基于模型驱动的人体模型生成

基于模型驱动的人体模型生成

1人体三维人体模型的制备虚拟用户是计算机生成空间（虚拟环境）中几何功能和行为特征的表达，也是许多虚拟环境的主角。随着虚拟理论的发展，三维虚拟人员在许多领域得到了广泛应用，对三维包装的需求也越来越大。在人机功效方面,设计师们需要用各种不同体型的三维人体模型在虚拟交通工具中模拟人的各种行为和操作,以设计出对不同体型的乘客,甚至是婴儿和残疾人,都更舒适、更安全的交通工具;在体育领域,基于运动仿真技术的运动员辅助训练系统需要不同体型的虚拟人来仿真各种标准动作,以提供针对特定运动员的动作参考、动作分析、动作编排等训练支持功能;在服装设计和销售领域,设计师需要不同体型的三维人体模型,辅以服装仿真技术,为不同用户定制更加合体的服装.在其他以人为主体的虚拟环境中,为了提高环境的逼真性,通常需要大量不同体型的三维人体模型进行群体建模,来真实地模拟地铁、商场中的人流等.目前,获得三维人体模型的方法主要有两种:(1)利用通用建模软件Maya,3Dmax等绘制人体的三维模型.(2)利用三维扫描仪自动获得真实人体表面的几何数据.这两种方法获得的模型美观、精确,但是建立单一人体模型的成本均较高.其中,利用通用建模软件制作人体模型需要专业的三维建模师,而利用三维扫描仪则需要一些专业的软件从扫描的数据中构造出人体模型,速度较慢,成本较高.因此,这两种方法均不适用于建立大量个性化的三维人体模型.为了满足对大量个性化三维人体模型的需求,研究人员开始尝试模型重用的思路,即利用传统方法获得单个或多个三维人体模型,通过对这些模型进行变形、编辑等操作,获得大量其他体型的人体模型.较有代表性的是,Seo等提出的利用样条曲线对人体进行局部编辑的方法.随后,Seo等又提出了一种基于人体测量参数的个性化人体模型生成方法,根据8个人体测量参数的输入值,对多个由三维扫描仪得到的人体皮肤表面模型进行插值,生成个性化的人体皮肤表面模型.文献的方法能够重用已有的三维人体模型,通过简单地调整人体测量参数的输入值,即可实时获得相应体型的人体表面模型,具有快速、简便等特点,而且生成的人体模型具有个性化、逼真等优点;但是,这一方法仅能获得人体表面模型,无法同时生成新人体模型的骨架,人体模型若要在虚拟环境中驱动起来,还需利用专业软件进行骨架生成、骨架和表面模型绑定以及表面变形参数设置等烦琐操作.本文提出了一种新的基于人体测量参数的人体模型定制方法,通过对21个人体测量学参数进行交互式修改,实时定制个性化的人体模型.本文方法与Seo等方法的不同之处在于:(1)考虑到目前三维扫描仪尚未普及,本文采用一般的三维人体模型作为原型(或称标准模型).(2)在表面模型编辑过程中同时获得新的骨架模型,且时刻保持骨架和表面模型之间的匹配关系,使得生成的新人体模型可以直接在虚拟环境中驱动起来.(3)采用21个人体测量参数控制人体模型的体型,能够生成更为细致、丰富、广泛的人体模型.2非cvhb的人体模型定制方法目前有许多三维虚拟人建模标准,如VRML2.0中的H-Anim标准,CVHB标准,MPEG-4中也有一些相关规定.其中,CVHB标准兼容了H-Anim和MPEG-4标准,同时对人体模型进行了更为详细的定义.本文将以CVHB标准的人体模型为例,阐述人体模型的定制过程,其原理及方法可以推广到其他非CVHB标准的人体模型的定制中.在CVHB标准中,人体分为骨架层和表面层(或称部位层).骨架层定义了人体主要关节的位置、自由度信息以及关节间、关节与部位间的层次关系;骨架层包括77个人体关节(如图1a所示).表面层定义了人体各部位的几何外形信息,通常用三角网格表示;表面层包括了人体53个部位(如图1b?所示).每个部位被绑定在骨架层中的相应关节上,使得骨架运动能够直接驱动表面层(如图1c?所示).CVHB定义的模型初始姿态为立正姿态,直立于XZ平面,双脚正中位于坐标系原点,人体模型面朝+Z方向,左侧为+X方向(坐标系为右手坐标系).人体标准姿态如图2所示,其中手掌的初始状态如图3所示.3基于人体测量参数的模型调整3.1人体重要测量学参数的定义针对一般人体模型的特点,本文选取21个对体型外观有较大影响的人体测量参数作为模型定制的依据,参数的具体名称及描述如表1所示,更详细的参数定义见文献.从表1可以看出,这21个人体测量学参数覆盖了人体各处的细节,能够完整地描述人体的外形特征,反映不同体型人体之间的差别.与Seo等方法中依据8个人体测量学参数对模型进行编辑相比较,能够对人体的外形进行更细微的控制,生成更为广泛的人体模型.3.2几何模型直接编辑人体测量参数作为一种尺度参数,描述的是人体皮肤表面的几何信息.由于人体运动是由骨架运动驱动表面来完成的,因此骨架层的真实性直接影响人体模型运动的逼真性.为方便模型将来的驱动,本文算法在定制过程中对标准模型的骨架层和表面层同时进行编辑.获得的新模型不仅在几何外形上与输入的人体测量参数值一致,其骨架的形状也保持一致.在选定的21个人体测量参数中,与骨架有直接关系的是1～12号参数,胸宽、胸围、腰围等其他参数的变化无法从骨架层中直接体现出来(这里所说的骨架是CVHB标准中经过抽象的人体骨架,如图1a所示,而非真实人体的骨架.)模型定制算法的步骤如下:Step1.依据12个与骨架有关的人体测量参数的值对标准模型骨架层进行编辑.Step2.依据编辑后的骨架层信息对标准模型的表面层进行相应的调整.Step3.依据9个与骨架无关的人体测量参数的值对标准模型表面层的几何模型进行直接编辑,获得所需的个性化人体模型.Step3.1.骨架层编辑.调整各关节点在三维空间中的位置,获得与输入的人体测量参数相对应的人体的骨架模型.设标准模型的人体测量参数值为Si(1≤i≤21),输入的人体测量参数值为S′i.编辑顺序如下:a.由S5,S6求得腿部各关节的高度(即Y轴方向上的分量),由S1,S2和已求得的腿部父关节的高度得到躯干部分人体各关节的高度,再依据S9,S10求得手臂各关节的高度.b.按照S′3?S3的比例对上半身骨架进行水平缩放,得到关节点在X方向上的分量.按照S′4?S4的比例对下半身关节进行同样操作.c.根据S′7?S7和S′8?S8以踝关节为中心对脚部骨架分别沿Y轴方向和Z轴方向进行缩放,同时根据S′11?S11和S′12?S12以腕关节为中心对手部骨架分别沿Y轴方向和Z轴方向进行缩放.Step3.2.依据骨架信息的表面层编辑a.依据当前骨架信息,对标准角色模型的表面层和标准人体的表面层分别进行编辑,使模型表面层的几何模型与修改后的底层骨架相匹配.为使人体各部位能随着骨架的调整自动地进行变化,需要为人体的各个部位定义一控制轴.以右大腿为例,其控制轴是它所附着的父关节(右髋关节)与右小腿所附着的父关节(右膝关节)间的连线.当人体骨架发生变化时,首先根据控制轴两端关节的位置变化,求出相应几何变换矩阵(包括位移、旋转和缩放);其次用该变换矩阵对该部位表面进行相应的几何变换,实现人体各个部位的自动调整.b.根据当前骨架模型和标准人体表面模型更新参数Si(1≤i≤21)的值,获得与骨架层无关的9个人体测量参数值(S13～S21).Step3.3.表面层直接编辑a.根据S′13?S13和S′14?S14分别得到头部和颈部在X,Z方向上的缩放比例.b.首先对S15～S17的影响范围作如下约定:S15(胸宽)主要影响胸部中下部和腹部上部的皮肤几何模型在X轴方向上的比例;S16(平静胸围)主要影响的是上述两部位在Z轴方向上的比例(X轴方向的比例已由S9确定);S17(腰围)主要影响腹部中下部和臀部中上部的皮肤几何模型在Z轴方向上的比例(X轴方向的比例已由S4确定);躯干部分表面几何模型(胸部、腹部、臀部)上各点在X和Z方向上的具体缩放比例,可根据该点的高度和上述约定,由S15～S17插值求得.c.根据S′18?S18和S′19?S19分别得到上臂和下臂在X,Z方向上的缩放比例.根据S′20?S20和S′21?S21分别得到大腿和小腿在X,Z方向上的缩放比例.d.根据求得的缩放比例对人体每一部分进行相应的缩放操作.当同一部位的不同位置上出现不同的缩放比例系数时,应采用插值的方法进行平滑处理.4个性化三维人体模型的生成依据第3.2节的模型定制算法,本文实现了一个三维人体模型快速定制系统,如图4所示.载入一个基于CVHB标准的三维人体模型作为标准模型.根据表1中对各参数的描述求得标准模型的21个人体测量参数值,并显示在系统右侧对话框内.用户可以在对话框中修改这些参数的值,也可以用鼠标拖动人体模型上的控制点,系统能够实时地响应用户这些操作,生成新的人体模型,包括表面层和骨架层.如果采用鼠标拖动控制点的方式生成新的人体模型,则新的人体测量参数值将在系统右侧对话框内显示出来.图5,6所示为由三维人体模型快速定制系统生成的个性化三维人体模型.5种人体模型编辑本文提出了一种新的个性化三维人体模型快速定制方法.沿用S