[发明专利]基于旋转双曲面的虚拟人肢体建模方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于旋转双曲面的虚拟人肢体建模方法，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、图像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。所以这些模型在表示人体轮廓方面缺乏实用性。

发明内容

本发明的目的在于针对现有虚拟人模型代表皮肤变形参数过多的不足，提出一种基于旋转双曲面的虚拟人肢体建模方法，每个虚拟人肢体只需调整两个变形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，采用旋转双曲面建立人肢体模型，提出的模型分为两层：骨架层和皮肤层，骨架层代表人肢体的骨架结构，由关节点和连接这些关节点的线段组成；皮肤层采用一种旋转双曲面表示，每个肢体只需调整两个变形参数就能反映出人肢体皮肤变形。首先使用相机拍摄人肢体摆姿势的图像，在图像中采用图像分割技术检测出人肢体在图像上的轮廓信息，采用曲线拟合技术用双曲线拟合图像上的各个肢体边缘轮廓，求出代表各个肢体轮廓的双曲线方程的系数。然后采用根据图像平面的二维双曲线方程求出对应的旋转双曲面方程，即通过二维双曲线绕肢体骨架直线旋转求出旋转双曲面方程，最后采用三个圆球体和两个旋转双曲面绘制虚拟人肢体模型。

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出人肢体在图像上的边缘轮廓信息

采用相机对人肢体所摆姿势进行拍摄，得到一幅图像，然后采用图像分割技术检测并得到人肢体在图像上的边缘轮廓信息。

2.二维双曲线拟合图像上各个肢体的轮廓

本发明采用曲线拟合技术用二维双曲线拟合步骤1得到的图像上各个肢体的边缘轮廓，提取图像上所要拟合肢体轮廓线的两个端点A、B的像素坐标并变换成在图像上的平面坐标，在两端点形成的直线上方设定一点O，以O点为坐标系原点确定经过点A、B的二维双曲线；由此根据所要拟合轮廓线上的所有像素点坐标值求出图像上代表各个肢体轮廓的二维双曲线方程的变形参数a、b的值。

3.提取人体骨架位置信息

根据边缘轮廓信息采用中轴变换方法求出图像平面上各个肢体的中轴线，把此中轴线作为图像平面上各个人肢体的骨架位置信息。

4.求出旋转双曲面的方程

将步骤2得到的二维双曲线绕步骤3得到的骨架直线旋转，得到代表肢体皮肤的旋转双曲面方程。每个旋转双曲面代表一个肢体的皮肤。

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虚拟人肢体模型，采用三个圆球体代表j1、j2、j3三个关节点，采用求得的两个旋转双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。