標(biāo)準(zhǔn)模型骨架層進(jìn)行編輯.Step2.依據(jù)編輯后的骨架層信息對(duì)標(biāo)準(zhǔn)模型的表面層進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整.Step3.依據(jù)9個(gè)與骨架無關(guān)的人體測(cè)量參數(shù)的值對(duì)標(biāo)準(zhǔn)模型表面層的幾何模型進(jìn)行直接編輯,獲得所需的個(gè)性化人體模型.Step3.1.骨架層編輯.調(diào)整各關(guān)節(jié)點(diǎn)在三維空間中的位置,獲得與輸入的人體測(cè)量參數(shù)相對(duì)應(yīng)的人體的骨架模型.設(shè)標(biāo)準(zhǔn)模型的人體測(cè)量參數(shù)值為Si(1≤i≤21),輸入的人體測(cè)量參數(shù)值為S′i.編輯順序如下:a.由S5,S6求得腿部各關(guān)節(jié)的高度(即Y軸方向上的分量),由S1,S2和已求得的腿部父關(guān)節(jié)的高度得到軀干部分人體各關(guān)節(jié)的高度,再依據(jù)S9,S10求得手臂各關(guān)節(jié)的高度.b.按照S′3?S3的比例對(duì)上半身骨架進(jìn)行水平縮放,得到關(guān)節(jié)點(diǎn)在X方向上的分量.按照S′4?S4的比例對(duì)下半身關(guān)節(jié)進(jìn)行同樣操作.c.根據(jù)S′7?S7和S′8?S8以踝關(guān)節(jié)為中心對(duì)腳部骨架分別沿Y軸方向和Z軸方向進(jìn)行縮放,同時(shí)根據(jù)S′11?S11和S′12?S12以腕關(guān)節(jié)為中心對(duì)手部骨架分別沿Y軸方向和Z軸方向進(jìn)行縮放.Step3.2.依據(jù)骨架信息的表面層編輯a.依據(jù)當(dāng)前骨架信息,對(duì)標(biāo)準(zhǔn)角色模型的表面層和標(biāo)準(zhǔn)人體的表面層分別進(jìn)行編輯,使模型表面層的幾何模型與修改后的底層骨架相匹配.為使人體各部位能隨著骨架的調(diào)整自動(dòng)地進(jìn)行變化,需要為人體的各個(gè)部位定義一控制軸.以右大腿為例,其控制軸是它所附著的父關(guān)節(jié)(右髖關(guān)節(jié))與右小腿所附著的父關(guān)節(jié)(右膝關(guān)節(jié))間的連線.當(dāng)人體骨架發(fā)生變化時(shí),首先根據(jù)控制軸兩端關(guān)節(jié)的位置變化,求出相應(yīng)幾何變換矩陣(包括位移、旋轉(zhuǎn)和縮放);其次用該變換矩陣對(duì)該部位表面進(jìn)行相應(yīng)的幾何變換,實(shí)現(xiàn)人體各個(gè)部位的自動(dòng)調(diào)整.b.根據(jù)當(dāng)前骨架模型和標(biāo)準(zhǔn)人體表面模型更新參數(shù)Si(1≤i≤21)的值,獲得與骨架層無關(guān)的9個(gè)人體測(cè)量參數(shù)值(S13～S21).Step3.3.表面層直接編輯a.根據(jù)S′13?S13和S′14?S14分別得到頭部和頸部在X,Z方向上的縮放比例.b.首先對(duì)S15～S17的影響范圍作如下約定:S15(胸寬)主要影響胸部中下部和腹部上部的皮膚幾何模型在X軸方向上的比例;S16(平靜胸圍)主要影響的是上述兩部位在Z軸方向上的比例(X軸方向的比例已由S9確定);S17(腰圍)主要影響腹部中下部和臀部中上部的皮膚幾何模型在Z軸方向上的比例(X軸方向的比例已由S4確定);軀干部分表面幾何模型(胸部、腹部、臀部)上各點(diǎn)在X和Z方向上的具體縮放比例,可根據(jù)該點(diǎn)的高度和上述約定,由S15～S17插值求得.c.根據(jù)S′18?S18和S′19?S19分別得到上臂和下臂在X,Z方向上的縮放比例.根據(jù)S′20?S20和S′21?S21分別得到大腿和小腿在X,Z方向上的縮放比例.d.根據(jù)求得的縮放比例對(duì)人體每一部分進(jìn)行相應(yīng)的縮放操作.當(dāng)同一部位的不同位置上出現(xiàn)不同的縮放比例系數(shù)時(shí),應(yīng)采用插值的方法進(jìn)行平滑處理.4個(gè)性化三維人體模型的生成依據(jù)第3.2節(jié)的模型定制算法,本文實(shí)現(xiàn)了一個(gè)三維人體模型快速定制系統(tǒng),如圖4所示.載入一個(gè)基于CVHB標(biāo)準(zhǔn)的三維人體模型作為標(biāo)準(zhǔn)模型.根據(jù)表1中對(duì)各參數(shù)的描述求得標(biāo)準(zhǔn)模型的21個(gè)人體測(cè)量參數(shù)值,并顯示在系統(tǒng)右側(cè)對(duì)話框內(nèi).用戶可以在對(duì)話框中修改這些參數(shù)的值,也可以用鼠標(biāo)拖動(dòng)人體模型上的控制點(diǎn),系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)地響應(yīng)用戶這些操作,生成新的人體模型,包括表面層和骨架層.如果采用鼠標(biāo)拖動(dòng)控制點(diǎn)的方式生成新的人體模型,則新的人體測(cè)量參數(shù)值將在系統(tǒng)右側(cè)對(duì)話框內(nèi)顯示出來.圖5,6所示為由三維人體模型快速定制系統(tǒng)生成的個(gè)性化三維人體模型.5種人體模型編輯本文提出了一種新的個(gè)性化三維人體模型快速定制方法.沿用S