[发明专利]一种组件式三维人像建模方法

摘要

本发明涉及一种组件式的三维人像建模方法。首先，该方法建立三维人像的标准模板。该模板包括三维人体模板和衣服、头发和鞋袜等附属物组件模型。并以三维人体模板为中心，建立三维人体与其余附属物组件之间的对应关系；其次，进行三维人体模板变形。通过简单调整人体的几何外形参数或者动作姿态参数，生成预期的三维人体模型结果；最后，衣服、头发和鞋袜等附属物的变形。三维人体模板带动衣服、头发和鞋袜等其余组件，发生变形，实现最终的三维人像结果。

主权项

1.一种组件式的三维人像建模方法，通过编辑三维人体模板的运动姿态和几何外形参数，实现三维人体模板的变形，进而带动头发、衣服和鞋袜附属物组件的变化，实现预期的建模结果，其特征在于，建模步骤如下：首先，建立三维人像的标准模板，包括三维人体模板和衣服、头发及鞋袜附属物组件模型，并以三维人体模板为中心，建立三维人体模板与附属物组件模型之间的对应关系；其次，变形三维人体模板，通过调整人体的几何外形参数或者动作姿态参数，生成预期的三维人体模型结果；最后，变形衣服、头发和鞋袜附属物，三维人体模板带动衣服、头发及鞋袜附属物组件发生变形，实现最终的三维人像结果；所述建立三维人像的标准模板，包括如下步骤：2.1)生成核心的三维人体模板，在对三维人体数据库进行全面分析的基础上，考虑人体在动作姿态和几何外形上的两个变化子空间，建立线性化表示的人体参数化空间，即人体参数化信息，同时生成该空间中用平均值表示的三维人体模板；2.2)建立衣服、头发及鞋袜附属物组件模型，通过人工建模的方法，基于三维人体模板，预先建立匹配的附属物组件模型，即衣服、头发及鞋袜附属物组件的三维模型；2.3)构建三维人体模板与附属物组件模型之间的对应关系，在三维人体模板与附属物组件模型上均匀稀疏采样，建立表示两者之间对应关系的连通图，该连通图以采样点作为节点，相邻的节点通过无向边相连；所述变形三维人体模板具体过程为：处于核心地位的三维人体模板，通过编辑操作来实现其变形，人体的编辑变形进一步分为动作姿态和几何外形两个方面：3.1)动作姿态变形表示为线性混合蒙皮公式，线性蒙皮是人体各个刚性块的刚性变换T和权重乘积的求和，由于人体各个刚性块的权重是不变的，所以人体各个刚性块的刚性变换T就是编辑动作姿态时的变形参数，对于人体各个刚性块的刚性变换T，在三维人体模板变形的界面上，通过鼠标直接拖拽相应的刚性块即可得到；3.2)几何外形变形，基于主元素分析，几何外形被线性化地表示为Θ＝Uθ+μ，其中，U为三维人体几何外形子空间的基础特征向量，μ则为三维人体的平均值外形，即前文所述的三维人体模板信息，U和μ均可预先求取，为不变量；θ为编辑三维人体几何外形的变形参数，在具体实现过程中，通过子空间的线性等价变换，θ表示为有意义的人体参数集合，身高、体重、胸围、腰围和臀围，方便三维人体模板变形的实现；通过编辑三维人体的动作姿势参数T和几何外形参数θ，将三维人体模板进行变形，达到预期的三维人体建模结果；所述衣服、头发和鞋袜附属物的变形，形式化描述为：三维人体模板B的变形，通过三维人体模板与附属物组件模型之间的连通图G，传递到附属物组件A上，驱动它们发生相应的变形，假定，G的节点由三维人体模板B和附属物组件模型A上的总计m个采样点组成，建立图G的节点后，将一个节点和其最近的6个节点连接在一起形成图G的边，通过连通图G，驱动附属物组件发生变形的过程，该变形过程公式化表示为如下的最优化方程：该式含有两项：Ec项用来保证G中相邻节点之间变形的一致性，Ep用来约束在B上节点的位置，wp为两项之间的权重，设为0.1，矩阵Rj和平移向量tj表示了变形图G中节点j的仿射变换，Ec表示相邻节点之间变形的一致性，假定：gj，j＝1,...,m，为第j个节点的位置，N(j)表示和第j个节点具有一条连接边的相邻节点集合，也就是说，如果节点j和k相邻，则他们共同影响B和A的一部分区域，根据相邻节点的仿射变换相似这一事实：如果节点j的仿射变换作用到节点k的位置后，它应该接近节点k的仿射变换作用到其自身的位置，Ec的公式化表示为：其中，节点j的位置为gj，变换矩阵为Rj，平移向量为tj；相邻节点k的位置为gk，平移向量为tk，位置约束项Ep约束了B上节点的位置，表示为如下的函数：其中，n为连通图在B上节点的总数目，B中的第i个节点位置vi变形后的新位置为vi′，通过求解变形过程的最优化方程，即可获得连通图G每个节点的仿射变换，在计算出连通图G每个节点的仿射变换后，G的节点位置也随之发生改变，从而，在附属物组件A上的节点，将改变后的位置信息作用到附属物组件A的相邻顶点上，改变附属物组件三维模型中各个顶点的位置，最终实现附属物组件A的变形。