[发明专利]利用骨骼约束计算透视投影成像模型中比例因子的方法

说明书

【技术领域】

本发明涉及计算机视觉和视频处理领域，特别涉及透视投影成像模型中比例因子的计算方法。

【背景技术】

基于视频的人体三维运动姿态提取在人机交互、互动娱乐、智能监控、医疗诊断等领域具有极大的应用价值。如何根据已知的视频帧中人体关节二维坐标重构其三维姿态则是应用的关键。在透视投影模型下，如果已知关节对应的比例因子，那么就可以计算出该关节在世界坐标系下的三维坐标，进而根据逆运动学和人体骨骼模型得到该关节旋转的欧拉角，即获得了人体的三维运动姿态。

目前，常用的比例因子估算方法是将实际的透视投影模型近似为比例正交投影模型，在该投影模型下，根据一定的约束条件估算出一个最优比例因子，从而根据比例正交投影模型计算出人体的三维姿态。但是该方法存在以下缺点：1)所有的人体关节对应同一个比例因子，但是实际上由于各个关节并不处于同一个成像面上，因而各个关节对应的比例因子是不一样的，故由该方法估算出来的比例因子并非真实的比例因子。2)将实际的透视投影模型近似为比例正交投影模型，会使得根据该模型计算出来的人体关节三维坐标与真实坐标值偏差较大。

【发明内容】

鉴于此，本发明的目的在于提供一种简单精确的比例因子计算方法。本方法利用骨骼长度不变性约束及对称骨骼发生旋转时其骨骼长度相等的约束来精确计算人体骨骼模型中根关节对应的比例因子。在计算出根关节对应的比例因子后就可以根据逆运动学及人体骨骼模型计算出当前帧中人体的三维运动姿态。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

1、从人体骨骼模型中选取两个对称的骨骼段，比如左髋骨骼段及右髋骨骼段。

2、在视频帧中标注这两个骨骼段包含的三个关节点，得到该三个关节点的二维图像坐标。

3、将得到的三个关节二维图像坐标传入根据约束条件建立的非线性方程组中，利用拟牛顿法解该方程组得到根关节对应的比例因子。该步也可采用以下分步骤获得。

3.1任给一个大于零的比例因子，根据两对称骨骼长度相等的约束条件计算得到在该比例因子下骨骼旋转时造成的骨骼段两关节在Z轴上的变化量dz。

3.2将上一步计算得到的变化量dz，根据三维空间中任意两点的距离计算公式得到在该比例因子和变化量dz的情况下对应的骨骼长度。

3.3将上一步计算得到的骨骼长度根据其与人体骨骼模型中该骨骼长度的比例关系得到一个骨骼段两关节在Z轴上的变化量dz₁。

3.4将上一步计算得到的变化量dz₁根据骨骼长度不变性约束计算出根关节对应的比例因子s。

与现有技术相比，本发明具有以下显著优势：

1、计算方法简单，只需要解几个方程或解一个非线性方程组就可以得到根关节对应的比例因子。

2、计算得到的比例因子精度高。由于在计算过程中采用的成像模型是真实的成像模型(透视成像模型)，因而计算出来的比例因子精度高。理论上讲，如果视频的分辩率高、关节点标注准确、成像过程无畸变，则计算得到的比例因子就是真实值。

3、能够应用于单目视频的人体三维姿态提取。由本发明计算出来的根关节的比例因子可以根据逆运动学及人体骨骼约束得到人体的三维运动姿态，能够广泛应用于人机交互、互动娱乐、虚拟现实等领域。

【附图说明】

图1是本发明采用的人体骨骼模型图；

图2是图像上骨骼在三维空间中同一z坐标下两候选骨骼示意图；

图3是满足骨骼相等约束条件的两候选骨骼在三维空间中的示意图；

图4是骨骼在三维空间中旋转后的示意图；

图5是满足骨骼相等约束条件的两平行候选骨骼示意图；

图6是本发明应用于三维人体姿态提取例子图；

【具体实施方式】

下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

我们将人体看成是一种树型棍状模型，如图1所示该骨骼模型由16个关节点及15个身体段组成，其中J₁为树型结构的根节点，对应人体的盆骨关节，L₉，L₁₂分别为左右髋骨骼。模型中的线段(人体骨骼段)长度根据人体测量学得到，为一相对比例长度，在应用中应该根据实际测量值设置，其中L₉的长度等于L₁₂的长度。

我们采用的透视投影成像模型如下：