三維人體模型的生成技術(shù)研究.pdf

1、三維人體模型生成是指在虛擬場(chǎng)景中利用計(jì)算機(jī)創(chuàng)建人的虛擬模型，它是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的經(jīng)典研究課題。該課題極具挑戰(zhàn)性，主要原因包括：一方面，三維人體模型具有高復(fù)雜度；另一方面，用戶很易察覺(jué)生成模型的失真度。
　　傳統(tǒng)的三維人體模型生成技術(shù)難以向大眾用戶提供切實(shí)可行的建模方法。對(duì)于3D創(chuàng)作軟件，用戶可以通過(guò)3d Max、Maya等創(chuàng)作生成期望的模型，但其操作需要專業(yè)的美工，并且制作耗時(shí)。隨著三維激光掃描儀的出現(xiàn)，三維模型的逆向重建變得可行，

2、但是激光掃描儀的昂貴價(jià)格使得其大部分應(yīng)用于科研或工業(yè)領(lǐng)域。上述兩種典型技術(shù)的缺陷嚴(yán)重限制了三維人體模型的生成，大眾用戶無(wú)法便捷地獲得自身的三維模型。
　　隨著商用深度相機(jī)的出現(xiàn)，大眾用戶可以擁有廉價(jià)的三維掃描設(shè)備。但是，深度相機(jī)的精度較低，原始的掃描數(shù)據(jù)難以滿足模型質(zhì)量的要求，這對(duì)數(shù)據(jù)的處理提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。
　　基于新型深度相機(jī)（如Kinect），本文研究了三維人體模型的生成問(wèn)題。此外，由于人體模型是由姿勢(shì)和形態(tài)這兩個(gè)因素決

3、定的，本文使用了人體模型的子空間，以提高人體模型生成的效率。本文的主要工作和創(chuàng)新點(diǎn)如下：
　　1、提出了新的三階圖匹配算法和Bézier樣條曲線填充算法，構(gòu)建了利用兩臺(tái)深度相機(jī)快速采集三維人體模型的系統(tǒng)。系統(tǒng)的采集過(guò)程可以在瞬間完成，配置簡(jiǎn)潔，操作靈活，可以在室外布置，具有應(yīng)用推廣價(jià)值。因?yàn)椴杉^(guò)程很短，用戶在采集過(guò)程中可以舒適地保持靜止姿勢(shì)。采集過(guò)程中，兩個(gè)已標(biāo)定的Kinect深度相機(jī)同時(shí)采集人的前后側(cè)?？紤]到Kinect的視角

4、有限（垂直可視角度為43°），在近距離范圍內(nèi)（大約1.5m）無(wú)法采集到人的全身，利用Kinect自帶的馬達(dá)驅(qū)動(dòng)改變俯仰角從而可以從前后側(cè)同時(shí)采集人的上中下三段，從而每個(gè) Kinect可以得到人體的三個(gè)采集片段。這些片段在降噪后通過(guò)三階圖匹配的方法剛性注冊(cè)在一起。因?yàn)樗械钠慰梢栽谒查g采集完，身體移動(dòng)導(dǎo)致的差異可以忽略，從而無(wú)需進(jìn)行非剛性注冊(cè)。前后采集數(shù)據(jù)之間的缺失可以通過(guò)貝塞爾曲線進(jìn)行填充。最終重建的網(wǎng)格模型具有較高的精度，可以顯示出

5、人的頭發(fā)、臉部和衣服上的皺褶。
　　2、提出了基于人體子空間和單幀深度數(shù)據(jù)生成人體參數(shù)化模型的算法，克服了深度相機(jī)精度和采集條件的限制，構(gòu)建了利用單臺(tái)深度相機(jī)的人體模型生成系統(tǒng)?；趩文康统杀旧疃认鄼C(jī) Kinect采集的單幀數(shù)據(jù)，本文結(jié)合先驗(yàn)知識(shí)，生成近似真實(shí)掃描數(shù)據(jù)的人體外形。本文不同于傳統(tǒng)人體生成方法：受限于 Kinect相機(jī)精度和采集條件的限制，其采集的單幀數(shù)據(jù)缺失很大、噪聲數(shù)據(jù)很多，從而難以利用局部幾何特征來(lái)精確重建。結(jié)合

6、人體是由形態(tài)、姿勢(shì)構(gòu)成的子空間這一全局先驗(yàn)知識(shí)，本文的方法很好彌補(bǔ)了數(shù)據(jù)缺失帶來(lái)的缺陷。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于Kinect采集的單幀數(shù)據(jù)，本文的方法能夠生成合理的人體外形。
　　3、基于改進(jìn)的參數(shù)化實(shí)時(shí)人體子空間模型和單幀深度視頻序列，提出一種重建人體幾何和運(yùn)動(dòng)的算法。算法具有無(wú)標(biāo)記點(diǎn)、實(shí)時(shí)生成等特征，能實(shí)時(shí)地完成模型的單視角生成，為動(dòng)作采集與重建提供了一種簡(jiǎn)易高效的方法。該算法簡(jiǎn)稱為實(shí)時(shí) SCAPE。它利用 SCAPE模型建立的人體

7、子空間，分別計(jì)算模型重建所需的形態(tài)和姿勢(shì)參數(shù)。首先，通過(guò)預(yù)處理方式，計(jì)算得到靜態(tài)的人體內(nèi)蘊(yùn)形態(tài)參數(shù)，從而獲得近似于真實(shí)人體的形態(tài)子空間模型。其次，為了實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)重建，本文用線性混合蒙皮（LBS）方法替代了原始SCAPE模型的姿勢(shì)引導(dǎo)變形，LBS方法執(zhí)行速度快并且能得到較好的變形結(jié)果。LBS的權(quán)重參數(shù)也是從人體子空間中學(xué)習(xí)得到，并且可以提前計(jì)算，運(yùn)動(dòng)重建過(guò)程中不再發(fā)生改變。從而，在線計(jì)算過(guò)程中，僅需求解LBS中的動(dòng)作變換參數(shù)，其可轉(zhuǎn)化為線性

8、變分方程的求解。在方程中，本文引入了附加的約束，以加強(qiáng)動(dòng)作的時(shí)空一致性，降低失真度。實(shí)驗(yàn)顯示，本文提出的算法能夠快速重建出高質(zhì)量的人體三維模型序列。
　　4、提出了一種基于人體子空間的三維人體模型編輯方法。對(duì)人體模型進(jìn)行簡(jiǎn)單編輯是很多應(yīng)用的核心。但是，編輯操作極易生成出不合理的結(jié)果，與真實(shí)的結(jié)果差距很大。這是因?yàn)槿梭w自身具有全局的一致性，并符合人體解剖學(xué)原理，局部的形態(tài)和姿勢(shì)調(diào)整也要符合上述原則。使用人體子空間這一先驗(yàn)知識(shí)，可簡(jiǎn)化