本發(fā)明涉及計算機圖形學相關(guān)領(lǐng)域，特別涉及一種組件式三維人像建模方法。

背景技術(shù)：

三維人像模型以數(shù)字化的方式表示了人類對象，目前已應(yīng)用到了與人類相關(guān)的各個領(lǐng)域，例如，三維電影、動漫、游戲、人體工程、三維照相等等。

由于人體對象結(jié)構(gòu)復雜，三維人像模型也由多個組件而構(gòu)成，包括三維人體、頭發(fā)、衣服和鞋襪等組件。其中，頭發(fā)、衣服和鞋襪等組件，以附屬物的方式，與核心的三維人體結(jié)合在一起。

當前的三維人像建模技術(shù)，根據(jù)建模人員的人工參與程度，可劃分為人工操作和自動掃描兩類：

1)人工建模。職業(yè)美工使用Maya，3Dmax、ZBrush等專業(yè)建模軟件，根據(jù)人體工程學的原理，建立符合人像特征的三維模型。但是，人工建模的難度大，只有技術(shù)熟練的高級職業(yè)美工才能建立預期的人像模型；此外，人工操作復雜，建模周期長。

2)自動掃描。三維掃描儀能夠自動地獲取三維人像的原始數(shù)據(jù)，進而通過表面重建技術(shù)，由計算機建立三維人像模型。但是，三維掃描儀大多價格昂貴，普通用戶一般不會購置。更嚴重的問題是，自動掃描所建立的三維人像模型是一個整體，不識別和分解三維人體、頭發(fā)、衣服和鞋襪等組件。

本發(fā)明將通過組件式的方法，實現(xiàn)三維人像建模。具體說來，就是預先建立三維人像的標準模板，包括標準的三維人體模板和三維頭發(fā)、衣物和鞋襪等附屬物組件模型。當建立預期的人像模型時，用戶簡單編輯三維人體模板，人體發(fā)生變形，進而帶動頭發(fā)、衣物和鞋襪等附屬物組件模型進行相應(yīng)的形變，達到預期的目標。

根據(jù)檢索，與本發(fā)明相關(guān)的專利包括：CN 200520081054、CN 201110364711、CN2013102159963。

CN 200520081054為具有組合結(jié)構(gòu)的三維人像，包括一個人像模型和一個臉部翻模。該人像模型的頭部前面形成一個被結(jié)合面，該臉部翻模的背面形成一個與之匹配的結(jié)合面，該臉部翻模通過其結(jié)合面與該被結(jié)合面結(jié)合而固定于人像模型頭部，成為一個完整的三維人像。與CN 200520081054相比，本專利所提及的三維人像，不是簡單的人像模型與臉部翻模的組合，而是人體、衣服、頭發(fā)和鞋襪等有意義組件的集合體。

CN 201110364711三維虛擬試衣的對象是根據(jù)真實人體的拍攝、處理而構(gòu)建的三維人體模型。通過量身定制系統(tǒng)，建立虛擬的服裝成衣，穿在三維人體模型上，直觀地顯示個性化試衣效果。與該專利的虛擬試衣不同，本專利中的衣服模型是預先穿在既有的三維人體模板上的，進而與頭發(fā)和鞋帽等發(fā)生變形，實現(xiàn)最終的三維人像模型。

CN 2013102159963為本課題組的三維人體形態(tài)和姿態(tài)的無標記點實時復原方法。該專利中提出了一種三維人體的參數(shù)化變形算法，該算法將用于本專利的三維人體模板變形中。變形的三維人體模板將進一步帶動衣服、頭發(fā)和鞋襪等組件的變形。從而，本專利進一步擴展了既有專利CN 2013102159963的范圍，從三維人體擴展到了三維人像模型上。

簡而言之，本專利關(guān)注的是一種組件式的三維人像建模方法，將三維人像中的人體、頭發(fā)、衣服和鞋襪等組件，通過簡單的參數(shù)編輯，建立最終的三維人像模型。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出一種組件式的三維人像建模方法，通過簡單編輯三維人體模板的運動姿態(tài)和幾何外形參數(shù)，實現(xiàn)三維人體模板的變形，進而帶動頭發(fā)、衣服和鞋襪等其余組件的變化，實現(xiàn)預期的建模結(jié)果。

本發(fā)明的工作流程(圖1)包括三個步驟：1)建立三維人像的標準模板。該模板包括三維人體模板和衣服、頭發(fā)和鞋襪等附屬物組件模型。并以三維人體模板為中心，建立三維人體與其余附屬物組件之間的對應(yīng)關(guān)系；2)變形三維人體模板。通過簡單調(diào)整人體的幾何外形參數(shù)(如身高、體重等)或者動作姿態(tài)參數(shù)(人體各個剛性塊的剛性變化)，生成預期的三維人體模型結(jié)果；3)變形衣服、頭發(fā)和鞋襪等附屬物。三維人體模板帶動衣服、頭發(fā)和鞋襪等附屬物組件，發(fā)生變形，實現(xiàn)最終的三維人像結(jié)果。

1)建立三維人像的標準模板

三維人像的標準模板包括人體、頭發(fā)、衣服和鞋襪等組件。在后文中，三維人像的組件分為兩類：核心的三維人體模板，衣服、頭發(fā)、鞋襪等附屬物模型。其建立過程包括以下三個子步驟：

a)生成核心的三維人體模板。在對三維人體數(shù)據(jù)庫進行全面分析的基礎(chǔ)上，充分考慮人體在動作姿態(tài)和幾何外形上的兩個變化子空間，建立線性化表示的人體參數(shù)化空間(即人體參數(shù)化信息)，同時生成該空間中用平均值表示的三維人體模板。簡而言之，生成一個附帶人體參數(shù)化信息的三維人體模板。

b)建立衣服、頭發(fā)和鞋襪等附屬物模型。通過人工建模的方法，基于三維人體模板，預先建立匹配的附屬物模型，即衣服、頭發(fā)和鞋襪等附屬物的三維模型。對于衣服，為標準的職業(yè)套裝(西服)的三維模型；對于頭發(fā)，為常見平頭發(fā)型的三維模型；對于鞋襪，為平底皮鞋和標準棉襪的三維模型。

c)構(gòu)建三維人體模板與附屬物模型間的對應(yīng)關(guān)系。在三維人體模板與附屬物模型上均勻稀疏采樣，建立表示兩者(三維人體模板與附屬物模型)之間對應(yīng)關(guān)系的連通圖G。該連通圖以采樣點作為節(jié)點，相鄰的節(jié)點通過無向邊相連。

2)三維人體模板變形

對于處于核心地位的三維人體模板，通過簡單的編輯操作來實現(xiàn)變形。人體的編輯變形進一步分為動作姿態(tài)和幾何外形兩個方面：

a)動作姿態(tài)變形。動作姿態(tài)被形式化地表示為線性混合蒙皮公式。線性蒙皮是人體各個剛性塊的剛性變換T和權(quán)重乘積的求和。由于人體各個剛性塊的權(quán)重是不變的，所以人體各個剛性塊的剛性變換T就是編輯動作姿態(tài)時的變形參數(shù)。對于人體各個剛性塊的剛性變換T，在三維人體模板變形的界面上，通過鼠標直接拖拽相應(yīng)的剛性塊即可得到。

b)幾何外形變形?；谥髟胤治?，幾何外形被線性化地表示為Θ＝Uθ+μ，其中，U為三維人體幾何外形子空間的基礎(chǔ)特征向量，μ則為三維人體的平均值外形(即前文所述的三維人體模板信息)，注意，U和μ均可預先求取，為不變量。θ為編輯三維人體幾何外形的變形參數(shù)。在具體實現(xiàn)過程中，通過子空間的線性等價變換，θ表示為有意義的人體參數(shù)集合(如身高、體重、胸圍、腰圍和臀圍等)，進一步方便了三維人體模板變形的實現(xiàn)。

綜上所述，通過編輯三維人體的動作姿勢參數(shù)T和幾何外形參數(shù)θ，就以簡便的方式，將三維人體模板進行變形，達到預期的三維人體建模結(jié)果。

3)衣服、頭發(fā)和鞋襪等附屬物的變形

三維人體模板B的變形，通過三維人體模板與衣服等附屬物模型之間的連通圖G，傳遞到衣服等附屬物A上，驅(qū)動它們發(fā)生相應(yīng)的變形。

假定，G的節(jié)點由三維人體模板B和附屬物模型A上的總計m個采樣點組成。建立圖G的節(jié)點后，將一個節(jié)點和其最近的6個節(jié)點連接在一起形成圖G的邊。

通過連通圖G，驅(qū)動衣服等附屬物發(fā)生變形的過程，可轉(zhuǎn)化為線性最優(yōu)化問題，如下面的公式所表示：

$\underset{R_1,t_1,...,R_m,t_m}{\arg \min }{E}_c+w_p{E}_p$

該式含有兩項：E_c項用來保證G中相鄰節(jié)點之間變形的一致性，E_p用來約束在B上節(jié)點的位置。w_p為兩項之間的權(quán)重，設(shè)為0.1。矩陣R_j和平移向量t_j表示了變形圖G中節(jié)點j的仿射變換。

E_c表示了上述相鄰節(jié)點之間變形的一致性。假定：g_j(j＝1,...,m)為第j個節(jié)點的位置，N(j)表示和第j個節(jié)點具有一條連接邊的相鄰節(jié)點集合。也就是說，如果節(jié)點j和k相鄰，則他們共同影響B(tài)和A的一部分區(qū)域。根據(jù)相鄰節(jié)點的仿射變換相似這一事實：如果節(jié)點j的仿射變換作用到節(jié)點k的位置后，它應(yīng)該接近節(jié)點k的仿射變換作用到其自身的位置。E_c的具體公式為：

$E_c=\underset{j=1}{\overset{m}{\Σ}}\underset{k\∈N\left(j\right)}{\Σ}\left|\right|R_j(g_k-g_j)+g_j+t_j-(g_k+t_k)|{|}^2$

其中，節(jié)點j的位置為g_j，變換矩陣為R_j，平移向量為t_j；相鄰節(jié)點k的位置為g_k，平移向量為t_k。

位置約束項E_p約束了B上節(jié)點的位置，表示為如下的函數(shù)：

$E_p=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\left|\right|v_i-v_i^{\′}|{|}^2$

其中，n為連通圖在B上節(jié)點的總數(shù)目，B中的第i個節(jié)點位置v_i變形后的新位置為v_i′。

通過求解變形過程的最優(yōu)化方程，即可獲得連通圖G每個節(jié)點的仿射變換。在計算出連通圖G每個節(jié)點的仿射變換后，G的節(jié)點位置發(fā)生改變。在衣服等附屬物A上的節(jié)點，將改變后的位置信息作用到附屬物A的相鄰頂點上，從而改變附屬物三維模型中頂點的位置，驅(qū)動衣服等附屬物A的變形。

綜上所述，通過改變?nèi)S人體模板的動作姿勢和幾何外形參數(shù)，用戶可以很容易地實現(xiàn)了三維人像模型(包括三維人體和衣服等附屬物)的編輯，完成建模任務(wù)。

有益效果：本發(fā)明公開了一種組件式的三維人像建模方法。與已有方法相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：1)首次實現(xiàn)了由三維人體、頭發(fā)、衣服和鞋襪等組件構(gòu)成的三維人像建模，有效推動了三維人像的建模技術(shù)發(fā)展；2)該三維人像建模是通過簡單編輯三維人體模板的動作姿態(tài)和幾何外形參數(shù)來實現(xiàn)的。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的工作流程圖。

具體實施方式

圖1為本發(fā)明的工作流程圖，如圖所示，本發(fā)明的具體實施方式包括以下步驟：

第一步：建立三維人像的標準模板。建立三維人體模板、衣服、頭發(fā)和鞋襪等組件，并用這些組件構(gòu)成三維人像的標準模板。同時，以參數(shù)化表示的三維人體模板為中心，通過采樣點建立三維人體模板與其余組件模型之間連通圖，構(gòu)建兩者之間的對應(yīng)關(guān)系。具體包括三個子步驟：

a)生成核心的三維人體模板；

b)建立衣服、頭發(fā)和鞋襪等附屬物三維模型；

c)構(gòu)建三維人體模板與附屬物模型間的對應(yīng)關(guān)系。

第二步：三維人體模板變形。通過簡單調(diào)整三維人體模板的參數(shù)，生成預期的三維人體模板變形結(jié)果。具體包括兩個子步驟：

a)動作姿態(tài)變形?；诰€性混合蒙皮公式，通過鼠標直接拖拽三維人體模板的各個剛性塊，即可實現(xiàn)動作姿態(tài)的變形；

b)幾何外形變形?；趲缀瓮庑蔚木€性化地表示，通過直接調(diào)整身高、體重等人體參數(shù)，即可實現(xiàn)幾何外形的變形。

第三步：衣服、頭發(fā)和鞋襪等附屬物的變形。三維人體模板變形，作用在三維人體模板與附屬物模型之間的連通圖上，連通圖每個節(jié)點的節(jié)點位置發(fā)生改變，進而驅(qū)動衣服、頭發(fā)和鞋襪等附屬物的變形。