[发明专利]基于测地模型的人体骨骼提取和朝向判定方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于测地模型的人体骨骼提取和朝向判定方法，主要用于计算机动画。

背景技术

人体模型骨骼提取，指通过对构成模型的点、边、面等几何元素的分析，结合人体的生 理解剖特点和运动特点，提取模型的关节点，生成人体模型的骨骼。由于人体模型的复杂性 和不规则性，及人体姿态变化的多样性，使得模型骨骼的自动提取非常困难。目前出现的从 人体模型提取骨骼的方法，按照所需模型的不同可以分为如下两类：

(1)基于动态模型的方法

动态模型由表示同一个人体的不同姿态的动画序列组成，每一姿态对应一组顶点数据， 大致研究思路是选其中一个姿态为参考姿态，以面、边或顶点为基本单位，计算参考姿态到 其它姿态间的变化量或变换矩阵，基于这种变化量或变换矩阵对顶点或面进行聚类，根据类 的邻接情况确定关节点位置。(参见文献1-Kirk A.G.，O’Brien J.F.，Forsyth D.A.： Skeletal parameter estimation from optical motion capture data.In CVPR 2005(2005)， pp.782-788；参见文献2-Edilson de Aguiar，Christian Theobalt，Sebastian Thrun， Hans-Peter Seidel，Automatic Conversion of Mesh Animations into Skeleton-based Animations.EUROGRAPHICS 2008，Volume 27(2008)，Number 2；参见文献3-Schaefer S.， Yuksel C.：Example-based skeleton extraction.In SGP’07(Aire-la-Ville，Switzerland， 2007)，pp.153-162。)

这些方法都以动画序列数据为前提，要求的数据量大，需要进行不同姿态间顶点注册等 烦琐的数据预处理，关节点定位的精度与动画数据能否完全反映各关节的运动情况相关。

(2)基于静态模型的方法

静态模型，是指只有一个表示人体某一特定姿态的人体模型，基于静态模型的算法通过 对模型的几何特征分析来提取关节点位置。与动态模型相比，由于数据量少，所能获取的信 息也少，虽然实现起来比较方便，但精度不高。Oscar(参见文献4-Oscar Kin-Chung Au， Chiew-Lan Tai，Hung-Kuo Chu，Daniel Cohen-Or，Tong-Yee Lee：Skeleton extraction by mesh contraction.ACM Trans.Graph.27(3)：(2008))采用全局位置约束，对模型网格 施加隐含拉普拉斯光滑，使网格模型收缩为零体积的骨骼线，再通过连通性处理、塌陷面去 除等得到骨骼模型。Ju(参见文献5-Ju Xiangyang，Werghi Naoufel，Siebert J Paul. Automatic segmentation of 3D human body scans[C]//Proc of the Computer Graphics and Imaging.Las Vegas：[s.n.]，2000)利用一组水平截面截取人体模型，根据各层 截面信息将模型分为四肢和胸头等五个部分，基于每个部分中截面椭圆轮廓的周长变化规 律，提取出每个部分所包含的关节点。Joao(参见文献6-Oliveira J，Zhang D，Spanlang B，Buxton B.Animating scanned human models.Journal of WSCG，2003，11(2)：362-369.) 等人利用扫描模型的水平截面信息，提取模型的中心线，根据局部曲率提取人体局部特征点， 再利用局部特征点与关节的关系在中心线上定位关节点位置。文献5、6的算法均采用水平截 面截取模型，其计算结果随模型姿态、体形等因素的改变而变化，当人体模型姿态与标准姿态 相差较大时，无法获取正确的拓扑结构；其次，提取关节中心所采用的特征(如轮廓周长、平 均半径)不够鲁棒，容易受模型精度影响，因而计算结果不够准确。Werghi(参见文献7- Werghi N Yi jun Xiao，Siebert J P.A functional2based segmentation of human body scans in arbit rary postures[J].IEEE Trans on Systems，Man，and Cybernetics， Part B：Cybernetics，2006，36(1)：1532165)等人将人体表面各点之间测地线距离 作为Morse函数，构造了离散Reeb图(discrete Reeb graph，DRG)，根据该图以及人体测量学 的先验知识实现了任意姿态扫描人体模型的分块，但该算法只完成了人体模型的分块，并没 有实现关节中心的提取。国内于勇(参见文献8-于勇 王兆其 夏时洪 毛天露.一种姿态 无关的人体模型骨骼提取方法.计算机研究与发展，2008，45(07)：1249-1258)等人同 样采用基于测地距离的方法获得人体拓扑结构，通过轮廓似圆性函数进行骨骼关节定位，能 够实现姿态无关的关节提取。虽然该算法是基于人体解剖学的假设，模型的关节附近截面形 状呈现不规则形状，而骨骼中部呈现类圆性，但由于该算法的截面是从头顶开始计算测地距 离，因此截面轮廓与医学所指截面存在偏差，其抗干扰性差，易受姿态、模型精度等影响。