（计算机软件与理论专业论文）多分辨率编辑参数化人体模型的研究与应用.pdf

摘要 多分辨率编辑参数化人体模型的研究与应用 专业：计算机软件与理论 姓名：李峥 导师：罗笑南教授、高成英博士 摘要 仿真的三维入体模型常用于计算机辅助服装设计、模拟和动画制作等领域。 这种人体模型和真人的体形十分相近以至完全相同，以便用体面的、非接触的方 式精确地测量出人体的各种关键尺寸数据。构造逼真的三维人体模型一直是计算 机图形学的一个难点。虽然通过三维扫描仪可以获得精确的人体数据，但是生成 一个特殊个体的三维人体模型通常需要花费大量的时间和精力。为了简化处理流 程，实现动作和贴图在不同的人体模型之间的复制和影射等操作，要求特殊个体 的模型都具有相同的网格拓扑结构。这就需要构造可以根据输入参数快速生成逼 真外形的既光滑又容易修改的参数化人体模型。 本文将阐述参数化人体模型的构造过程，提出一种基于特征点的人体点云分 割算法，可以有效地辨认人体的主要特征点，并对人体点云进行分割。本文还提 出结合人体关键特征点，用细分网格表示多分辨率的参数化人体模型，使其可以 按照需要显示特定的网格细节。本文进一步提出一种基于l o o p 方案的细分网格 编辑方法，能对任意细分层进行编辑，并能保持网格的光顺性，可以快捷地得到 根据参数化要求修改的细分曲面。程序使用v i s u a lc + + 6 0 编写，输入输出数 据为w a v e f l o n to b j 格式和v r m l 格式文件，使用o p e n g l 显示处理结果。 本文解决了参数化人体模型的构造和参数化过程中的一些难题，为建立更光 滑、逼真的三维人体模型进行了有益的尝试。 关缮t 孔人体建模：多分辨率；细分；网格编辑；参数化人模 t h er e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o no f e d i t a b l em u l t i r e s o l u t i o np a r a m e t e r i z e dh u m a nm o d e l m a j o r ：c o m p u t e r s o f t w a r ea n d t h e o r y n a m e ：l i z h e n g s u p e r v i s o r s ：p r o f e s s o rl u ox i a o n a n ，d r g a oc h e n g y i n g a b s t r a c t r e a l i s t i c3 dh u m a nm o d e l sa r ew i d e l yu s e di nt h ea r e a so fc o m p u t e r a i d e dg a r m e n t d e s i g n ，s i m u l a t i o n ，a n i m a t i o n ，e t c t h e s ek i n d so fh u m a n m o d e i sa r ec l o s e l ys i m i l a rt o 。 o re v e ns a m ew i t ht h ea p p e a r a n c eo fr e a lp e o p l e ，i no r d e rt op r e c i s e l ym e a s u r ek e y s i z e so ft h eb o d yi na g r a c e f u la n dt o u c h l e s sm a n e r h o w e v e r , c r e a t i n gar e a l i s t i c3 d h u m a nm o d e lh a sa l w a y sb e e nak n o to fc o m p u t e rg r a p h i c s 3 ds c a n n e r sc a nb e a p p l i e d t or e q u i r ep r e c i s ed a t ao fr e a lh u m a n ，b u tc r e a t i n ga ni n d i v i d u a lm o d e li ss t i l l t i m es p e n d i n ga n de n e r g yc o n s u m i n g f o rs i m p l i f y i n gt h e s ep r o c e s s e sa n da c h i e v i n g c o p y a n dm a p p i n ga m o n gd i f f e r e n th u m a nm o d e l s ，i ti sn e c e s s a r yt h a ta l lm o d e l sh a v e t h es a m et o p o l o g i e s p a r a m e t e r i z e dh u m a nm o d e l , t h a tc a ne a s i l yg e n e r a t er e a l i s t i c ， s m o o t ha n de d i t a b l ei n d i v i d u a lm o d e l sa c c o r d i n gt oi n p u tp a r a m e t e r s ，c a nm e e tt h e s e n e e d s t h i sp a d e rd e s c r i p e st h ec o n t r u c t i o np r o c e s so fp a r a m e t e r i z e dh u m a nm o d e l a n d p r o p o s e sap o i n tc l o u ds e g m e n t a t i o na l g o r i t h mb a s e do nf e a t u r e s ，t h a t c a ni d e n t i f y m a i nf e a t u r ep o i n t so ft h eb o d ya n ds e g m e n tt h ep o i n tc l o u d t 1 l i sp a p e ra l s op r o p o s e s t ou s es u b d i v i s i o nm e s h e st or e p r e s e n tp a r a m e t e r i z e dh u m a nm o d e l sw i t hf e a t u r e p o i n t si no r d e r t od i s p l a yt h em o d e li nr e q u i r e dd e t a i l s m o r e o v e r , t h i sp a p e rp r o p o s e s at e c h n i q u eb a s e do nl o o ps c h e m et oe d i ts u b d i v i s i o nm e s h e so na r b i t a r yl e v e l ，a n dt o p r e s e r v e i t ss m o o t h n e s s s o ，t h es u b d i v i s i o ns u r f a c ec a nb ee d i t e da c c o r d i n gt o p a r a m e t e r i z a t i o nn e e d s t h er e l a t e dp r o g r a mw a s w r i t t e ni nv i s u a lc + + 6 0u s i n g w a v e f r o n to b ja n d u 讧lf i l e sa st h ei n p u t o u t p u td a t a o p e n g li sa l s ou s e dt o d i s p l a yt h er e s u l t s t h i sp a p e rs o l v e ss o m ed i f f i c u l t i e so c c u r i n g i n c o n s t r u c t i n g a n dp a r a m e t e r i z i n g h u m a nm o d e l s ，a n dd o e ss o m eb e n e f i t st ot h ec o n s t r u c t i o no fs m o o t ha n dr e a l i s t i c h u m a nm o d e l s k e y w o r d s ：h u m a nm o d e l i n g ；m u l t i - r e s o l u t i o n ；s u b d i v i s i o n ；m e s he d i t i n g ； p a r a m e t e r i z e dh u m a nm o d e l 1 1 1 第1 章绪论 第1 章绪论 本章主要叙述人体模型的研究意义和发展现状，概述本文的主要工作，以及 说明本文的章节结构。 1 1 人体模型的研究意义 随着计算机图形学的发展，计算机辅助设计和动画技术获得了长足发展，广 泛应用于工业设计和生产、模拟、医学培训、互动教育、电影特殊视觉效果制作、 动画、互动电子娱乐等领域。各种建模技术也不断涌现，使得生成的复杂的三维 模型成为可能。人们利用这些三维模型去虚拟现实世界中的事物，以较低的成本 和较方便的方式获得现实世界中不方便进行的操作和难以实现的特殊效果。因 此，三维模型的逼真度会影响到模拟的准确程度。 仿真的人体模型常用于计算机辅助服装设计、模拟和动画制作等领域。用于 服装设计的人体模型要求和顾客的体形十分相近以至完全相同，以便用体面的、 非接触的方式精确地测量出服装设计所需的、关键的人体尺寸数据。这种人体模 型还应该能够根据输入的参数改变外观，模拟不同人的体形或者动作，以便让顾 客看到虚拟的服装穿着效果，并且让生产商能够按照顾客的个人尺寸度身定做合 身的衣服。 而且，这种虚拟的试穿过程可以在互连网上实现。随着电子商务的发展，服 装设计网络化逐渐成为了现代服装设计的新概念。在虚拟服装设计中，顾客只要 在网络上将自己身材的主要数据，如身高、胸围、腰围、臀围、年龄，以及所选 服装款式等信息上传到网站服务器上。服务器就能根据人体体型分类方法进行计 算，得出顾客的体形特征，模拟试穿的效果，并将结果传回给顾客。于是，顾客 就能在自己的终端看到模拟的服装穿着效果。这样，顾客就可以挑选到最称心满 意的服装了。实现这些功能的一大前提是开发种可以根据顾客输入的参数快速 生成逼真人体模型的先进建模技术。 由于生物体的表面通常由不规则的曲面构成，生物模型的建模一直是计算机 图形学的一个难点。特别是人体模型的建模，对逼真程度的要求更加严格，尽管 多分辨率编辑参数化人体模型的研究与应用 获得了较大的发展，但至今没有解决一些关键的问题。由于人们对人体的外形和 动作十分熟悉，能轻易地觉察到模型中轻微的缺陷，所以构逢逼真的人体模型非 常困难。这种仿真的人体模型的真实性依赖于以下三个方面： ( 1 ) 准确的外形 人体模型必须比例正确。尺寸合适，表面起伏合理。这是人体模型最重要的 特征、真实性最关键的要求，也是最容易被觉察到的缺陷。 ( 2 ) 可信的外观 模型的颜色、贴图等必须和真实的人体十分接近，能模拟不同的肤色、肤色 在身体上的变化、五官、头发和农服等饰物。 ( 3 ) 真实的动作 人体动画中较引起注意的就是人体模型的姿势和动作。这些姿势和动作必须 符合常理，过度顺畅以及活动速度合适。 1 2 人体建模的技术现状 建立一个三维人体模型的传统方法是，由经验丰富的艺术家使用各种三维曲 面造型软件进行手工建模。这种方法可以创造夸张的动画模型，不过生成一个特 殊个体的三维人体模型通常需要花费大量的时问和糖力。 近十年来，几何逆向工程技术得到了迅速的发展。动作捕捉已经成为了一种 的精确获取人体骨架移动数据的标准技术。图像技术也用于准确地获取人体皮肤 外观的有效途径。更重要的是，激光三维扫攒仪的出现和应用使得直接测量和获 取大量、准确的人体数据成为可能。 通过三维扫描仪获取人体外形数据是近年开发的构造人体模型的新方法。人 们可以使用三维扫描仪扫描人体，得到组高精度的点云，经过去噪、网格化等 处理后可生成逼真的网格模型。这种方法已在医学、虚拟现实系统等领域得到了 实际应用，使得人们可阻实现各种无接触的测量、虚拟的外观修改等模拟效果。 在服装设计领域，这种通过点云构造的逼真的人体模型可以用于测量人体的 各种表面数据，模拟衣服的穿着效果，为客户度身定做衣服。比起传统的方法 三维扫描方法可以生成更精确、更逼真的人体模型。 为了方便地实现动作和贴图在不同的人体模型之间的复制和影射等操作，以 2 第1 章绪论 及简化处理流程，要求人体模型具有相同的网格拓扑结构。为达到这个目的，可 以使用一个可调参数的人体网格模版去逼近通过扫描点云得到的网格。该过程称 为人体模版的参数化。经过参数化处理，可以得到网格拓扑结构相同，外形不同 的个体的参数化人体模型。 由于点云数据通常没有明显的语意特征，在参数化处理之前必须对人体点云 进行特征识别，以辨认身体的不同部分，以便使人体模版较好地与扫描网格重合。 这些特征包括：头、躯干、双臂。和双腿。 人体表面由复杂的曲面构成，需要使用先进的曲面造型技术来表示这种仿真 的参数化的人体模型。这种模型必须既光滑又容易修改。 其一，表示这种参数化人体模型的曲面技术必须可以按照不同的网格分辨率 显示模型，以适应不同的显示效率和网格光滑程度要求。网格越密，光滑程度越 高，显示效率也越低。 其二，因为参数化过程是一个按照一定算法修改参数化人体模型，使之符合 一定参数的过程，所以表示参数化人体模型的曲面技术必须能够，而且便于修改。 1 3 主要工作 本文将阐述参数化人体模型的构造过程，提出一种基于特征点的人体点云分 割算法；并提出使用结合人体关键特征点的细分网格技术，实现多分辨率的人体 模型；还提出一种基于l o o p 细分方案的修改任意细分层的网格编辑方法，以便 在保持曲面光滑性的同时，快捷地得到参数化修改的细分曲面。 参数化人体模型的构造过程主要分为4 步：构造人体模版模型，获取个体的 特征数据，参数化和构造个体模型。对于第2 步处理，本文提出基于特征点的人 体点云分割算法，提取点云数据的语义信息，能有效地辨认人体的主要特征点， 并可进一步对人体点云进行分割处理，准确地将人体点云分为主要的几部分。 为解决参数化人体模型的多分辨率表示方法问题，本文通过比较各种曲面表 示方法，指出细分网格技术可以基本满足参数化的各种需求，可以按照特定的分 辨率表示光顺的参数化人体模型的网格。而且，本文通过比较各种细分方案，进 一步提出应该采用l o o p 方案作为多分辨率参数化人体模型的细分方案。 由于没有一种合适的细分网格编辑技术可以适用于编辑参数化人体模型，所 多分辨率编辑参数化人体模型的研究与应用 以本文将提出一种基于l o o p 方案的细分网格编辑方法，既可以对任意细分层进 行编辑，也可以保持网格原有的光顺性。本文将描述l o o p 方案的顶点编辑的具 体实现方法，推导出l o o p 方案的修改模版，提出偶顶点和奇顶点的编辑方法。 其中，奇顶点的编辑又分为保持拓扑结构和修改拓扑结构两种方法。本文也将提 出影响范围的控制方法，包括层内和层问的影响范围的控制。该编辑方法可以在 不破坏细分网格的光顺性的前提下快捷地修改细分网格，也能轻易地推广到其它 的细分方案，能较好地实现多分辨率人体模型参数化过程。 1 4 章节安排 下本将按照构造多分辨率参数化人体模型的主要步骤来组织： 第2 章将首先阐述建立参数化人体模型的主要技术和构造参数化人体模型 的主要过程，然后提出基于特征点的人体点云分割算法，接着分析多分辨率参数 化人体模型的特点，提出应该使用多分辨率的网格表示方法来构造人体模型，并 提出多分辨率网格的编辑问题，为后续两章指出思路。 第3 章将首先比较各种常用的曲面表示方法，提出使用细分网格是表示多分 辨率参数化人体模型的较好方法，然后进一步比较各种细分方案，挑选出最合适 的方案作为表示方法，解决上一章提出的第一个问题。 第4 章首先指出细分曲面编辑方法的特点和现状，然后提出一种保持网格光 顺性的、对任意细分层进行编辑的方法，接着推导基于l o o p 方案的顶点编辑方 法，最后提出修改的影响范围控制方法。本章解决的是第2 章提出的第二个问题。 最后一章归纳本文的结论并提出几点研究方向。 4 第2 章参数化人体模型的构造方法 第2 章参数化人体模型的构造方法 本章主要分析参数化人体模型构造方法的过程与难点，提出构造参数化人体 模型的有效方法。 第1 节将首先阐述主要的几种人体表面模型的构造技术，包括：软件建模、 影像建模、三维扫描建模和参数化建摸。并概述参数化人体模型的构造过程：构 造人体模版模型，获取个体的特征数据，参数化和构造个体模型。 第2 节将提出一种基于特征点的人体点云分割算法，可有效地辨认人体的主 要特征点，从点云中提取语义信息，并对人体点云进行分割处理。 第3 节将接着分析多分辨率参数化人体模型的特点，提出应该使用多分辨率 的网格表示方法来构造人体模型，并提出多分辨率网格的编辑问题，为后续两章 指出思路。 第4 节是本章的小结，总结本章的主要内容、解决的问题和遇到的困难。 2 1 主要的人体模型构造方法 随着高级计算机图形学技术的不断开发，构造人体模型的技术近年来发展迅 速。这些技术主要分为三类：表面模型、多层模型和解剖模型【1 】。多层模型和 解剖模型主要用于医学领域的物理模拟。表面模型则多用于工业领域和计算机动 画制作。 经过多年的发展，人体表面模型的构造技术相继产生了几个分支： ( 1 ) 软件建模：使用建模或动画制作软件建立人体模型； ( 2 ) 影像建模：使用图像序列制作人体模型； f 3 ) 三维扫描建模：使用三维人体扫描仪获取人体表面数据，并建立模型； f 钔参数化建模：按照一定算法修改参数化人体模版模型，使之符合一定的 外形参数，是近几年新发展起来的人体建模技术。 这几种人体模型构造方法使用不同的输入数据作为建模的基础，具有各自的 优缺点。 多分辨率编辑参数化人体模型的研究与应用 2 1 1 软件建模 传统构造三维人体模型的方法足，由经验丰富的计算机动画设计师和艺术家 使用并种三维曲面造型软件【2 】【3 】【4 】进行手工建模。这些软件通常提供了较完善 的曲面建模功能，包括面片( p a t c h ) 建模、原球( m e t a b a l l ) 建模、非均匀有理 b 样条( n u r b s ) 曲面建模。而且，这些软件也具有友好的界面，和较为方便的 编辑功能，能为设计师提供较好的创作空间。 这种方法可以创造虚构和夸张的动画模型。但是，假如要制作逼真的个体三 维人体模型则需要花费大量的时间和精力。为准确起见，这些设计师通常会导入 几张人体的照片或正则投影图，依照照片中的轮廓逐条构造模型中关键的曲线。 对于不同的人，即使有些曲线信息可以复用，但也需要花费大量的人力和时间去 修改。 所以这种建模方法不适用于构造大量的特殊个体的模型。另外，使用这种方 法构造出来的人体模型的精确度较差，不能直接用于精确的测量与模拟。但是， 这种方法也可以作为其它方法的辅助编辑手段，用于后期制作。 2 1 2 影像建模 影像建模是指从静态图像、视频序列等数据中提取人体的特征，并根据这些 特征构造人体模型。 f u a 割k 5 1 和d g p u z z o 等人【6 1 分别提出了从视频序列中提取人体的动作序 列，并进一步转换为人体表面数据，然后将预先制做好的动域模型逼近这些表面 数据，从而得到不同个体的人体模型。h i l t o n 和g e n t i l s 7 提出了一种基于模型的 从正则投影照片重构人体模型的方法。该方法使用一个通用的三维人体模型去 “适应”照片中的人体轮廓，使得该模型和照片中的人基本重合。另外，该方法 可将照片中人体的颜色等材质和贴图信息也一并赋予该人体模型。 运用这种方法获取特殊个体的模型的优点是明显的。首先数据获取设备的成 本很低，一般的数码相机或摄象机即可。其次，测量方法简单，只需拍下三张正 则投影的照片，甚至只需一张照片。 不过，该方法制作的人体模型的精确度不高，很容易受到照片的分辨率、拍 6 第2 章参数化人体模型的构造方法 摄角度等因素的影响。 2 1 3 三维扫描建模 近十年来，几何逆向工程技术得到了迅速的发展，激光三维扫描仪的出现使 得精确测量物体表面成为可能。激光三维扫描仪已被应用于工业设计、医学、虚 拟现实系统等领域，实现各种非接触式的测量，重构物体的三维模型、虚拟修改 物体外观等操作。 经过多年的发展，人体全身扫描仪已经进入了商业应用阶段。通过激光测距 等手段，它可以精确地测量人体表面的数据，并准确地重构人体模型。在服装设 计领域，三维人体全身扫描仪可以用于测量个人的全身尺寸，模拟衣服的穿着效 果。 三维扫描仪将激光束投射到物体的表面。根据反射光点的位置确定物体表面 上的一个点，精度达到1 0 。毫米，甚至更高。这些点组合起来得到一组表示物体 表面的点云。将点云网格化后可以建立起物体的网格模型。比起传统方法，使用 三维扫描仪可以更迅速、更逼真地生成人体模型。 三维数字化技术使得将真实的人体转换为数字信息成为可能。扫描数据包含 精确的外形和照片质量的贴图信息。三维激光扫描系统可以从以标准站立姿势的 人体的表面获取超过1 0 0 ，0 0 0 个点的点云，并进一步形成由成千上万个多边形构 成的网格模型。然后可以运用各种动画制作软件将该网格骨架化，并控制人体模 型的动作变形。另外，高逼真度的人体动画可通过动作捕捉技术和曲面变形技术 获得。 d a a n e n 等人f 8 】介绍了三维扫描仪的原理及其在人体建模和服装设计领域的 应用。由于点云是基本没有规律的点的集合，为得到相应的网格，h o p p e 等人【9 】 提出了从点云生成光滑的曲面的较好方法。该方法先从扫描点云中重构出曲面， 然后辨认折边等曲面特征，处理各多边形的法线方向，对曲面进行优化，并最终 得到平整光滑的网格。d o u r o s 等人 1 0 1 提出了从点云构造用b 样条表示的人体模 型的方法，不过模型细节会受到样条精度的影响。d e k k e r 等人【1 1 】综述了人体建 模过程，提出了一些概括性的处理方法。另外，j e o n g 等人【1 2 】也描述了如何从 点云生成以细分网格表示的头部模型的方法。 7 多分辨率编辑参数化人体模型的研究与应用 由于有些人体凹陷处会扫描不到，造成从点云生成的网格出现网格漏洞。 d a v i s 等人 1 3 1 提出了基丁扩散处理的补洞方法。a l l e n 等人【1 4 】则提出了用人体 模版作为补洞参考的方法。该方法将人体的一些特征点作为补洞时对齐模版模型 的标志，将模版模型中的数据补充到网格漏洞中，并缝合漏洞。 为了按照关节控制人体模型，通常将人体网格骨架化，将网格节点根据所属 的骨架分别赋予一个权值。当骨架移动时，附近的网格节点根据其权值来决定其 受影响的程度【2 】【3 】h u m a n o i da n i m a t i o nw o r k g r o u p 1 5 定义了三种具有不同精 细度的人体骨架模型。a l l e n 等人【1 6 】根据测量的大量数据，提出了较好的建立 骨架模型的方法。该方法根据真实测量的数据来模拟肌肉的变形，可以得到比较 真实的网格变形效果。 识别人体模型的主要特征，并且憋模型分割为主要几部分，是得至骨架模型 以及将参数化模版逼近扫描的人体模型的重要一步。n u r r e 1 7 描述了通过求水平 截面的外凸包来搜索腋窝和胯部的方法。这种方法将外凸包里面的点投影在外凸 包最长的一条边上，然后分析点的分布来求出分裂位置。该方法简单，但是不够 强壮，碰到网格漏洞或者网格粘连时精度会明显降低。d e k k e r 等a 1 1 也提出了 简单的腋窝识别方法，通过分析人体前后两点的距离的变化来辨认特征点。与前 一种方法一样，这种方法也具有同样的缺点，而且找到的腋窝点与真正的腋窝点 的距离较大，不够准确。j u 等人【1 8 】描述了通过检测射线与网格模型相交的方法 来判断人体的各主要部分。该方法可以较好地识别腋窝和胯部的分割位置，能将 胯高以下的手臂部分正确识别出来，但是该方法必须进行大量的直线与多边形的 求交运算，运算量非常大。 综上所述，通过三维扫描构造人体模型可以得到精确的人体表面数据，能够 满足工业设计和模拟的精度要求。但是，尽管获得的点云包含大量的数据，但是 这些点都是离散的，只包含有极为有限的语义信息很难直接用于分辨人体的不 同部位。另外，骨架化过程也需要大量的人工干预，以便指定人体的关键特征点， 降低了生成特殊个体模型的自动化程度。另外，人体全身扫描仪的价格也比较昂 贵。 8 第2 章参数化人体模型的构造方法 2 1 4 参数化建模 人体建模和人体动画一直是计算机图形学中的难题。因为建立逼真的人体模 型需要精确地构造几何曲面。现在，尽管已经有一些三维扫描设备和技术专门用 于捕捉现实世界的人体外形和尺寸的数字化信息，以便构造逼真的人体模型，但 是使用这种手段构造的人体模型通常太复杂，需要进行简化和去噪处理。另外， 这种模型缺乏明确的几何意义信息，不利于将模型骨架化弗用于制作动画。而且 更严重的问题是，不同的扫描结果会构造出拓扑结构完全不同的网格，很难将一 个模型的属性转换到另一个模型上面，而这种转换正是处理大量模型时节省时间 的关键操作。 由于不同的人具有不同的体形和尺寸。对人体体形变化进行总结和归类，有 利于按照人体工程学原理构造真实的人体模型。高层次的特征化和离散的人体数 据测量不利于建立人体模型，由于这些数据并没有描述细致的体形变化，而这些 细致的外形变化正是构造逼真的人体模型需所需的。在服装设计领域，人体的各 种长度和围长常被作为体形的量化标准。 为获得高层数据和低层网格之间的对应关系，可使用捕捉到的真实人体的模 型作为建模和估计各种参数之间关系的最真实的参考。为了在不同的模型之间建 立关键点的对应关系，可使用刚性变形和弹性变形相组合的方法。通过寻找适当 的参数，将模版模型与每个模型例子重合，从而分别构造出顶点数、网格结构和 连接层次结构完全相同的多个模型。这种拓扑结构完全相同的网格具有以下优 点： ( 1 ) 便于以所需的精度描述模型的外形； ( 2 ) 可重复使用贴图信息； f 3 1 由于所有模型都以相同的方式骨架化，便于给模型赋予动作信息。 总的来说，人体建模比脸部建模受到较少的关注，而且对人体静态建模的关 注也少于对人体动画的关注。 b l a n z 等人【1 9 】提出了生成参数化的三维面部的方法，是近年来参数化技术 的一大突破。该方法首先输入一张脸部照片，然后将贴图等信息转换到脸部的参 数化模型上，完成初始化过程。然后运用类似影像建模的方法，不断修改模型的 9 各种参数，并比较模型的投影结果和照片的边界和阴影等特征，使得模型逼近相 片中人脸外形。最后得到的面部网格可以通过一些抽象的参数控制，模拟出各种 不同的表情，效果逼真。 在b l a n z 等人工作的基础上，s e o 等人【2 0 】将这种参数化的方法引入了人体 建模过程，叙述了如何生成参数化的人体模型。a l l e n 等人【1 4 】也提出了通过测 量人体网格特征点来生成参数化的人体模型的方法，可以生成外形逼真的人体模 型，并能较好地模拟人体的体重身高等参数变化对体形的影响。 2 1 5 人体的主要特征参数 参数化的核心思想是用高层的人体特征数据描述人体模型的外形特征，并根 据这些特征数据，对参数化模版模型作出相应的外形修改，最大程度上逼近这些 参数的值。参数化人体模型的逼真程度主要受到这些高级特征的选取，和按照高 级特征控制模版人体模型的参数化过程的影响。 人体的主要特征参数1 见表2 - 1 。 表2 - 1 ：人体主要特征参数定义 特征参数定义 身高从头项到地面的垂直距离 长胯高从胯部到地面的垂直距离 臂长从肩峰沿肘部到尺骨( 手腕处突出的骨头) 的距离 颈围颈部下端的周长 胸围 躯干在胸部附近的最大水平外凸包的周长 围下胸围紧接乳房下方的躯干处的水平外凸包的周长 腰围 躯干在腰部附近经过肚脐的水平外凸包的周长 臂围 躯干在臀部附近的最大水平外凸包的周长 其它 体重身体重量，作为整个体形的参考 可见，这些人体参数分为两类：长和围。长，基本上是垂直的高度值。围， 是某一高度值处的水平外凸包的周长。 1 特征分类及定义参考h s e o , mm a g n e n a t t h a l m a n n ，a n a u t o m a t i cm o d e l i n go f h u m a nb o d i e s f r o ms i z i n g p n r n m e “r 5 s y m p o s i u m o b i n t e r a c t i v e 3 d g r a p h i c s a r c h i e v e s p r o c e e d i n g s ，2 0 0 3 。 1 d 第2 章参数化人体模型的构造方法 参数化过程首先将这些高级的抽象人体数据转化为模版模型的网格控制点 的位置数据，然后进一步修改模版模型的网格数据。该过程如图2 1 所示。 l 高级( 抽象) 数据 网格控制点数据 t i - i 蹲格数据 图2 - 1 ：参数的转化 2 1 6 参数化人体模型的构造过程 参数化人体模型的构造过程主要分为构造人体模版模型，获取个体的特征数 据，参数化和构造个体模型4 步，见图2 ，2 。 ( 1 ) 构造人体模版模型 构造人体模版模型可以使用上述的人体建模方法，主要分为扫描多个真实人 体、获得准确的点云数据、分割和网格化、生成模版等步骤。 该人体模版模型的体形应该和目标人群的平均体形比较接近，以便减小参数 化操作对模版的修改程度，尽量保持模型的尺寸和比例。 a l l e n 等人 1 4 1 提出了一种计算平均模型的方法来求得模版模型。该方法首 先通过三维扫描仪获取了2 5 0 组个人的点云数据。然后比较不同点云中关键特征 点的位置，求出各个关键点的平均位置，定出人体模版模型的尺寸与外形。 ( 2 ) 获取个体的特征数据 个体的特征数据可以由点云数据或者图像中提取，分为扫描人体点云、分割 和网格化、提取关键点数据等步骤。 如果从点云数据中提取特征点位置，则必须解决点云的语义问题。可以先使 用下节提出的点云分割方法将点云分割成几个主要部分，作为提取出更精细的特 征数据的基础。 ( 3 ) 参数化 参数化过程是建立参数化人体模型的关键步骤。该过程首先将输入的参数和 多分辨率编辑参数化人体模型的研究与应用 模版的参数比较，确定模版参数的修改比例，然后根据该结果计算出参数所控制 的模版控制点的位置。这些控制点再进一步控制模版模型的网格变形，从而得到 最终的特殊的个体模型。完成高级数据到网格数据的转换，可采用线性插值等方 法进行转换。 可见，参数化是一个修改模版模型的过程。该过程按照一定的算法确定模版 模型中每个顶点的位置，并最终得到参数化修改后的人体模型。 图2 2 ：参数化人体模型的构造过程 ( 4 ) 构造个体模型 通常，模版的网格分辨率有限，需要进一步对参数化后的模版模型进行细化， 提高网格的分辨率，增加模型的光顺性。提高网格分辨率可以采用细分等多分辨 率网格技术。 第2 章参数化人体模型的构造方法 2 2 基于特征点的人体点云分割算法 可见，在构造人体模版模型和获取个体的特征数据过程都需要辨认点云的特 征点。本小节提出一种基于特征点的人体点云分割方法，用于提取人体的基本特 征点，并可进一步对人体扫描点云进行分割处理。 虽然人体表面十分不规则，不过双臂、双腿与躯干的连接都可以抽象为圆柱 体的融合，见图2 - 3 。于是，可以将人体进一步抽象成为几个倒“y ”状儿何结 构的组合。 这种倒“y ”状的几何结构可以看作是由一个柱体向下分裂为两个柱体，其 分支处的水平截面刚好是两个分离的圆。寻找左、右腋窝和胯部也可以抽象为寻 找这种几何结构的分支位置。 ( b ) 图2 - 3 ：( a ) 人体模型可以抽象为几个相互融合的柱体组成的几何结构； ( b ) 对于每个倒y 状的几何结构，只要找到了分支位置，就可以将之分割为三部分。 当这种几何结构基本正对着观察方向时，例如胯部附近，可以由上到下搜索。 当发现某层点云分裂为两组点云时，就可以确定分裂位置，作为分割的参考。 为了缩小搜索区间，减少运算量，可以按照一定比例分别为左、右腋窝和胯 部设定搜索区间，见表2 - 2 和图2 _ 4 。每个区间都包含了倒“y ”状的几何结构 的点云。设这样的组点云为o 。 多分辨率编辑参数化人体模型的研究与应用 表2 2 ：搜索区间边界的取值。h 是身高。 t o p d o w nl p n r i g h t l 左侧腋窝0 8 5 h0 6 5 h0 0 5 h0 1 5 h 右侧腋窝 0 8 5 h0 6 5 h- 0 1 5 ho 0 5 h 胯部 0 5 5 ho 3 5 ho 0 5 h0 0 5 h 图2 - 4 ：从点云中截取出三个搜索区间 0 由若干层点云组成。每层中的点的y 轴坐标都相等，可以由上到下按层 搜索。首先设定距离阀值d ， d ；a m a x ( i x 0 1 - m i n ( x j ) ，l m cq e ，p i ，p i l m ( 2 1 ) i l 柚l 其中l m 可取o 中最上方的一层点云，作参考之用。a 是比例系数。当两个 点投影在x 轴上的距离大于d 时，则认为这两个点分别属于该层点云中的不同 组，q 在这两个点之间分裂为两组，如图2 - 5 所示。 分裂位置 。_ 。十h i c ；o 3 图2 - 5 ：当投影在x 轴上的点分成两缉时，认为读屡点云出现分裂 然后按层由上往下搜索。将每层的点按照x 轴坐标排序，检测排序后相邻 两点之间的x 轴坐标距离。如果距离大于d ，那么这两点之间的位置就是分割位 1 4 第2 章参数化人体模型的构造方法 置。 但是当这种倒“y ”状结构并不是正对着观察方向时，这样简单地将每层的 点投影在x 轴上检测到的分裂的层往往处在真正的分裂层以下，如图2 - 6 所示。 正确的分割高度 ( )( b ) ( c ) 图2 - 6 ：当几何体不是正对观察方向时，本来正确的切割平面应该如( a ) 所示；可是如果只是简单地投影在x 轴上来判断分裂，得到的切割平面位于正确的平面以下( b ) ；( c ) 是两种情形的比较。 所以，为了找到正确的分割层，应该搜索不同的观察角度，使得在某一观察 角度下，该分割层的比其它观测角度下得出的分割层高。这时的观察角度作为分 割角度0 ，该层点投影在一条与x 轴成o 角的水平直线，上得到的平分线作为分 割线，如图2 - 7 所示。 图2 - 7 ：将一层点云投影在与x 轴成0 角的直线l 上，搜索分裂位置。 n u r r e 提出了类似的分割方法【1 7 】，将一层点投影在它们的外凸包的最长的 边上，并且也同样靠分析投影距离来寻找分裂位置。不过，当两组点的尺寸相差 较大时，如腋窝位置，或者分裂处缺少的点比较多时，该方法不一定能够把两组 点分开。这些缺少信息的情况在腋窝附近经常出现。这时运用这种方法搜索到的 多分辨率编辑参数化人体模型的研究与应用 腋窝位置是低于真正腋窝的“假腋窝”。 与j u 等人提出的射线检测方法【1 8 】相比本分割算法的运算量较少，而且由 于本方法直接对点云进行分割，能清晰地标明点的归属，以后进行网格化处理时 不会由于分离不清而造成腋窝等凹陷连接处出现不正确的多边形。 因此本方法考虑了在不同投影角度下腋窝位置的变化问题，找到的腋窝十分 接近真正的腋窝位置，能正确地把手臂与躯干区分开来。 处理流程如图2 8 所示。 图2 - 8 ：分割位置和角度的流程图 找到左、右腋窝和胯部的分割位置和角度后，对人体点云进行分割： ( 1 ) 分割头部点云 由腋窝分割层向上搜索，将到头顶为止、宽度最小的地方作为颈部的分 割位置。 1 6 第2 章参数化人体模型的构造方法 ( 2 ) 分割双脚点云 将胯部分割层以下的点先分离出来。由于通常双臂有一部分点会低于该 分割层，所以只有紧靠胯部分割位置两边的两组点云才属于双腿，其它点分 别属于两臂。 ( 3 ) 分割双臂点云 将上步剩下的点云绕y 轴旋转至左臂的分割角度，使得z 轴方向成为最 佳的观察角度，将处于左腋窝分割线外下侧的点归为左臂。使用类似的方法 分割右臂。 ( 4 ) 其它点云 剩下的点云属于躯干，使用类似于搜索颈部的方法，从腋窝分割层搜索 到胯部分割层，宽度最小的层就是腰部。 图2 - 9 是运用上述方法处理一组人体点云时搜索得到的分割层以及分割效 果。程序使用v i s u a lc + + 6 0 编写，原始数据及输出为w a v e f r o n to u j 格式，点云 共有3 9 0 3 2 3 个点，运行程序的计算机的主频为2 4 g h z ，使用w m d o w sx pp r o 系统，分割的运算时间约为2 秒。 图2 9 ：( a ) 颈部、手臂、腰部和胯部的分割层； 嘞分割开的各部分用不同的颜色表示，三条黑线分别表示左、右腋窝和胯部的分割方向 1 7 多分辨率编辑参数化人体模型的研究与应用 2 3 多分辨率的参数化人体模型及其特点 为了较好地控制参数化效果，参数化人体模版模型的网格分辨率一般不高。 因为修改顶点位置时，网格越简单，光顺程度就越容易控制，参数化过程中需要 修改的顶点也越少。 为了简化参数化过程，每个人体关键特征点一般都有一个网格顶点与之对 应，以便可以直接反映关键特征的变化。所以，人体模版模型通常在保留尽量多 的特征点，并且在保持网格光顺性的同时尽量简单化网格的拓扑结构。 由于人体模型的应用十分广泛，不同的场合通常需要不同分辨率的人体模 型。例如在工业设计中，通常需要商分辨率的人体模型，以便精确地进行凋量和 模拟操作；而在电影、动画制作中较近或较大的人体模型需要更高的分辨率，而 较远或较小的人体模型则只需显示简单的网格；在网络传输上，简单的人体模型 有利于利用有限的带宽。 可见，有必要以多分辨率的方式表示参数化人体模型，以适应不同的需要。 下章将提出，使用细分网格技术表示参数化人体模型，可以根据要求以适当的分 辨率表示参数化人体模型。 然而，这导致了另一个问题。由于参数化处理要对模版模型进行修改，但是 细分网格的特性使得只能对初始控制网格进行修改。假如对任意细分层的顶点进 行了编辑修改，就会破坏细分网格的光顺性。所以，假如使用细分网格表示模版 模型，必须有一种直接对任意细分层网格进行编辑修改的方法，以便实现较好的 参数化处理。第4 章将提出一种保持网格光顺性的任意细分层的网格编辑方法， 以解决这个问题。 2 4 小结 计算机辅助设计和动画技术获得了长足发展，仿真的人体模型在许多领域中 的应用越来越广泛。在计算机辅助服装设计领域，仿真的人体模型让顾客可以看 到服装的虚拟穿着效果，让生产商可以按照客户的个人尺寸度身定做合身的衣 服。 然而，建造虚拟的人体模型依然是计算机图形学最大的难题之一。人体模型 第2 章参数化人体模型的构造方法 的真实性依赖于三个方面的仿真：准确的外形、可信的外观和真实的动作。 人体表面模型的构造技术有多种，包括：软件建模、影像建模、三维扫描建 模和参数化建模。 参数化建模构造的人体模型的网格都具有完全相同的拓扑结构。其核心思想 是用高级的人体特征数据描述人体模型的外形特征，并根据这些特征数据，修改 参数化模版模型的外形，最大程度地逼近这些参数的值。 参数化过程首先将这些高级的抽象人体数据转化为模版模型的网格控制点 的位置数据，然后进一步修改模版模型的网格数据。 本章概述了参数化人体模型的构造过程：构造人体模版模型、获取个体的特 征数据、参数化和建立个体模型。 本章也提出基于特征点的人体点云分割算法，可有效地辨认人体的主要特征 点，并可对人体点云进行分割处理。 本章解决了以下问题： ( 1 ) 本章归纳了参数化人体模型的构造难点，提出了建立高质量的参数化人 体模型的有效途径： ( 2 ) 本章也提出了基于特征点的人体点云分割算法，可有效地辨认人体的主 要特征点，并进一步对人体点云进行分割处理。 本章最后一节提出了两个问题： ( 1 ) 有必要以多分辨率的方式表示参数化人体模型，以适应不同的需要； ( 2 ) 有必要直接对任意细分层网格进行编辑修改，以便实现较好地实现参数 化处理。 这两个问题将分别在第3 章和第4 章分别提出解决办法。 第3 章多分辨率人体模型的表示方法 第3 章多分辨率人体模型的表示方法 本章主要讨论多分辨率参数化人体模型的具体表示方法和实现形式，为上一 章提出的第一个问题寻找解决方法。 本章第1 节将首先概述主要的人体模型表示技术，包括：n u r b s 曲面、面 片、多边形网格、递进网格，和细分网格，并将对这些技术的优点和缺点进行比 较，挑选出合适的网格技术表示参数化人体模型。 本章第2 节将具体阐述基于细分网格的人体模型可以选用的细分方案，概述 细分网格的技术特点和细分规则标准，并叙述主要的细分方案，包括：l o o p 、 c a t m u l l c l a r k 、改进b u t t e r f l y 、d o o s a b i n 。第2 节最后将对这几种细分方案的效 果进行比较，挑选一种合适的细分方案作为多分辨率参数化人体模型的具体表示 方法。 第3 节将给出运用选定的细分方案对人体模型进行多分辨率显示的实际效 果。 第4 节是本章的小结，总结本章的主要内容和解决的问题