基于圖像的三維虛擬人建模技術(shù)研究.pdf

1、三維虛擬人建模是虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文提出了一種基于二維圖像創(chuàng)建三維虛擬人模型的方法，該方法可以在較短時(shí)間內(nèi)，利用普通的攝像設(shè)備重建個(gè)性化三維虛擬人。重建的三維虛擬人有著與真人相近的形體特征，并獲得和真人相似的紋理特性，具有高度的逼真性。這種虛擬人可以直接用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，再現(xiàn)真實(shí)人體的運(yùn)動(dòng)過程。本文主要的研究?jī)?nèi)容和成果包括： (1)借鑒人體測(cè)量學(xué)的相關(guān)原理，提出了在三維虛擬人表面模型上提取人體特征點(diǎn)和計(jì)算虛擬人相關(guān)人體尺寸

2、的新方法。首先利用三維虛擬人分塊和提取邊界的算法篩選出特征點(diǎn)，并提出了用求解圍度平面和三角網(wǎng)格交線的方法來計(jì)算虛擬人體圍度的算法。該方法的獨(dú)創(chuàng)性在于它可以精確地計(jì)算出三維虛擬人的各項(xiàng)基本人體尺寸，并為評(píng)價(jià)三維虛擬人模型的逼真度建立了新的量化標(biāo)準(zhǔn)。 (2)利用圖像處理技術(shù)，建立了新的在真人的二維透視圖像(正面和側(cè)面)和標(biāo)準(zhǔn)三維虛擬人二維正交投影(正視和側(cè)視)中分別提取人體二維輪廓和確定輪廓上人體特征點(diǎn)的算法，并實(shí)現(xiàn)了兩者對(duì)應(yīng)特征點(diǎn)

3、的匹配和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。將圖像處理技術(shù)應(yīng)用于三維虛擬人建模是目前尚未解決的技術(shù)難題，本論文提出的方法不僅拓展了圖像處理的應(yīng)用領(lǐng)域，而且明顯地提高了確定人體特征點(diǎn)的速度，使得快速建立特定對(duì)象的虛擬人模型成為可能。 (3)利用FFD(Extended Free-Form Deformation)自由變形技術(shù)，基于二維圖像特征點(diǎn)的對(duì)比結(jié)果，對(duì)三維標(biāo)準(zhǔn)虛擬人模型分別進(jìn)行局部變形和整體變形，獲得針對(duì)特定人體的三維虛擬人的靜態(tài)模型。變形后的三維虛

4、擬人表面模型具有和真人近似的形體特征，在主要人體尺寸比例和特征點(diǎn)位置方面也和真人相同，從根本上改變了以前所創(chuàng)建的虛擬人只是簡(jiǎn)單地更換模型的紋理來模擬真人的局面，向?qū)崿F(xiàn)三維虛擬人模型的真人化的方向更進(jìn)一步。 (4)提出并實(shí)現(xiàn)了從真實(shí)人體的正面和背面二維圖像上提取紋理，根據(jù)虛擬人三角網(wǎng)格的法線方向分別獲得正面和背面的紋理映射，并對(duì)正面和反面的交界處的紋理進(jìn)行紋理融合處理的新方法。這種紋理映射方法較為簡(jiǎn)單快捷，使得所創(chuàng)建的三維靜態(tài)模型

5、更加逼真。 (5)根據(jù)靜態(tài)模型的特征點(diǎn)計(jì)算關(guān)節(jié)點(diǎn)位置，然后連接關(guān)節(jié)點(diǎn)形成骨骼系統(tǒng)，最后建立骨骼系統(tǒng)的坐標(biāo)系，分析運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下骨骼系統(tǒng)的坐標(biāo)變換和運(yùn)動(dòng)控制方法，創(chuàng)建了基于二維圖像的三維虛擬人動(dòng)態(tài)模型。該方法創(chuàng)建的三維虛擬人動(dòng)態(tài)模型，不僅具有真實(shí)人體的形體特征，而且有和真實(shí)人體相近的骨骼系統(tǒng)，這是用傳統(tǒng)方法建立的表面虛擬人所不能實(shí)現(xiàn)的，它為模擬真人的運(yùn)動(dòng)過程提供了具有創(chuàng)新和借鑒作用的算法。 (6)研究并建立了三維虛擬人動(dòng)態(tài)模型

6、在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下皮膚的變形方法，演示了剛性變形方法、局部算子變形方法、骨架驅(qū)動(dòng)變形算法、基于交叉截面的變形方法和基于FFD的變形方法的具體算法，給出了每種算法的步驟和變形實(shí)例，分析了每種方法的優(yōu)缺點(diǎn)。利用皮膚變形算法，才能克服利用簡(jiǎn)單的棒狀模型機(jī)械地模擬人體骨骼運(yùn)動(dòng)的缺陷，使得所建立的三維虛擬人無論在靜態(tài)還是在運(yùn)動(dòng)過程中都保持逼真性，具有反映人體的幾何和運(yùn)動(dòng)雙重特性的能力。 (7)本文作者認(rèn)為基于真人的三維虛擬人運(yùn)動(dòng)再現(xiàn)是一個(gè)新的研