（计算机应用技术专业论文）基于特征点的人体建模过程与实现.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 三维人体建模技术一直是国内外众多学者研究的热点。不同应用领域对人 体模型的创建要求各不相同。如何快速创建个性化人体模型也就成为建模的关 键和研究的重点。 针对上面的问题，本文分析了人体模型表面各个组成部位。当前三维人体 模型的表示方法主要有线框模型、曲面模型、实体模型和物理模型等方法，而 本文采用了曲面建模方法。利用d a z3 d 三维人体造型软件中自带的标准人体 模型作为本论文研究所用的通用三维人体模型，将此人体模型导出为以o b j 模型文件格式进行保存，用于人体特征数据的获取。 本文利用o b j 模型文件格式的特点，用三角形基元表示了通用三维人体模 型的表面。在通用三维人体模型特征点提取中，采用人体模型组成部位突出的 特征，提取了用于人体体型改变的特征点，用这些特征点计算通用三维人体模 型的三围尺寸；采用脸部鼻尖点的突出特征，并结合对脸部区域的划分方法提 取了人体脸部的特征点。在通用三维人体体型设计过程中，为了避免直接利用 o b j 模型文件的分组对人体表面变形后出现裂缝的问题，本文用已经获取的人 体特征点对组成人体部位的数据进行了重新分配，按照人体三围尺寸与身高的 比例关系，结合f f d 局部变形算法实现了人体体型的改变。在通用三维人体 脸部个性化的设计过程中，根据人体脸部特征点和各组成部位的比例关系，采 用整体变换和局部变换算法实现了人脸个性化。通过对人体脸部和人体体型的 变换，最终实现了个性化人体的建模。 通过实验表明，采用该方法具有成本低、使用方便、建模迅速等特点；同 时用户可以旋转，从多角度观察模型，还可以远观、近观模型。在实际应用中， 具有一定的参考价值。 关键词：f f d ；三维人体模型；特征点；体型；个性化人体 西南交通大学硕士研究生学位论文第1i 页 a bs tra c t 3 dh u m a nb o d ym o d e l i n gh a sa l w a y sb e e nah o tr e s e a r c hb ys c h o l a r sa th o m e a n da b r o a d d i f f e r e n ta p p l i c a t i o n sf i e l dr e q u i r ed i f f e r e n th u m a nm o d e l i ti sf o c u s a n dk e yf o rt h es t u d yt oh o wt oq u i c k l yc r e a t eap e r s o n a l i z e dh u m a nm o d e l a c c o r d i n gt ot h ea b o v ep r o b l e m s ，t h i st h e s i sa n a l y z e st h ec o m p o s i t i o no f h u m a nb o d ys u r f a c em o d e l t h ec u r r e n tm e t h o d so ft h r e e d i m e n s i o n a lh u m a nb o d y m o d e la r ew i r e f r a m em o d e l ，s u r f a c em o d e l ，s o l i dm o d e l ，p h y s i c a lm o d e la n ds oo n t h i st h e s i su s e st h es u r f a c em o d e l i nt h et h e s i s t h e3 dg e n e r a lh u m a nm o d e li s o b t a i n e db yt h ed a z3ds o f t w a r et h a tc o m e sw i t ht h es t a n d a r db o d y ，a n ds a v e da s t h eo b jf i l ef o r m a tt h a ta c c e s st ot h eh u m a nf e a t u r ed a t a i nt h i st h e s i s ，b yu s i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so fo b jf i l ef o r m a t ，t h eg e n e r a l3 d h u m a nb o d ym o d e lo ft h es u r f a c em a r kw i t ht h et r i a n g l ep r i m i t i v e s i nt h eg e n e r a l 3dh u m a nb o d ym o d e lf e a t u r ep o i n t so fe x t r a c t i o n ，a c c o r d i n gt ot h ed i s t i n g u i s h c h a r a c t e ro ft h eg r o u p i n go fh u m a nb o d yp a r t s ，w ee x t r a c ts o m ef e a t u r ep o i n t st h a t c a nc h a n g et h eh u m a nb o d ys h a p e u s i n gt h e s ef e a t u r ep o i n t s ，w ec a l c u l a t e dt h e h u m a nb o d ys h a p eo ff e a t u r es i z e a c c o r d i n gt ot h ep r o n a s a l ea n dt h ed i v i s i o no f f a c er e g i o n ，w ee x t r a c ts o m ef a c i a lf e a t u r ep o i n t s i nt h eg e n e r a l3 dh u m a nb o d y s h a p em o d e l i n gp r o c e s s ，t oa v o i dt h ed e f o r m a t e dc r a c kb yd i r e c t l yu s i n gt h eo b j f i l eo ft h eg r o u pf o rt h eh u m a nb o d ys u r f a c e ，w er e d i s t r i b u t et h eh u m a nb o d yp a r t s d a t a b yt h ee x t r a c t e d f e a t u r ep o i n t s a c c o r d i n gt ot h er a t i ob e t w e e nt h e m e a s u r e m e n t so fah u m a n st h r e el i n e sa n dt h eh e i g h t ，w ea c h i e v et h eh u m a nb o d y s h a p ec h a n g ew i t h t h ef f dl o c a la l g o r i t h m i nt h eg e n e r a l3dh u m a nf a c e p e r s o n a l i z e dp r o c e s s ，a c c o r d i n gt ot h ef a c i a lf e a t u r ep o i n t sa n dt h er a t i ob e t w e e n t h ee a c hp a r t so fh u m a nf a c e w er e a l i z et h ep e r s o n a l i z e df a c i a lw i t ht h eo v e r a l l t r a n s f o r m a t i o na n dl o c a lt r a n s f o r m a t i o na l g o r i t h m f i n a l l y ，b yt h ef a c i a la n db o d y s h a p eo ft r a n s f o r m a t i o nw ei m p l e m e tt h ei n d i v i d u a lh u m a nb o d ym o d e l i n g u n d o u b t e d l y ，t h i sm o d e l i n gm e t h o di sl o wc o s t ，e a s y ，a n dr a p i da n ds oo nb y e x p e r i m e n t s a tt h es a m et i m e ，t h eu s e rc a nr o t a t et h em o d e la n do b s e r v ei t f r o m t h ed i f f e r e n ta n g l ea n dd i s t a n c e i nt h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o n ，i th a sr e f e r n c ev a l u e s k e yw o r d s ：f f d ；t h r e e d i m e n s i o n a lh u m a nb o d ym o d e l ；f e a t u r ep o i n t s ；b o d y s h a p e ；i n d i v i d u a lh u m a n 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口。，在年解密后适用本授权书； 2 不保密酬，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“ ) 巢寸、 学位论文作者签名：茸毛 兰 指导老师签名： 日期： w f d 6 。f 1 日期： 莎，f 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 本文通过对三维人体模型的研究，设计了用人体特征尺寸的变化来改变人 体模型的体型，用参数值使人脸个性化， 本论文用人体模型组成部位的突出特征的方法提取了用于人体体型改变的 特征点，并用这些特征点计算人体模型的特征尺寸；人体脸部的特征点提取是 用脸部鼻尖点的突出特征，并结合对脸部数据区域划分的方法。在设计过程中， 克服了直接对o b j 模型文件中各个分组使用f f d 算法出现的裂缝；用f f d 自 由网格变形算法来实现人体体型的表面形状改变；采用普通人脸到特定人脸的 整体变换和局部变换算法实现了人脸个性化。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 靴论文作者硌童毛 日期： o 石。f f 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 课题背景 第1 章绪论 计算机图形学作为计算机科学与技术学科的一个独立分支已经历了几十年 的发展历程。其中，三维人体建模一直是国内外众多学者研究的热点。不同应 用领域，对人体建模的要求各不相同。下面从三个方面介绍。 在计算机人体动画中，人体建模、皮肤变形技术、人体运动控制技术都具 有困难性和挑战性。其中主要原因是1 1 4 j ：第一，人体运动复杂性；第二，人体 曲面的不规则性，且人体肌肉随着人体运动而变形；第三，人本身是计算机人 体动画的主要观赏者和评价者，所以对人体在计算机动画中的运动和皮肤变形 很敏感。目前，商业三维建模软件如m a y a 所使用的“蒙皮”技术，是通过指 定皮肤顶点与骨骼之间的连接关系和相应的权重，当骨骼运动时，用加权相加 的方法将皮肤顶点相关的骨骼运动传递到皮肤顶点，这样皮肤能随着骨骼的运 动而变形。这种方法的缺点是：当关节弯曲时皮肤会出现穿透等现象，这样的 问题出现是因为该方法忽略了骨骼与皮肤之间的肌肉、脂肪等的生理结构信 息，而只考虑了骨架层和皮肤层之间的关系。除了用三维软件建模的方法外， 还可以通过三维扫描设备装置得到一系列真实人体运动姿态的模型，通过插值 人体中间姿态的模型，就能生成逼真的人体动画模型效果。 在入机设计环境中，如航空航天领域、汽车制造等应用领域【l5 1 ，人体建模 大致分三步：第一，确定人体模型的组成部分，即人体器官和关节以及几何外 型等，并获取描述人体模型的空间方位及运动物理参数等各种数据。第二，确 定人体建模的全局坐标系，并使人体各组成部分的局部坐标简化，以便于分析 计算。第三，消除人体模型尺寸的误差，限定各关节运动的范围，并对人体模 型添加附加的约束，构造人机系统模型。总之，在这种系统中所描述的人体模 型参数主要包括：人体尺寸与各部位的尺寸、质量、惯量和体积等参数。 在服装设计应用领域的人体模型设计中，创建三维人体模型的外形与人体 几何尺寸间有着较紧密的对应关系，同时也是整个三维服装c a d 系统的基础。 因此，所采用的三维人体建模方法能否在具体人体模型实现中发挥作用，就决 定了整个系统的设计质量与运行效率，但是实现方法的好坏在很大程度上又依 赖于建模方法的原理。目前，虚拟服装定制系统，也即电子化量身定制服装 e m t m p9 1 ( e l e c t o r n i cm a d et om e a s u r e ) 的实现方法是通过利用现代三维人体 扫描技术、计算机技术和网络技术将服装生产中的人体测量、体型分析、款式 选择、服装设计等各个环节有机的结合起来，实现高效快捷的数字化服装生产 直重至些銮兰壁主旦錾生兰丝鲨塞翌g 蚕 链，如图1 1 。 # i & # $ t 程m 装定制 亘固 目 _ 一晨 l 黼4 # & 撼4 图1 一le m t m 系统结构图 瞳 本论文主要研究了人体模型三围尺寸的变化对通用三维人体模型的体型影 响，并实现了人体模型的重建实验和研究。 12 目前三维人体建模技术的研究现状 自从交互式计算机图形学诞生后，许多研究者都纷纷提出了各种建模技术 的方法i ”，建模途径主要如下。 1基于解剖学的数字人体建模 从生理解剖学的角度分析，人体可分为皮肤层、肌肉层、骨架层和组织器 官层。以此为基础对人体进行建模时，可采用基于数字人体横断切片图像数据 的几何建模方法，例如1 9 9 1 年和1 9 9 4 年，科罗拉多大学负责数字化人体建 模的的研究员分别选择了身高1 8 2 c m 的男性和身高1 5 4 c m 的女性各一个活体作 为研究载体，研究人员在他们死后，用c t 和般i 做了轴向扫描，男共1 8 7 8 个 断面，女共5 l8 9 个断面。研究人员可以利用这些切片建立模拟人体中每一个 实际组成部分。用这种方法建立的是人体实体模型下图卜2 就是中国利用类 似的方法建立的人体实体模型i 】”。这种方法需要用特殊仪器，同时需要对人 体做特殊处理。 j 瑟 a 数字人体软组织重建结果 b 数字人体 豳1 2 解剖学数字人体模犁 2 基于三维扫描仪的人体建模 这类方法是用三维扫描仪获取三维人体的信息，三维扫描仪是整个系统的 重要工具和核心部分。该方法的优点是能快速方便的将真实世界的信息转换成 计算机所需的数字信号；缺点是需要获取的数据量大，重建速度幔。图1 3 就 是同本b o d y l i n es c a r l t l c r - - - $ 人体扫描系统【”。 图卜3 日本b o d y l i n es c a g t d e t 三维人体扫描系统 3 基于图像的人体建模 利用视频图像序列或照片序列中获得的二维图像中获取人体的几何特征 根据人体轮廓和几何特征重建人体模型的这种方法是基于图像的人体建模。这 种建模方法的优点是建模费用比较低。缺点是一方面需要在获取人体图像时要 求人穿紧身衣服或内衣：另一方面这种建模方法所获得的三维人体模型精度和 建模速度不容易达到平衡。图卜4 是基于正侧面图片的人体建模1 “。 贪雪嚣 4 参数化人体建模 幽1 4 基于正侧面目片的人体建模 参数化人体建模技术是基于传统几何建模方法上的一种更为抽象的一种建 模方法。此方法是用几何约束来表达人体模型的形状特征，用抽象的特征参数 表达真实人体复杂的外部几何特征使设计人员能够更高更抽雾的进行人体模 型设计。用参数化控制人体的身体测量尺寸的好处是，操作员只需修改形体参 数的值，就可以使人体的形状改变，而不必考虑人体本身。瑞士日内瓦大学 m i r a l a b 实验室的h y e w o ns e o 、f r e d e t i c c o r d i e r 、n a d i a m a g n e n a t t h a l m a n n 等提出了一种参数化修改人体模型的仿真合成方法1 1 0 1 如图1 5 ，该方 法是利用一些如脂肪比例、腰臀比等人体个性化参数来修改标准人体模型，从 而使所获取的人体模型具有较强的真实感。但该方法要求用户提供的参数需要 专业人员通过专业的医学设备进行获取并计算出来。 棚 猾 而 图1 5 参数化形体修馥的人体模型 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 1 3 本文研究意义及研究内容 1 3 1 研究意义 三维人体模型在虚拟穿衣、虚拟现实、计算机动画中得到了广泛的应用。 三维人体建模也出现了很多种方法，但是在实际应用中还是存在这样或那样的 不足之处，具体归纳如下f 5 】： 1 人体模型个性化动态变形过程的造型相当乏力，有的人体建模技术甚至 无法实现人体模型的个性化。 2 对人体模型躯干部分的研究比较多，头部模型个性化的研究较少，即没 有考虑面相与体型的匹配问题。 3 人体建模技术的研究与行业应用背景不相符合，有的人体建模技术甚至 无法集成到实际应用中。 4 缺乏对建立大量个性化人体模型的支持，效率低下。 因此，本论文从通用的角度出发，在有限资源条件下对人体进行了详细的 分析，结合变形技术实现通用三维人体模型在人脸和体型的个性化，且能够快 速的建立个性化的三维人体模型。 1 3 2 研究目标及内容 考虑到低成本和现有设备有限的前提，为了能使三维人体模型个性化，而 无需采用数据库存储人体数据。本论文通过免费d a z3 d 建模软件中自带的标 准人体模型作为本论文通用的三维人体模型，并结合网格变形技术实现此三维 人体模型的个性化。 本论文实现的通用三维人体模型个性化主要分为以下几个阶段( 图卜6 ) 。 1 人体模型的获取，对人体模型各个部位的研究。 2 人体特征点的获取，用于人体体型改变的特征尺寸的计算。 3 个性化人体体型部分，使用自由变形算法f f d 来实现；个性化人脸部分， 本论文使用整体变换和局部变换来实现。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 图卜6 三维人体模型个性化重建示意图 目前国内外有很多人提出建立人体模型库，通过用户提供的特征尺寸来寻 找相近人体模型，这种方法需要建立数据库系统，随着人体模型的增多在查询 时消耗时间就越多。以降低成本和查询耗时为基础，本论文通过变形算法对已 有标准人体模型的体型进行个性化，通过特定人脸算法使人脸个性化，从而使 整个人体模型个性化，这种方法不需要数据库，不存在查询耗时。 1 4 论文结构 本论文共分为5 章： 第1 章：介绍了论文的选题背景、目前三维人体建模技术，最后介绍了本 文研究的意义与研究内容。 第2 章：详细分析了三维人体建模技术的方法，给出了如何获取人体三维 模型数据，比较分析了常规人体建模方法和本论文所用的人体建模方法。 第3 章：分析了人体外形的基本结构，研究了人体特征点的分布，以及如 何提取人体特征点的方法和人体特征尺寸的计算方法。 第4 章：分析了f f d 自由变形算法，把f f d 算法应用到人体体型的改变和 人体简单姿势的改变中；分析了通用人脸到特定人脸变换的算法，实现了对已 有通用人脸个性化。给出了实验的结果。 第5 章：介绍了v c + + 与o p e n g l 三维图形软件包，本应用程序的功能和实 验结果，实现了基于特征点的人体建模。 第2 章三维人体建模技术的方法 21 三维人体建模技术的方法 自2 0 世纪中期以来，三维人体建模技术得到了广泛的研究和应用，并出现 了许多不同的建模方法”，如线框模型、实体模型、表面模型和基于物理特 性的建模方法。 线框模型是最早、最简单的一种建模方法。也是三维人体建模最早使用的 建模方法。线框模型的主要优点是结构简单，操作方便，可以产生任意视图， 对硬件要求不高，c p u 和存储的开销低。但是不能很好、逼真、形象的表示人。 实体建模技术是2 0 世纪6 0 年代就已经提出。此方法一方面可以提供物体 完整的信息，另一方面，可以实现对可见边的判断，具有消隐的功能。 基于物理特性建模( p h y s i c a l y - b a s e dm o d e l i n g ) 的思想是1 9 8 7 年ahb a r r 提 出的l 。该思想应用到人体建模中主要体现在；将人体本身的物理特性加入到 几何模型中通过数值计算对人体进行仿真而人体的行为则在仿真过程中自 动确定。这样能很好的体现人体本身所具有的物理特性。使三维人体动画仿真 效果更佳。 2 1 1 表面模型面的表示方法 表面建模又叫曲面建模。表面建模是通过对物体的各个表面进行描述的一 种建模方法。在建模时，先将复杂物体外表分解成若干个面，表面建模中面的 表示方法主要有两种： 1 用三角形作为基元面构成物体表面。任何物体都可以用三角形基元面来 逼近，如果三角形越多则物体表面越光滑，如图2 1 。 9o 田2 1 三角基元表示物体 2 用曲面片作为基元面来表示物体的表面。比较流行的如c o o n s 曲面、 百雪錾鎏盔主孽圭童基害羞堡垒塞望2 要 b e z ie r 曲面、n u r b s 曲面等等。对复杂的物体是通过拼接各面素来构造成 具体的物体模型，如图2 - 2 就是用b e z i e l 曲面拼接而成的模型。 21 2 表面建模的方法 陶2 - 2g e z je r 曲面模型 表面模型的优点在于增加了物体面的信息，三维物体在完整性、严密性方 面部比线框模型更进一步，且能够比较完整的定义三维物体表面。使用表面建 模的方法能提供三维人体模型的表面信息，也能实现隐藏线消除和真实感三维 人体模型显示。目前，表面建模的方法主要有如下三种】。 通过一组多边形描述的方法 主要原理是：用顶点定义每个多边形，在一个平面上依次连结多边形的几 个顶点，这样就构成了一个封闭的平面多边形。多边形可以是凸多边形和凹多 边形，用凸多边形的好处是内部任意两点之间的连线决不会出现在凸多边形之 外，但是凹多边形就很容易出现这样的问题，所以需要把凹多边形分解成凸多 边形。因此曲面的描述就由一系列有序的凸多边形构成，最简单的凸多边形 就是三角形。 2 用代数曲面描述的方法 如b e z i e r 曲面、b 样条曲面、非均匀b 样条( n u r b s ) 曲面都叫做双参数 化曲面。这些曲面是借助带参数的数学表达式来实现的可以用于离散点的曲 面拟台。 3 结合碎片描述的方法 在构成复杂物体弯曲的表面时，需要用许多小曲面片来实现物体表面的光 滑效果。使用这种方法构成的物体就叫做碎片法。小曲面片由4 条边界来定义， 运4 条边界一般都不是直线，而是用三维曲线，因而由这4 条曲线组成的空间 四边形是扭曲的小曲面。通常用b c z i e r 、b 样条和n u r b s 来生成这些小曲面 片，并根据曲面连续性条件构成光滑连续的物体表面。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 2 2 通用三维人体数据的获取方式 在现有实验条件下，利用三维建模软件中自带的人体模型作为本论文研究 的通用三维人体模型。 首先，将d a z3 d 软件中自带的标准人体模型及参数导出并保存为o b j 格 式的文件。o b j 模型文件中包含了通用三维人体模型表面的顶点数据，如人体 表面特征点数据，且在o b j 模型文件中这些顶点的数据是按组，如头部、颈部、 胸部、腹部、臀部、大腿、小腿、手上臂、手下臂等存贮的。 下面简单介绍一下o b j 文件【5 引，o b j 文件有两种；第一种是基于 c o f f ( c o m m o n0 b j e c tf i l ef o r m a t ) 格式的o b j 文件即目标文件，这种格式用于 编译应用程序；第二种是a l i a s l w a v e f r o n t 公司推出的o b j 模型文件，也就是 本论文所用的格式。此格式的文件是由一行行文本组成，可以用写字板打开、 修改文件的内容。还可以把此o b j 模型文件导入到m a y a 、p o s e r 等其它三维建 模软件中观看、修改此模型文件表示的模型。o b j 模型文件具有以下特点【53 1 。 1 o b j 模型文件的优点是对模型数据进行了分组管理，但此文件不包含动 画、材质特性、贴图路径等信息，而是用注释表示相关材质信息，且材质特性 保存到m t l 文件中。 2 o b j 模型文件主要用三角形或四边形作为基元面构成模型表面。 3 。o b j 模型文件保留了基元面的法线和贴图坐标。因此能很容易对模型进 行纹理贴图使模型更具有真实感。 下面是一个简单o b j 模型文件的数据结构。 群t h eu n i t su s e di nt h i sf i l ea r ec e n t i m e t e r s g 组名 v 参数1 参数2 参数3 v t 参数l 参数2 v n 参数1 参数2 参数3 so f f g 组名称 u s e m t l 材质名称 f 参数1 参数2 参数3 参数4 堕直窑誊銮主塑圭蟹基生主垡笙塞兰1 2 要 其中，o b j 模型文件的注释行是以一个“扩号开头，空格和空行可以随意加 到文件中以增加文件的可读性。有宇的行都由一两个标记字母即关键字开头， 关键字可以说明这一行是什么数据。对于多行可以用连接符( ) 链接在一起 表示一行，但是需要注意连接符后面不能出现空格否则会出错。o b j 模型文 件的主要关键字如表2 一l 。 表2 - 1o b j 主要的关键字 名称 说明 # 后面的内容表示文件的注释 v 表示物体的顶点( v e r t e x ) 后面的三个参数表示x ，y ，z 坐标 v t 表示贴图坐标( t e x t ur ev e r t i c e s ) 后面两个参数表示贴图坐标s ，t v n 表示顶点法线( v e r t e xn o r m a l s ) 后面三个参数表示法向量的x ，y ，z 坐标 g 表示模型组名称( g r o u pi l a m e ) s 表示光滑缩( s m o o t h i n gg r o u p ) u s e m t l 袭示模型组所用材质名称( m a t e r i a lf l a m e l f 表示面( f a c e ) 后面的四个参数使用的是顶点的索引号 圈2 3 就是用o b j 模型文件表示的一个立方体，详细参数见附录l 。 图2 - 3 立方体 本文充分利用o b j 模型文件的特点把所需标准人体模型里有用人体坐标 信息提取出来用于个性化人体建模的研究，提取出来的数据存放结构如下i 盯l 。 o b j 模型文件的结构 t y p e d e fs t r u c t g l m m o d e l g l u i n tn u m v e r t i c e s ：肛模型中顶点的数十 g l f l o a t v e r t i c e s ：a 顶点数组 g l u i n tn u m n o r m a ls g l f l o a t + n o r m a l s ： a 模型中法向量的数目 一法向量数组 g l u i n tn u m t e x c o o r d s a 模型中纹理坐标的数目十 g l f lo a t * t e x c o o r d s ： a 纹理坐标数组 6 l u i n t n u m f a c e t n o r m s ： 模型中片面法向量数目 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 g l f l o a t * f a c e t n o r m s ：水片面法向量数组木 g l u i n t n u m t r i a n g l e s ： g l m t r i a n g l e * t r i a n 9 1 e s ： g l u i n t g l m g r o u p * ) g l m m o d e l ： n u m g r o u p s ： g r o u p s ： 水模型中三角形面片的数目木 木三角形面片数组木 水模型中组的数目，i ： 宰所有组构成的链表木 三角面片数据结构 t y p e d e fs t r u c t g l m t r i a n g le g l u i n tv i n d i c e s 3 ： ，k 顶点木 g l u i n tn i n d ic e s 3 ：木顶点法向量在法向量数组中的下标木 g l u i n tt i n d i c e s 3 ：，l c 顶点纹理坐标在纹理坐标数组中的下标术 g l u i n tf i n d e x ： 木三角形片面的法向量数据木 g l m t r j a n g l e ： 模型中的组结构 t y p e d e fs t r u c t g l y g r o u p c h a r * n a m e ：水组名称木 g l u i n t n u m t r i a n g l e s ：水组中包含的三角形面片数目木 gluint*triangles：半三角形面片数组：i c s t r u c t g l m g r o u p * n e x t ： 术组的指针；i ： ) g l m g r o u p ： 在程序设计中定义了如下两个变量m o d e l 、g r o u p 用于获取模型中数据和组 数据。 g l m m o d e l 木m o d e l ： g l m g r o u p 牛g r o u p ： 定义了三维顶点数据变量用于存放所需的临时顶点数据。 c v e c t o r 3 d 宰mp g r o u p p t s ： 2 3 通用三维人体建模方法的确定 通过2 1 节的分析，本论文采用表面建模方法。在表面建模中最简单的是 基于三角面片的表面模型，其次是基于参数的表面模型如b e z i e r 曲面、b 样条 曲面、n u r b s 曲面。其中n u r b s 曲面可以通过控制点和权因子来改变物体的 形状。但是使用n u r b s 曲面对人体表面建模时存在如下弊端【3 1 。 1 需要把获取到的人体数据点作为样条函数的型值点反算出控制顶点，最 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 后根据控制点生成n u r b s 曲面实现人体表面建模。因此在这个建模过程花费 时间多。 2 人体模型表面的复杂性决定了用n u r b s 曲面不可能次生成整个人体， 所以比较合适的方法是先找到人体表面的特征点，然后根据特征点确定人体表 面的特征线并根据特征线对人体曲面做块分割，生成n u r b s 曲面块，最后 再拼接这些曲面块构成完整的人体模型。这种分割的方法存在的缺点是：人体 外部形状组成部分的连接处都要对曲面进行拼接，例如臀部和犬腿，胳膊和胸 部等，这无疑给建模带来了难度和复杂性。 本文采用三角形基元表示人体表面模型，这样做的好处是 1 因为这样简单，不必考虑人体各个组之间的面片拼接问题，而只需用三 角面片对相邻曲面进行连接即可。 2 在获取人体曲面型值点后，不用计算人体曲面的控制点，而是直接把型 值点作为三角面片的顶点，实现人体的表面模型。 3 现有的计算机处理小平面的速度比处理曲面速度快得多。而且用三角面 片表示的模型很容易实现三角面片构成的表面模型与三角线框模型问切 换。 图2 - 4 是本文用到的局部人体模型，表2 2 是对用n u r b s 曲面和三角面片 重建此局部人体模型所消耗时间的对照表。 表2 - 2 曲面与三角面片横酗重建对照最( 单静：m s 圈2 4 局部人体模型 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 第3 章三维人体数据特征点的获取 3 1 三维人体特征点的分布 人体的形体复杂，不仅表现在外形的复杂，更表现在如何能真实的反映人 体外部的几何形状。本论文从人体静态模型出发进行考虑，在研究时略去了人 体运动时的模型。 一个完整的人体由多个部位组成，略去人体内部结构，人体外形结构大致 是由头部、颈部、躯干、左右手臂、左右手、左右腿、左右脚等组成。再进一 步细分后头部有眼睛、鼻子、耳朵、嘴巴等，躯干有胸部、腹部、臀部，手有 上手臂、前手臂、手指等，脚有大腿、小腿、脚趾等，图3 1 是人体外形部位 组成示意图【3 1 。 图3 - 1 人体外形组成示意图 3 1 1 人体脸部特征点的分布 不同人脸之间存在很大的差异，但也有共同特点，如人脸部轮廓、眼睛、 鼻子、嘴巴等组成部分可以近似看作椭圆，且这些组成部分在整个脸部的位置 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 是相对稳定的。对于一个特定的人而言，眼睛大小、鼻子的高低、嘴唇形状等 都刻画了这个人的脸部特有的个性16 1 。在m p e g 一4 中特别定义了和人脸相关的 一些标准，用一些特征点作为人脸动画参数来刻画复杂的人脸表情，还用人脸 定义参数描述人脸模型和人脸纹理。结合本论文的特点，在人脸模型上定义3 2 个特征点【1 6 1 7 1 ，如图3 2 。 鼻基点 嘴角点 额头点 图3 2 人脸特征点与区域示意图 本文所以用到人体脸部特征点有，鼻尖点，鼻翼点，鼻基点，额头点，头 顶点，嘴角点，上嘴皮点，下嘴皮点，内外眼角点，下巴点等等。 3 1 2 人体特征点的分布 人体复杂还因为每个人的体型不相同，有胖的、高的、瘦的、又高又瘦的 等等。虽然人体体型的差异较大，但是所有的人体都能用共性的术语来进行描 述，例如对素未谋面的人，常常以人的身高、胸围、腰围、体重等来描述此人 的外形，因此把这些特征归纳为人体形状的共同点，通过共同点的不同就能衡 量一个人的个体差异。最常见的人体共同点就是人体的三围尺寸，因此把这些 三围尺寸的围度叫做特征线，这些特征线上有意义的点叫做特征点，如图3 - 3 所示，为人体4 7 个特征点1 2 1 。 图3 - 3 体基本特征点分布 0t o p o fh e a d l a d a m s a p p l e 2n a p e 3 1 e f t n e c k b a s e 4r i g h tn e c kb a s e5l e f tm i ds h o u l d e r 6r i g h tm i ds h o u l d e r 7 _ l e f t s h o n l d e r _ p o i n t 乳r i g h t s h o u l d e r _ p o i n t 9c e n t r ec l a v i c l e 1 0l e f tf r o n ta r ms c y e 1 1r i g h t f r o n t a r m s c y e 1 2l e f t b a c k a r m s c y e 13r i g h t b a c k a r m s c y e1 4l e f t a r m p i t1 5r i g h t a r m p i t 16 c e n t r ef r o n tb u s tl7 c e n t r eb a c kb u s t1 8l e n i p p l e 1 9r i g h tn i p p l e2 0 c e n t r ef r o n tu n d e r b u s t 2 1c e n t r ef r o n tw a i s t2 2c e n t r eb a c kw a i s t 2 3l e f ts i d ew a i s t2 4r i g h ts i d ew a i s t2 5 n a v e l 2 6g r e a t e s t a b d o m i n a l p r o m i n e n c e2 7g r e a t e s t j ) o s t e r i o rp r o m i n e n c e 2 8l e f t h i p p o i n t2 9r i g h t h i p _ p o i n t3 0c r o t c h p o i n t 3 1l e f t m i d t h i g h3 2r i g h t m i d t h i g h 3 3 1 e f t i n n e r _ k n e e 3 4r i g h t i n n e rk n e e 3 5 1 e f t m i d k n e e 3 6 r i g h t m i d k n e e 3 7l e no u t e rk n e e3 8r i g h to u t e rk n e e 3 9l e f tm i dc a l f4 0r i g h tm i dc l a f4 l1 e f to u t e ra n k l e 4 2r i g h to u t e ra n k l e4 3 1 e f to u t e re l b o w 4 4 r i g h lo u t e re l b o w 4 5l e f to u t e rw r i s t 4 6 r i g h t o u t e rw r i s t 在图3 - 3 中标记了人体基本特征点，但是本论文并没有使用所有的特征点。 本文所使用的人体主要特征点有：头顶点、肩点、乳点、脐点、会阴点、臀点、 西南交通大学硕士研究生学位论文 第16 页 臀沟点、腰点、髋点等等。下面就给出本论文使用的部分人体特征点的定义【3 1 。 1 头顶点就是人体头顶正中的最高点处，头顶点和脚底点的差值可以用来 计算一个人的身高； 2 肩点就是肩胛骨的肩峰外侧最突出的点； 3 乳点就是乳头的中心点位置，可以确定人体胸围的尺寸； 4 脐点就是肚脐点，该点与人体腰围紧密的联系在一起； 5 会阴点就是左右坐骨节最下方的连线与正中失状面的交点，它和头顶点、 脚底点一起判断人体上身与下身的比例； 6 臀点就是臀部最突出部位的点，通过利用该点可以表示人体臀围的大小。 7 大腿和小腿的特征点；大腿特征点就是大腿与臀折线处，小腿特征点就 是小腿最突出的地方。 这些特征点用来确定测量人体特征尺寸时软尺所放的位置，表3 - i 给出了 人体部分特征尺寸的定义3 1 ，图3 4 给出了最常用的人体特征尺寸测量位置。 表3 - 1 人体部分特征尺寸 特征尺寸名称说明 颈围 肩宽 胸围 腰围 臀围 大腿围 小腿围 颈部曲线一周的围长 左右肩点之间的距离 胸部最大处的围长 腰部最小处的围长 臀部最大处围长 大腿最上部位的围长 小腿最丰满处的围长 一肩宽 柏围 腰围 臀围 飞腿 图3 - 4 人体特征尺寸位置 确定了人体特征尺寸的定义和测量位置后可以对人体进行测量，得到人 体具体的特征尺寸值。本论文就是根据人体特征尺寸的变化表达不同尺寸的人 体模型的体型。例如当腰围尺寸变化后，人体模型只是腰部的形状改变，而其 它部位的点不发生任何改变。 32 通用三维人体特征点的获取 特征点的提取是本论文的一个关键性问题，它确定了人体模型三围尺寸的 位置，以及部位重建后三围尺寸的计算。本论文研究的通用三维人体模型来至 d a z 3 d 建模软件自带的人体模型，导出此模型并保存为o b j 模型文件，根据 o b j 模型文件中数据的存放结构特点( 详细描述见2 2 节) ，采用了人体部位分 组提取特征点的方法，获取了通用人体模型的特征点，此方法简单易实施。 在本论文中使用的坐标轴如图3 - 5 ，此坐标系就是通常说的右手坐标系。 人体在此坐标系中是以y 方向x 轴对称的，这种对称性的好处是在查找人体特 征点时，只需对人体模型任意一边的特征点进行查找，然后利用这种对称性得 到人体另一边的特征点，因此节约了人体特征点的查找时间。在接下来的研究 中如果未加特殊说明都使用此坐标系。 盆感皿 3 21 简化的通用人脸特征点的提取方法 在人脸重建、人脸识别中特定人脸特征提取是关键的一步。因为二维人脸 对光照、表情比较敏感，所以现在越来越多研究人员开始关注研究三维人脸特 征提取。作为复杂的人脸曲面，可以用曲率的方法来获取人脸特征点，具体方 法i i ”是：先采用二值化分割过滤掉非特征区域，用形状匹配方法对左右眼睛、 嘴巴区域定位并确定服角嘴角的特征点，再利用曲面信息和人脸器官位置比例 来确定鼻尖，结果如图3 - 6 。 瓣蒋黪爨 ! 篓鐾 盛i 图a - 6 曲率特征点提取 上面的方法是特定人脸特征点的提取，而本论文对人脸