本發(fā)明涉及一種三維建模工具，特別涉及一種基于動作捕捉的三維建模系統(tǒng)和方法。

背景技術(shù)：

產(chǎn)品的三維設(shè)計是產(chǎn)品制造過程中的重要內(nèi)容和核心步驟。產(chǎn)品三維模型的建立，工程師通?；谏虡I(yè)的cad平臺進行模型建立、模型編輯和模型操作，例如solidworks、ug和proe等?；谏虡I(yè)cad平臺的產(chǎn)品三維模型構(gòu)建，往往依賴于程式化的步驟，由設(shè)計工程師一步一步按照計算機的要求進行模型幾何、特征參數(shù)和約束的配置。例如，設(shè)計工程師往往先畫模型的二維草圖，然后約束草圖的各尺寸，再由草圖拉伸獲得掃掠的三維實體模型?；谏虡I(yè)cad平臺程式化的產(chǎn)品三維模型設(shè)計具有以下幾個方面的弊端：

1、產(chǎn)品三維模型的建立高度依賴草圖、基準點、基準線和基準面。設(shè)計工程師需要花費大量的時間在草圖設(shè)計，基準點、基準線和基準面等基準體系的設(shè)計上邊。產(chǎn)品三維模型的構(gòu)建過程是由二維草圖到三維、先有基準約束再有幾何/特征建模的過程。

2、基于二維草圖到三維、先有基準約束再有幾何/特征建模的程式化設(shè)計過程，跟人類對物理世界的三維認知習(xí)慣是相悖的。在進行產(chǎn)品三維設(shè)計時，需要在人腦中將三維模型轉(zhuǎn)化到二維草圖、再由二維草圖轉(zhuǎn)化到計算機中的三維模型的兩次轉(zhuǎn)換過程，這不僅需要占用較長的計算機操作時間，也分散了設(shè)計工程師的產(chǎn)品設(shè)計專注程度。

3、基于商業(yè)cad平臺程式化的產(chǎn)品三維模型設(shè)計，設(shè)計工程師與三維模型間的交互程度不夠，商業(yè)cad平臺只是給予設(shè)計工程師視覺上的感受，在手部動作直接交互方面的沉浸性還不夠。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的第一目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點與不足，提供一種基于動作捕捉的三維建模系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠通過直接捕捉的動作軌跡進行三維模型的建立、編輯和操作，因此能夠?qū)崿F(xiàn)在有了產(chǎn)品三維模型的初步概念設(shè)計之后，再給模型添加精確的幾何、特征和約束信息，實現(xiàn)先有幾何/特征三維模型、再有基準約束、符合人類三維物體認知習(xí)慣的正向設(shè)計。

本發(fā)明的第二目的在于提供一種上述系統(tǒng)實現(xiàn)的基于動作捕捉的三維建模方法。

本發(fā)明的第一目的通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)：一種基于動作捕捉的三維建模系統(tǒng)，包括動作捕捉系統(tǒng)和設(shè)置在終端的實體建模與編輯平臺；所述動作捕捉系統(tǒng)和終端進行通信連接；

所述動作捕捉系統(tǒng)包括動作捕捉工具和數(shù)據(jù)處理分析模塊；

所述動作捕捉工具，用于針對動作捕捉區(qū)域的動作軌跡信息進行實時捕捉，并且將捕捉的動作軌跡信息發(fā)送至數(shù)據(jù)處理分析模塊；

所述數(shù)據(jù)分析處理模塊包括第一分析處理模塊、第二分析處理模塊、第三分析處理模塊、第四分析處理模塊和系統(tǒng)工作狀態(tài)獲取模塊；

所述第一分析處理模塊，用于分析出用戶動作軌跡信息中的狀態(tài)切換動作信息，并且將狀態(tài)切換動作信息反饋至終端的實體建模與編輯平臺；

所述系統(tǒng)工作狀態(tài)獲取模塊；用于從終端的實體建模與編輯平臺中獲取當(dāng)前系統(tǒng)工作狀態(tài)信息，其中當(dāng)前系統(tǒng)工作狀態(tài)包括三維模型建模狀態(tài)、三維模型編輯狀態(tài)和三維模型操作狀態(tài)；

所述第二分析處理模塊，用于在三維模型建模狀態(tài)時，分析出用戶動作軌跡信息中的三維模型建模信息；

所述第三分析處理模塊，用于在三維模型編輯狀態(tài)時，分析出用戶動作軌跡信息中的三維模型編輯信息；

所述第四分析處理模塊，用于在三維模型操作狀態(tài)時，分析出用戶動作軌跡信息中的三維模型操作信息；

所述實體建模與編輯平臺包括狀態(tài)切換模塊、三維模型建立模塊、三維模型編輯模塊和三維模型操作模塊；

所述狀態(tài)切換模塊，用于根據(jù)狀態(tài)切換動作信息切換當(dāng)前系統(tǒng)工作狀態(tài)，并且將當(dāng)前系統(tǒng)工作狀態(tài)反饋至動作捕捉系統(tǒng)；

所述三維模型建立模塊，用于在三維模型建模狀態(tài)時，根據(jù)動作捕捉系統(tǒng)所分析出的三維模型建模信息建立三維模型；

所述三維模型編輯模塊，用于在三維模型編輯狀態(tài)時，根據(jù)動作捕捉系統(tǒng)所分析出三維模型編輯信息對三維模型進行編輯；

所述三維模型操作模塊，用于在三維模型操作狀態(tài)時，根據(jù)動作捕捉系統(tǒng)所分析出三維模型操作信息對三維模型進行操作。

優(yōu)選的，所述動作捕捉系統(tǒng)中的動作捕捉工具為多目攝像頭。

優(yōu)選的，所述動作捕捉系統(tǒng)數(shù)據(jù)還包括與數(shù)據(jù)分析處理模塊連接的數(shù)據(jù)采集卡，所述數(shù)據(jù)采集卡采集動作捕捉工具捕捉的動作軌跡信息，并且發(fā)送至數(shù)據(jù)分析處理模塊。

優(yōu)選的，所述三維模型建模信息包括三維實體幾何以及特征建模信息；所述三維模型編輯信息包括三維模型幾何特征變動信息；所述三維模型操作信息包括三維模型位置變換和裝配配合信息。

優(yōu)選的，所述設(shè)置有實體建模與編輯平臺的終端為個人計算機、平板電腦或智能手機。

本發(fā)明的第二目的通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)：一種基于動作捕捉的三維建模方法，包括如下步驟：

s1、動作捕捉系統(tǒng)針對動作捕捉區(qū)域的動作軌跡信息進行實時捕捉，同時終端的實體建模與編輯平臺將當(dāng)前系統(tǒng)工作狀態(tài)實時反饋至動作捕捉系統(tǒng)；動作捕捉系統(tǒng)實時分析動作軌跡信息中的狀態(tài)切換動作信息，在分析到動作軌跡信息中的狀態(tài)切換動作信息時，實時的發(fā)送至終端的實體建模與編輯平臺，同時動作捕捉系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前系統(tǒng)工作狀態(tài)針對捕捉的動作軌跡信息進行以下分析：

在三維模型建模狀態(tài)時，分析出動作軌跡信息中的三維模型建模信息，并且發(fā)送至終端的實體建模與編輯平臺；

在三維模型編輯狀態(tài)時，分析出動作軌跡信息中的三維模型編輯信息，并且發(fā)送至終端的實體建模與編輯平臺；

在三維模型操作狀態(tài)時，分析出動作軌跡信息中的三維模型操作信息，并且發(fā)送至終端的實體建模與編輯平臺；

s2、實體建模與編輯平臺接收到狀態(tài)切換動作信息時，根據(jù)狀態(tài)切換動作信息切換當(dāng)前系統(tǒng)工作狀態(tài)；同時實體建模與編輯平臺根據(jù)當(dāng)前系統(tǒng)工作狀態(tài)，進行以下處理：

在三維模型建模狀態(tài)時，根據(jù)接收到三維模型建模信息，通過三維重構(gòu)和渲染工具進行三維模型建立和顯示；

在三維模型編輯狀態(tài)時，根據(jù)接收到的三維模型編輯信息，通過三維重構(gòu)和渲染工具進行三維模型編輯；

在三維模型操作狀態(tài)時，根據(jù)接收到三維模型操作信息，對三維模型相應(yīng)的操作。

優(yōu)選的，在在三維模型建模狀態(tài)時，動作捕捉系統(tǒng)將三維模型建模信息以stl文件格式或gsl文件格式發(fā)送至實體建模與編輯平臺；

在三維模型編輯狀態(tài)時，動作捕捉系統(tǒng)將三維模型編輯信息以stl文件格式或gsl文件格式發(fā)送至實體建模與編輯平臺；

在三維模型操作狀態(tài)時，動作捕捉系統(tǒng)將三維模型操作信息以stl文件格式或gsl文件格式發(fā)送至實體建模與編輯平臺。

優(yōu)選的，所述三維模型建模信息包括三維實體幾何以及特征建模信息；所述三維模型編輯信息包括三維模型幾何特征變動信息；所述三維模型操作信息包括三維模型位置變換和裝配配合信息；

在三維模型建模狀態(tài)時，實體建模與編輯平臺根據(jù)三維實體幾何以及特征建模信息，通過三維重構(gòu)和渲染工具進行三維模型建立；

在三維模型編輯狀態(tài)時，實體建模與編輯平臺根據(jù)三維模型根據(jù)幾何特征變動信息，通過三維重構(gòu)和渲染工具對三維模型進行幾何以及特征變動；

在三維模型操作狀態(tài)時，實體建模與編輯平臺根據(jù)三維模型位置變換和裝配配合信息，對三維模型進行位置變換和裝配仿真。

優(yōu)選的，所述動作捕捉系統(tǒng)通過多目攝像頭針對動作捕捉區(qū)域的動作軌跡信息進行實時捕捉。

優(yōu)選的，所述動作捕捉系統(tǒng)通過第一分類器將用戶軌跡信息中的切換狀態(tài)信息分析出來；

在三維模型建模狀態(tài)時，動作捕捉系統(tǒng)通過第二分類器將用戶軌跡信息進中的三維模型建模信息分析出來；

在三維模型建模編輯狀態(tài)時，動作捕捉系統(tǒng)通過第三分類器將用戶軌跡信息進中的三維模型編輯信息分析出來；

在三維模型建模操作狀態(tài)時，動作捕捉系統(tǒng)通過第四分類器將用戶軌跡信息進中的三維模型操作信息分析出來。

本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)具有如下的優(yōu)點及效果：

本發(fā)明三維建模系統(tǒng)包括動作捕捉系統(tǒng)和設(shè)置在終端的實體建模與編輯平臺，由動作捕捉系統(tǒng)來獲取到三維模型建立、三維模型編輯和三維模型操作所需要的信息，實體建模與編輯平臺根據(jù)動作捕捉系統(tǒng)發(fā)送的三維模型建模信息、三維模型編輯信息和和三維模型操作信息進行三維模型的建立、編輯和操作，在本發(fā)明中，設(shè)計人員只需要通過手或者手持工具有目的的在動作捕捉系統(tǒng)的動作捕捉區(qū)域進行三維模型繪制、編輯和操作即可實現(xiàn)三維模型的建立、編輯和操作，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)在有了產(chǎn)品三維模型的初步概念設(shè)計之后，再給模型添加精確的幾何、特征和約束信息，實現(xiàn)先有幾何/特征三維模型、再有基準約束、符合人類三維物體認知習(xí)慣的正向設(shè)計。本發(fā)明三維模型的建立、編輯和操作過程是“所見即所得”的方式，能輔助涉及人員進行啟發(fā)式地設(shè)計，提高產(chǎn)品零部件設(shè)計效率，降低產(chǎn)品開發(fā)的周期，并且提高了設(shè)計工程師在建模過程中的沉浸性。

附圖說明

圖1是本發(fā)明三維建模系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

圖2是本發(fā)明中三維模型建立的流程圖。

圖3是本發(fā)明中三維模型編輯的流程圖。

圖4是本發(fā)明中三維模型操作的流程圖。

具體實施方式

下面結(jié)合實施例及附圖對本發(fā)明作進一步詳細的描述，但本發(fā)明的實施方式不限于此。

實施例

本實施例公開了一種基于動作捕捉的三維建模系統(tǒng)，如圖1所示，包括動作捕捉系統(tǒng)和設(shè)置在終端的實體建模與編輯平臺；所述動作捕捉系統(tǒng)和終端進行通信連接；本實施例中動作捕捉系統(tǒng)通過三維模型數(shù)據(jù)接口連接終端。

本實施例中動作捕捉系統(tǒng)包括動作捕捉工具、數(shù)據(jù)采集卡和數(shù)據(jù)處理分析模塊；在本實施例中動作捕捉工具為多目攝像頭。其中：

動作捕捉工具，用于針對動作捕捉區(qū)域的動作軌跡信息進行實時捕捉，數(shù)據(jù)采集卡采集動作捕捉工具捕捉的動作軌跡信息，并且發(fā)送至數(shù)據(jù)分析處理模塊；

數(shù)據(jù)分析處理模塊包括第一分析處理模塊、第二分析處理模塊、第三分析處理模塊、第四分析處理模塊和系統(tǒng)工作狀態(tài)獲取模塊；其中

第一分析處理模塊，用于分析出用戶動作軌跡信息中的狀態(tài)切換動作信息，并且將狀態(tài)切換動作信息反饋至終端的實體建模與編輯平臺；

系統(tǒng)工作狀態(tài)獲取模塊；用于從終端的實體建模與編輯平臺中獲取當(dāng)前系統(tǒng)工作狀態(tài)信息，其中當(dāng)前系統(tǒng)工作狀態(tài)包括三維模型建模狀態(tài)、三維模型編輯狀態(tài)和三維模型操作狀態(tài)；

第二分析處理模塊，用于在三維模型建模狀態(tài)時，分析出用戶動作軌跡信息中的三維模型建模信息；本實施例中三維模型建模信息包括三維實體幾何以及特征建模信息；

第三分析處理模塊，用于在三維模型編輯狀態(tài)時，分析出用戶動作軌跡信息中的三維模型編輯信息；本實施例中三維模型編輯信息包括三維模型幾何特征變動信息，其中幾何特征變動信息包括三維模型的高度、長度、寬度、曲率、顏色、面與面的連接方式、以及多個幾何體時的結(jié)合方式等信息；

第四分析處理模塊，用于在三維模型操作狀態(tài)時，分析出用戶動作軌跡信息中的三維模型操作信息；本實施例中三維模型操作信息包括三維模型位置變換和裝配配合信息；

本實施例中實體建模與編輯平臺包括狀態(tài)切換模塊、三維模型建立模塊、三維模型編輯模塊和三維模型操作模塊；其中：

狀態(tài)切換模塊，用于根據(jù)狀態(tài)切換動作信息切換當(dāng)前系統(tǒng)工作狀態(tài)，并且將當(dāng)前系統(tǒng)工作狀態(tài)反饋至動作捕捉系統(tǒng)；

三維模型建立模塊，用于在三維模型建模狀態(tài)時，根據(jù)動作捕捉系統(tǒng)所分析出的三維模型建模信息建立三維模型；

三維模型編輯模塊，用于在三維模型編輯狀態(tài)時，根據(jù)動作捕捉系統(tǒng)所分析出三維模型編輯信息對三維模型進行編輯；

三維模型操作模塊，用于在三維模型操作狀態(tài)時，根據(jù)動作捕捉系統(tǒng)所分析出三維模型操作信息對三維模型進行操作。

本實施例中設(shè)置有實體建模與編輯平臺的終端可以為個人計算機、平板電腦或智能手機。

本實施例還公開了一種基于上述三維建模系統(tǒng)所實現(xiàn)的基于動作捕捉的三維建模方法，包括如下步驟：

s1、動作捕捉系統(tǒng)通過多目攝像頭針對動作捕捉區(qū)域的動作軌跡信息進行實時捕捉，同時終端的實體建模與編輯平臺將當(dāng)前系統(tǒng)工作狀態(tài)實時反饋至動作捕捉系統(tǒng)；動作捕捉系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析模塊實時分析動作軌跡信息中的狀態(tài)切換動作信息，在分析到動作軌跡信息中的狀態(tài)切換動作信息時，實時的發(fā)送至終端的實體建模與編輯平臺，同時動作捕捉系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析模塊根據(jù)當(dāng)前系統(tǒng)工作狀態(tài)針對捕捉的動作軌跡信息進行以下分析：

在三維模型建模狀態(tài)時，分析出動作軌跡信息中的三維模型建模信息，并且發(fā)送至終端的實體建模與編輯平臺；在本實施例中動作捕捉系統(tǒng)將三維模型建模信息以stl文件格式或gsl文件格式發(fā)送至實體建模與編輯平臺；

在三維模型編輯狀態(tài)時，分析出動作軌跡信息中的三維模型編輯信息，并且發(fā)送至終端的實體建模與編輯平臺；在本實施例中動作捕捉系統(tǒng)將三維模型編輯信息以stl文件格式或gsl文件格式發(fā)送至實體建模與編輯平臺；

在三維模型操作狀態(tài)時，分析出動作軌跡信息中的三維模型操作信息，并且發(fā)送至終端的實體建模與編輯平臺；在本實施例中動作捕捉系統(tǒng)將三維模型操作信息以stl文件格式或gsl文件格式發(fā)送至實體建模與編輯平臺；

s2、實體建模與編輯平臺接收到狀態(tài)切換動作信息時，根據(jù)狀態(tài)切換動作信息切換當(dāng)前系統(tǒng)工作狀態(tài)；同時實體建模與編輯平臺根據(jù)當(dāng)前系統(tǒng)工作狀態(tài)，進行以下處理：

在三維模型建模狀態(tài)時，根據(jù)接收到三維模型建模信息，通過三維重構(gòu)和渲染工具進行三維模型建立和顯示，具體為顯示在終端的顯示屏上；本實施例中的三維模型建模信息包括三維實體幾何以及特征建模信息，實體建模與編輯平臺在三維模型建模狀態(tài)根據(jù)三維實體幾何以及特征建模信息建立對應(yīng)的三維模型。

在三維模型編輯狀態(tài)時，根據(jù)接收到的三維模型編輯信息，通過三維重構(gòu)和渲染工具進行三維模型編輯，并且通過終端顯示屏顯示編輯過程以及編輯結(jié)果；當(dāng)三維模型編輯信息為三維模型幾何特征變動信息時，則實體建模與編輯平臺在三維模型編輯狀態(tài)下，根據(jù)三維模型幾何特征變動信息對三維模型進行幾何特征變動的編輯和更新。

在三維模型操作狀態(tài)時，根據(jù)接收到三維模型操作信息，對三維模型相應(yīng)的操作。并且通過終端顯示屏顯示操作過程以及操作結(jié)果。當(dāng)本實施例中三維模型操作信息為位置變換和裝配配合信息時，則實體建模與編輯平臺在三維模型操作狀態(tài)下，根據(jù)位置變換和裝配配合信息對三維模型進行位置變換以及裝備仿真的操作。

本實施例上述方法中，動作捕捉系統(tǒng)通過第一分類器將用戶軌跡信息中的切換狀態(tài)信息分析出來；

在三維模型建模狀態(tài)時，動作捕捉系統(tǒng)通過第二分類器將用戶軌跡信息進中的三維模型建模信息分析出來；

在三維模型建模編輯狀態(tài)時，動作捕捉系統(tǒng)通過第三分類器將用戶軌跡信息進中的三維模型編輯信息分析出來；

在三維模型建模操作狀態(tài)時，動作捕捉系統(tǒng)通過第四分類器將用戶軌跡信息進中的三維模型操作信息分析出來。

其中第一分類器、第二分類器、第三分類器和第四分類器均可以為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，均為事先通過相應(yīng)訓(xùn)練樣本訓(xùn)練好的分類器。

在本實施例中動作捕捉系統(tǒng)實時的將捕捉到的設(shè)計人員的動作反饋至中的實體建模與編輯平臺，終端顯示屏以光標(biāo)形式實時顯示出設(shè)計人員手或者手持的工具在動作捕捉區(qū)域的具體位置，因此設(shè)計人員根據(jù)終端的顯示屏，可以知曉手或者手持的工具所在位置，因此設(shè)計人員通過終端顯示屏能夠有目的的對三維模型進行繪制、編輯或操作。

本實施中，如圖1所示，將系統(tǒng)工作狀態(tài)切換為三維模型建模狀態(tài)時，設(shè)計人員可以在多目攝像頭的動作捕捉區(qū)域有目的的用手或手持工具像三維繪畫一樣繪制實體的三維模型，此時動作捕捉系統(tǒng)中的多目攝像頭捕捉設(shè)計人員的動作軌跡，并且分析出三維建模信息(軌跡的系列三維空間坐標(biāo)點)后以stl文件格式或gsl文件格式發(fā)送至終端的實體建模與編輯平臺，實體與編輯平臺根據(jù)三維建模信息進行建模，并且通過終端的顯示屏實時的顯示出三維模型的繪制過程。比如在三維模型建模狀態(tài)下，設(shè)計人員在動作捕捉區(qū)域手繪一條橫線，根據(jù)隨著設(shè)計人員的動作，終端顯示屏上會顯示出一條橫線。

本實施例中，如圖3所示，將系統(tǒng)工作狀態(tài)切換為三維模型編輯狀態(tài)時，設(shè)計人員可以有目的地用手或手持工具，像泥塑工藝一樣編輯實體的三維模型；此時動作捕捉系統(tǒng)中的多目攝像頭捕捉設(shè)計人員的動作軌跡，并且分析出三維編輯信息(軌跡的系列三維空間坐標(biāo)點)后以stl文件格式或gsl文件格式發(fā)送至終端的實體建模與編輯平臺，實體與編輯平臺根據(jù)三維編輯信息對三維模型進行編輯，并且通過終端的顯示屏實時的顯示出三維模型的編輯過程以及編輯后的三維模型。比如在三維模型編輯狀態(tài)下，設(shè)計人員需要選擇實體與編輯平臺中的一個布料對三維模型進行渲染，此時設(shè)計人員可以在動作捕捉區(qū)域用手或手持工具選中布料，并且將布料拖至需要三維模型需要渲染的布料，隨著涉及人員的相應(yīng)動作，終端顯示屏?xí)@示渲染布料的拖至過程以及渲染完成后的三維模型。

本實施例中，如圖4所示，將系統(tǒng)工作狀態(tài)切換為三維模型操作狀態(tài)時，設(shè)計人員可以有目的地用手或手持工具操作實體建模與編輯平臺中的三維模型；此時動作捕捉系統(tǒng)中的多目攝像頭捕捉設(shè)計人員的動作軌跡，并且分析出三維操作信息(軌跡的系列三維空間坐標(biāo)點)后以stl文件格式或gsl文件格式發(fā)送至終端的實體建模與編輯平臺，實體與編輯平臺根據(jù)三維操作信息對三維模型進行操作，并且通過終端的顯示屏實時的顯示出三維模型的操作過程以及操作后的三維模型。比如在三維模型操作狀態(tài)下，設(shè)計人員需要選擇對三維模型進行移動，此時設(shè)計人員可以在動作捕捉區(qū)域用手或手持工具對三維模型進行移動，隨著涉及人員的移動動作，終端顯示屏?xí)@示渲染三維模型的移動過程以及移動后的狀態(tài)。

在本實施例中可以定義某個動作來驅(qū)動對當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài)進行切換，例如，以握拳動作驅(qū)動當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài)的切換，當(dāng)動作捕捉系統(tǒng)多目攝像頭捕捉到握拳動作軌跡時，則動作捕捉系統(tǒng)能夠從動作軌跡信息中分析出狀態(tài)切換動作信息，此時將狀態(tài)切換動作信息反饋至終端的實體與編輯平臺，終端的實體與編輯平臺在接收到狀態(tài)切換動作信息后對當(dāng)前系統(tǒng)工作狀態(tài)進行切換。

上述實施例為本發(fā)明較佳的實施方式，但本發(fā)明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。