[发明专利]采用可变形模型的人肢体建模方法及虚拟人模型控制平台

说明书

技术领域

本发明涉及一种采用可变形模型的人肢体三维建模方法及虚拟人三维模型控制平台软件，用于感知接口，运动分析和虚拟现实等应用领域，在医学图像、生物医学、手势识别、视频会议、视频游戏、自动新闻播放、电影制作、材料变形、图象压缩等方面都有实际应用价值。属于计算机视觉和计算机图形学领域。 

背景技术

运动分析领域的研究对象主要分为刚性物体、连接刚体和非刚性物体等。计算机视觉中的运动分析研究均主要集中在对刚体运动的研究，且学者们已取得了一系列的成果，并建立了较为完善的理论框架， 但是，在现实世界中大多是非刚体运动。人体属于非刚体。 

在过去的十几年中，可变形的人体建模已经取得了一些成绩。Nahas等使用了B样条曲面表示人身体和脸部的柔软的运动。Petland等介绍了一种基于有限元的方法模型。Terzopoulos等介绍了表达成一个超椭球形式的全局形状参数和样条形式的局部自由度相结合的可变形的超二次曲面的模型。Min等使用三种基本软体来对各种形状的人体上肢和肩部肌肉建模， 一个点基元产生一个椭圆体，一组连接的线段产生一个圆柱体，一个三角网格产生一个复杂的形状。Sminchisescu等提出了一种人体模型，它由运动骨架和肌肉构成，连接的节点构成的骨架由节点的角度参数控制，并覆盖了包含辅助锥化和弯曲参数的超二次椭圆面构成的肌肉。模型包含30个节点参数和8个内部比例参数，并且每个肢体又包含9个变形参数。Plankers等把一种称为元球或软体的隐式曲面附在人体的连接骨架上并按照解剖学的近似程度来排列这些元球。这个人体模型共使用了230个元球，并使用B样条曲面片进行蒙皮。还可以用blobby分子、软体、卷积曲面等各种隐式曲面进行人体建模。但这些方法都采用较为复杂的非刚体运动模型，控制参数较多，不能很好的满足轮廓表示的评价标准：即表示的简洁性和适合于后处理阶段的计算。 

发明内容

本发明的目的在于针对现有人体三维模型代表皮肤变形参数过多的不足，提出一种采用可变形模型的人肢体三维建模方法，每个人肢体只需调整三个参数就能反映出人肢体皮肤变形，降低运动分析的计算量，适合于各种弹性连接刚体的建模。 

为实现这样的目的，本发明的技术方案中，采用一种可变形曲面建立人肢体三维模型，提出的模型分为两层：骨架层和皮肤层，骨架层代表了人肢体的骨架结构，由关节点和连接这些关节点的线段组成；皮肤层采用一种可变形曲面表示，每个肢体只需调整三个参数就能反映出人肢体皮肤变形。首先使用摄像头拍摄人肢体摆姿势的图像序列，在图像序列中采用图像分割技术检测出人肢体在各个图像上的轮廓信息，采用曲线拟合技术用新的可变形二维曲线拟合各个图像上的各个肢体边缘轮廓，求出代表各个肢体轮廓的各个可变形二维曲线方程的参数；然后将各个可变形二维曲线绕各个肢体骨架直线旋转求出空间可变形三维曲面方程；最后采用三个圆球体和两个可变形三维曲面绘制各个人肢体模型。 

本发明的建模方法具体包括以下几个步骤： 

1. 采用图像分割技术检测人肢体在图像上的边缘轮廓信息

采用摄像头对人肢体所摆姿势进行拍摄，得到一个图像序列，然后采用图像分割技术检测并得到各个肢体在各个图像上的边缘轮廓信息。

2. 提取人肢体骨架位置信息 

根据边缘轮廓信息采用中轴变换方法求出各个图像上各个肢体的中轴线，把此中轴线作为各个图像上各个肢体的二维骨架位置信息。

3. 可变形二维曲线拟合各个图像上各个肢体的轮廓 

本发明采用曲线拟合技术用一种新的可变形二维曲线拟合步骤1得到的各个图像上各个肢体的边缘轮廓，提取各个图像上所要拟合各个肢体轮廓线的两个端点A、B的坐标，计算肌肉轮廓最高点C的坐标，确定点C在骨架上的垂直投影点C’的坐标，计算点C’与肩关节点之间的距离为参数a的值。计算上臂点A与点B之间肌肉部分的最大宽度，参数b的值为对应最大宽度值的一半。依据模型投影边缘与肌肉轮廓边缘的边界匹配误差最小原则确定参数k的值。

4. 求出可变形三维曲面方程 

将步骤3得到的可变形二维曲线绕步骤2得到的骨架直线旋转，得到代表各个肢体皮肤的可变形三维曲面方程。每个可变形三维曲面代表一个肢体皮肤。

5. 模型绘制 

本发明使用OpenGL程序采用平行投影方法绘制得到人肢体三维模型，采用三个圆球体代表j1、j2 、j3三个关节点，采用求得的两个可变形三维曲面方程绘制出的曲面来代表肢体皮肤，连接这三个圆球体和两个曲面构成人肢体模型。