[发明专利]一种采用手绘草图的三维人体建模方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种三维人体模型的生成方法，特别是一种采用手绘人体草图生成三维人体模型的方法。

背景技术

近年来，三维虚拟人物在工业、军事、生物制药以及教育领域有着广泛的应用，同时，三维人物建模技术在游戏、电影和多媒体方面起着越来越重要的作用，寻找一种简单有效地构建三维人体模型的方法，成为计算机图形学领域的重要课题。

现有的虚拟人物构建方法主要分为三个类别：创建，重构，插值。这些方法大多是从所构造的人体模型的真实性入手，以实际的人体结构为基础，按照人体的现实层次：骨架，肌肉，脂肪组织，皮肤等等，来创建符合人体生理结构的人体层次物理模型，并通过模拟身体各层次的物理性质来驱动人体模型的运动，从而达到模拟仿真人体运动的目的。典型的方法如文献1：Wilhelms J，Van Gelder A.Anatomically basedmodeling，In：Proceedings of SIGGRAPH’97，ACM SIGGRAPH；1997.p.173-80提出的一种基于解剖学的生物建模和模拟方法：首先建立一个人体关节和骨架模型，在此基础上根据解剖学知识构建单独的骨架，肌肉，并生成皮下组织结构，用这些层次表示身体形状；皮下组织体素化为三维网格，在此基础上使用等势面技术抽取皮肤层；皮肤层被建模为一层弹性网格结构。在运动模拟过程中，首先确定关节的运动，在此基础上计算骨架，皮下组织和肌肉的新位置，肌肉在保持体积不变的情况下进行形变；皮肤锚点随皮下组织进行位移，其他部分位置由弹性网格松弛得到)。上述各类方法能够建立极为逼真的人体模型，但是一般需要大量的专业技能以及特殊的设备(传统的/视频照相机，三维人体扫描仪，运动捕获系统，等等)，专业软件，以及熟练的计算机技能。如果不经过专门的训练，普通用户(例如平面艺术家和设计者)难以参与到创建个性化三维虚拟人物模型的过程中去。

由于现有的动画设计流程通常将人物形象设计与三维人物建模过程分离开来，一方面使设计师的创作意图难以完整而真实地体现在人体模型中，另一方面也使整个人物设计建模过程变得复杂冗长。通过将手绘草图交互方式引入到人体建模流程中，能够将上述两个过程结合起来，从而让设计师能够使用纸笔交互方式直接构造三维人体模型。基于手绘草图的三维模型生成技术的核心问题是“从图画中获取三维形状(ShapeFrom Drawings)”，即：如何从二维平面草图中恢复物体的三维信息。这个问题面临的主要困难在于：与给定二维图画相匹配的三维模型信息具有不唯一性(一对多映射)。由于图像和视频等数字媒体中对象或场景的三维信息是通过投影以二维形式呈现的，因此，“从二维平面中获得(三维)深度信息”也是计算机视觉领域的一个基本问题，这一领域解决这个问题的典型方法是：从X生成形状技术(shape from X：X代表视频、阴影、纹理、聚焦和光流等视觉特征)，一些以图像导引的草绘系统采用此原理来支持用户通过在多个标准正交构造平面上的草图像轮廓来生成三维线架模型。但是，手绘草图是以粗略形状来创建三维模型，而不强调形体构成的细节信息，且多视角手绘草图方式不符合用户的日常绘制习惯。

已有的采用单幅草图创建三维人体模型过程主要有以下方法：膨胀体建模方法，文献2：Igarashi T，Matsuoka S，Tanaka H.Teddy：a sketching interface for 3D freeformdesign.In：Proceedings of SIGGRAPH‘99，ACM SIGGRAPH；1999.p.409-16提出了一种通过绘制轮廓物体轮廓创建膨胀体模型的通用方法，该方法可以用来快速创建人体模型，但是其膨胀参数为固定值，并不能够表现用户绘制的人体特征；基于模板的方法，文献3：Chen Mao，Sheng Feng Qin，David Wright，ChenMao，Sheng Feng Qin andDavidWright，Asketch-based approachto human body modelling，Computers&Graphics(2009)，doi：10.1016/j.cag.2009.03.028提出了一种基于手绘人体轮廓的三维人体模板形变方法，该方法允许用户绘制人体骨架线及皮肤轮廓构造简单的人体几何模型。但是，该方法所使用的模板数据来源于尸体扫描图片，一方面需要复杂的图像识别过程来构建模板，限制了模板的多样性；另一方面，对于人体模板的定义较为简单，因此仅能表现部分人体姿态。同时，该方法通过指定的人体模板进行形变，不能准确体现用户的绘制意图。