[发明专利]一种基于多方向约束的头发重建方法

说明书

技术领域

本发明属于计算机虚拟现实领域，具体地说，一种基于多方向约束的头发重建。

背景技术

在计算机图形学中，对虚拟人物的正确建模，一直是研究者的一个重要的课题。无论是电影特效，视频游戏，虚拟现实或是其他图形学相关的领域，视觉真实的人物建模技术都有广泛的应用。而头发则是人物的一个重要特征，头发的形态因人而异，有时甚至是区别不同人的重要特征。同时，构成头发的发丝非常多，头发的造型、运动及其具有的光学特性都十分复杂，真实感的头发建模成为了计算机图形学的一个研究难点。

在电影，动画或虚拟现实领域，三维头发模型的几何建模一直是一件繁琐的工作。目前，大部分模型仍然依靠艺术家利用交互工具手工进行头发造型与建模的工作。近年来，不断开始有研究者尝试用自动化的方法，从图像数据中重建与真实头发相近似的模型。基于图像的头发建模方法，一般根据图像信息得到初步的头发几何约束与方向约束，再从中重建出完整的头发模型。目前基于图像的三维头发重建方法一般均首先获取头发表面几何，并通过分析各图像二维的方向信息重建出头发表面的方向。随后，一类方法，直接将表面方向场扩散到整个空间，利用该均匀方向场重建头发，得到的头发足够均匀但外形与图像差别较大；另一类方首先重建外部发丝，再将其连接至头皮，得到的头发外形与图像相似，但无法保证头发均匀也无法重建内部结构。

相比传统的两种方法，本发明将两类方法的优势结合起来，使得头发的生长在内部按均匀方向生长，在外部按表面方向生长，综合了两种方法的优势。

因此，本发明针对给予图像的头发建模的工作极具研究意义和应用前景。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的一些局限性，提供一种基于多方向约束的头发重建方法，有效的在获取初步头发表面数据后重建头发的发丝几何，得到视觉真实的头发模型。

本发明的技术解决方案：以头发表面几何、头发表面方向、头模型几何为输入，基于多方向约束的头发重建，利用网格化的方向场和头发表面方向共同约束发丝重建，从而重建头发模型。其特征在于如下步骤：

(1)根据输入的头发表面方向重建空间网格化的头发方向场；

(2)根据输入的头发表面几何和头模型几何重建空间网格化的距离场；

(3)利用(1)所得方向场、输入的头发表面方向和(2)所得距离场重建发丝几何；

(4)利用(1)所得方向场，对(3)所得的头发模型进行优化；

本发明的优点在于：

1、本发明所设计的头发发丝的重建过程，发丝均匀的从头皮长出，逐渐生长到头发表面，发丝分布均匀合理，在空间网格方向的约束下发丝生长方向自然。

2、本发明所设计的头发发丝的重建过程，发丝生长接近头皮时，将按头发表面方向生长，头发外面接近采集图像。

3、本发明所设计的多方向约束的头发重建，使得头发生长分布均匀的同时保持外部形态逼真，便于用于重建模型的重用。

附图说明

图1为本发明方法的数据流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

本发明方法的主要流程图如图1所示，在具备头发表面几何，头发表面方向，头模型几何为输入下，具体步骤如下：

(1)空间网格化头发方向场求解。

本发明中空间网格化头发方向场求解，为整个重建区域提供了连续分布的网格方向场。首先根据输入的头发表面几何和头模型几何中的点，计算出整个区域的包围盒，设定一定的网格单元大小，将整个区域均匀分割成立方体网格，实现空间网格化。随后，建立拉普拉斯方程，网格内含有头发表面几何的网格方向设为该头发几何的方向，包围盒边界网格设为狄利克雷边界，其余网格为未知方向。最后，求解拉普拉斯方程，得到空间平滑的网格方向场。

(2)空间网格化距离场；

为了使头发生长从头皮逐渐向头发表面靠拢，本发明利用距离场提供相关方向约束。首先利用所述步骤(1)中的网格化所得到的网格，在空间建立拉普拉斯方程，网格内包含有头发表面几何的的网格距离值设为0，包含头模型几何表面的网格距离值设为-1，空间包围盒边界的网格设置为1。随后，求解该拉普拉斯方程，得到在空间连续的头发表面距离场，头发表面为0，头发内部为负，头发外部为正。

(3)基于多方向的发丝重建。