[发明专利]一种基于可变形螺旋线模型的人体建模方法

说明书

技术领域

本发明属于计算机视觉技术领域，特别是一种基于可变形螺旋线模型的人体建模方法。

背景技术

计算机视觉中的运动研究主要集中于对刚体运动的分析，对于现实生活中更加一般的非刚体运动，学者的研究还处于十分不成熟的阶段。当然，在过去的十几年中，非刚性的人体建模已经取得了一些成绩。Nahas等人使用了B样条曲面表示人身体和脸部的柔软的运动。Petland等人介绍了一种弹性非刚体运动的物理校正模型，此模型采用的是基于有限元的方法。Min等人使用了三种基本软体来对各种形状的人体上肢和肩部肌肉建模：一个点基元产生一个椭圆体，一组连接的线段产生一个圆柱体,一个三角网格产生一个复杂的形状。Sminchisescu等人构建了一种人体模型，它由通过关节点角度控制的运动骨架和覆盖在骨架上代表肌肉的超二次椭球体组成，每个肢体模型有大约30个节点参数、8个内部比例参数和9个变形参数。Plankers等人开发了一个连接弹性体三维形状和运动恢复的框架，把一种称为元球或软体的隐式曲面附在人体的连接骨架上并按照解剖学的近似程度来排列这些元球，这个人体模型共使用了230个元球，并使用B样条曲面片进行蒙皮。Apuzzo等人提出了一种简化的肢体模型，采用椭圆球来模拟骨架、肌肉和脂肪组织的大体状态，每个肢体仅用三个椭圆球附在肢体的骨架上并基于解剖学的近似程度排列，每个椭圆球有四个变形参数，每个肢体有三个椭圆球，因此每个肢体有十二个变形参数。除此之外，还可以用blobby分子、软体、卷积曲面等各种隐式曲面进行人体建模。

弹性连接刚体是连接刚体和非刚体的结合，人体是一种典型的弹性连接刚体。由于实际应用和需求的不同，作者总结人体建模有两个大的发展方向。一种是尽可能逼真的还原人体的三维轮廓和细节，这首先需要借助各种仪器或测量资料获得的大量点云数据，然后利用数学方法还原人体轮廓曲面，例如在3D游戏中游戏角色的建模，现代整形手术中的对人体部位的建模等。另一种方向则是一种抽象化的方式，这类建模通常将人体抽象为易于表达的方程或模式，如椭球，隐式曲面等，并从中参数化的提取人体轮廓特征。但是，现有的人体建模方法存在参数化模型难于描述、难以实现对细节的体现、精确度低等问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种精确度高、易于实现的基于可变形螺旋线模型的人体建模方法，以供运动分析、步态识别等应用。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于可变形螺旋线模型的人体建模方法，包括以下步骤：

步骤1，建立曲率和挠率受调控的参数方程螺旋线；

步骤2，针对待建模的物体，按照待建模物体的大小确定坐标轴，建立骨骼函数；

步骤3，采用轮廓拟合方法建立可变形螺旋线模型，即建立人体四肢部分的模型；

步骤4，采用三维绘图工具导出头部、手部和脚部模型的点云数据，建模并与四肢模型拼装组合人体模型。

进一步地，步骤1所述建立曲率和挠率受调控的螺旋线，具体如下：

从坐标原点起始，x轴方向与主轴相重合的螺旋线r的方程表示为：

其中f(x)和g(x)为模型轮廓的边界函数；t为参数方程变量，t的取值范围决定螺旋线的起始位置，m为决定生长速度的参数，令f(x)＝g(x)，该方程即是曲率和挠率受f(x)调控的一条三维曲线。

进一步地，步骤2所述骨骼函数的建立：令y和Y分别表示变形前后的边界，B(x)为骨骼函数，则有Y＝y+B(x)，B(x)表达x轴方向上模型的弯曲程度。

进一步地，步骤3所述采用轮廓拟合方法建立可变形螺旋线模型，其中轮廓拟合方法采用样条线拟合、傅立叶级数拟合、高斯拟合或多项式拟合。

进一步地，步骤3所述建立人体四肢部分的模型的过程中，包括将三维螺旋线蒙皮成三维曲面的过程，采用方法如下：在螺旋线的每一个周期即一圈上等距选取n个点，再将点数据连接成曲面，取点过程将螺线看作纬线，通过添加经线与纬线相交从而获得点数据。

进一步地，所述轮廓拟合方法采用高斯拟合，模型轮廓的边界函数f(x)如下：

f(x)＝aexp(-(bx-c)²)

其中，a为控制y轴和z轴方向轮廓尺度的参数，b、c为控制模型轮廓形变的参数。