一种基于动作捕捉的三维建模系统和方法与流程

本发明涉及一种三维建模工具，特别涉及一种基于动作捕捉的三维建模系统和方法。

背景技术：

产品的三维设计是产品制造过程中的重要内容和核心步骤。产品三维模型的建立，工程师通常基于商业的cad平台进行模型建立、模型编辑和模型操作，例如solidworks、ug和proe等。基于商业cad平台的产品三维模型构建，往往依赖于程式化的步骤，由设计工程师一步一步按照计算机的要求进行模型几何、特征参数和约束的配置。例如，设计工程师往往先画模型的二维草图，然后约束草图的各尺寸，再由草图拉伸获得扫掠的三维实体模型。基于商业cad平台程式化的产品三维模型设计具有以下几个方面的弊端：

1、产品三维模型的建立高度依赖草图、基准点、基准线和基准面。设计工程师需要花费大量的时间在草图设计，基准点、基准线和基准面等基准体系的设计上边。产品三维模型的构建过程是由二维草图到三维、先有基准约束再有几何/特征建模的过程。

2、基于二维草图到三维、先有基准约束再有几何/特征建模的程式化设计过程，跟人类对物理世界的三维认知习惯是相悖的。在进行产品三维设计时，需要在人脑中将三维模型转化到二维草图、再由二维草图转化到计算机中的三维模型的两次转换过程，这不仅需要占用较长的计算机操作时间，也分散了设计工程师的产品设计专注程度。

3、基于商业cad平台程式化的产品三维模型设计，设计工程师与三维模型间的交互程度不够，商业cad平台只是给予设计工程师视觉上的感受，在手部动作直接交互方面的沉浸性还不够。

技术实现要素：

本发明的第一目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于动作捕捉的三维建模系统，该系统能够通过直接捕捉的动作轨迹进行三维模型的建立、编辑和操作，因此能够实现在有了产品三维模型的初步概念设计之后，再给模型添加精确的几何、特征和约束信息，实现先有几何/特征三维模型、再有基准约束、符合人类三维物体认知习惯的正向设计。

本发明的第二目的在于提供一种上述系统实现的基于动作捕捉的三维建模方法。

本发明的第一目的通过下述技术方案实现：一种基于动作捕捉的三维建模系统，包括动作捕捉系统和设置在终端的实体建模与编辑平台；所述动作捕捉系统和终端进行通信连接；

所述动作捕捉系统包括动作捕捉工具和数据处理分析模块；

所述动作捕捉工具，用于针对动作捕捉区域的动作轨迹信息进行实时捕捉，并且将捕捉的动作轨迹信息发送至数据处理分析模块；

所述数据分析处理模块包括第一分析处理模块、第二分析处理模块、第三分析处理模块、第四分析处理模块和系统工作状态获取模块；

所述第一分析处理模块，用于分析出用户动作轨迹信息中的状态切换动作信息，并且将状态切换动作信息反馈至终端的实体建模与编辑平台；

所述系统工作状态获取模块；用于从终端的实体建模与编辑平台中获取当前系统工作状态信息，其中当前系统工作状态包括三维模型建模状态、三维模型编辑状态和三维模型操作状态；

所述第二分析处理模块，用于在三维模型建模状态时，分析出用户动作轨迹信息中的三维模型建模信息；

所述第三分析处理模块，用于在三维模型编辑状态时，分析出用户动作轨迹信息中的三维模型编辑信息；

所述第四分析处理模块，用于在三维模型操作状态时，分析出用户动作轨迹信息中的三维模型操作信息；

所述实体建模与编辑平台包括状态切换模块、三维模型建立模块、三维模型编辑模块和三维模型操作模块；

所述状态切换模块，用于根据状态切换动作信息切换当前系统工作状态，并且将当前系统工作状态反馈至动作捕捉系统；

所述三维模型建立模块，用于在三维模型建模状态时，根据动作捕捉系统所分析出的三维模型建模信息建立三维模型；

所述三维模型编辑模块，用于在三维模型编辑状态时，根据动作捕捉系统所分析出三维模型编辑信息对三维模型进行编辑；

所述三维模型操作模块，用于在三维模型操作状态时，根据动作捕捉系统所分析出三维模型操作信息对三维模型进行操作。

优选的，所述动作捕捉系统中的动作捕捉工具为多目摄像头。

优选的，所述动作捕捉系统数据还包括与数据分析处理模块连接的数据采集卡，所述数据采集卡采集动作捕捉工具捕捉的动作轨迹信息，并且发送至数据分析处理模块。

优选的，所述三维模型建模信息包括三维实体几何以及特征建模信息；所述三维模型编辑信息包括三维模型几何特征变动信息；所述三维模型操作信息包括三维模型位置变换和装配配合信息。

优选的，所述设置有实体建模与编辑平台的终端为个人计算机、平板电脑或智能手机。

本发明的第二目的通过下述技术方案实现：一种基于动作捕捉的三维建模方法，包括如下步骤：

s1、动作捕捉系统针对动作捕捉区域的动作轨迹信息进行实时捕捉，同时终端的实体建模与编辑平台将当前系统工作状态实时反馈至动作捕捉系统；动作捕捉系统实时分析动作轨迹信息中的状态切换动作信息，在分析到动作轨迹信息中的状态切换动作信息时，实时的发送至终端的实体建模与编辑平台，同时动作捕捉系统根据当前系统工作状态针对捕捉的动作轨迹信息进行以下分析：

在三维模型建模状态时，分析出动作轨迹信息中的三维模型建模信息，并且发送至终端的实体建模与编辑平台；

在三维模型编辑状态时，分析出动作轨迹信息中的三维模型编辑信息，并且发送至终端的实体建模与编辑平台；

在三维模型操作状态时，分析出动作轨迹信息中的三维模型操作信息，并且发送至终端的实体建模与编辑平台；

s2、实体建模与编辑平台接收到状态切换动作信息时，根据状态切换动作信息切换当前系统工作状态；同时实体建模与编辑平台根据当前系统工作状态，进行以下处理：

在三维模型建模状态时，根据接收到三维模型建模信息，通过三维重构和渲染工具进行三维模型建立和显示；

在三维模型编辑状态时，根据接收到的三维模型编辑信息，通过三维重构和渲染工具进行三维模型编辑；

在三维模型操作状态时，根据接收到三维模型操作信息，对三维模型相应的操作。

优选的，在在三维模型建模状态时，动作捕捉系统将三维模型建模信息以stl文件格式或gsl文件格式发送至实体建模与编辑平台；

在三维模型编辑状态时，动作捕捉系统将三维模型编辑信息以stl文件格式或gsl文件格式发送至实体建模与编辑平台；

在三维模型操作状态时，动作捕捉系统将三维模型操作信息以stl文件格式或gsl文件格式发送至实体建模与编辑平台。

优选的，所述三维模型建模信息包括三维实体几何以及特征建模信息；所述三维模型编辑信息包括三维模型几何特征变动信息；所述三维模型操作信息包括三维模型位置变换和装配配合信息；

在三维模型建模状态时，实体建模与编辑平台根据三维实体几何以及特征建模信息，通过三维重构和渲染工具进行三维模型建立；

在三维模型编辑状态时，实体建模与编辑平台根据三维模型根据几何特征变动信息，通过三维重构和渲染工具对三维模型进行几何以及特征变动；

在三维模型操作状态时，实体建模与编辑平台根据三维模型位置变换和装配配合信息，对三维模型进行位置变换和装配仿真。

优选的，所述动作捕捉系统通过多目摄像头针对动作捕捉区域的动作轨迹信息进行实时捕捉。

优选的，所述动作捕捉系统通过第一分类器将用户轨迹信息中的切换状态信息分析出来；

在三维模型建模状态时，动作捕捉系统通过第二分类器将用户轨迹信息进中的三维模型建模信息分析出来；

在三维模型建模编辑状态时，动作捕捉系统通过第三分类器将用户轨迹信息进中的三维模型编辑信息分析出来；

在三维模型建模操作状态时，动作捕捉系统通过第四分类器将用户轨迹信息进中的三维模型操作信息分析出来。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

本发明三维建模系统包括动作捕捉系统和设置在终端的实体建模与编辑平台，由动作捕捉系统来获取到三维模型建立、三维模型编辑和三维模型操作所需要的信息，实体建模与编辑平台根据动作捕捉系统发送的三维模型建模信息、三维模型编辑信息和和三维模型操作信息进行三维模型的建立、编辑和操作，在本发明中，设计人员只需要通过手或者手持工具有目的的在动作捕捉系统的动作捕捉区域进行三维模型绘制、编辑和操作即可实现三维模型的建立、编辑和操作，该系统能够实现在有了产品三维模型的初步概念设计之后，再给模型添加精确的几何、特征和约束信息，实现先有几何/特征三维模型、再有基准约束、符合人类三维物体认知习惯的正向设计。本发明三维模型的建立、编辑和操作过程是“所见即所得”的方式，能辅助涉及人员进行启发式地设计，提高产品零部件设计效率，降低产品开发的周期，并且提高了设计工程师在建模过程中的沉浸性。

附图说明

图1是本发明三维建模系统结构框图。

图2是本发明中三维模型建立的流程图。

图3是本发明中三维模型编辑的流程图。

图4是本发明中三维模型操作的流程图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

本实施例公开了一种基于动作捕捉的三维建模系统，如图1所示，包括动作捕捉系统和设置在终端的实体建模与编辑平台；所述动作捕捉系统和终端进行通信连接；本实施例中动作捕捉系统通过三维模型数据接口连接终端。

本实施例中动作捕捉系统包括动作捕捉工具、数据采集卡和数据处理分析模块；在本实施例中动作捕捉工具为多目摄像头。其中：

动作捕捉工具，用于针对动作捕捉区域的动作轨迹信息进行实时捕捉，数据采集卡采集动作捕捉工具捕捉的动作轨迹信息，并且发送至数据分析处理模块；

数据分析处理模块包括第一分析处理模块、第二分析处理模块、第三分析处理模块、第四分析处理模块和系统工作状态获取模块；其中

第一分析处理模块，用于分析出用户动作轨迹信息中的状态切换动作信息，并且将状态切换动作信息反馈至终端的实体建模与编辑平台；

系统工作状态获取模块；用于从终端的实体建模与编辑平台中获取当前系统工作状态信息，其中当前系统工作状态包括三维模型建模状态、三维模型编辑状态和三维模型操作状态；

第二分析处理模块，用于在三维模型建模状态时，分析出用户动作轨迹信息中的三维模型建模信息；本实施例中三维模型建模信息包括三维实体几何以及特征建模信息；

第三分析处理模块，用于在三维模型编辑状态时，分析出用户动作轨迹信息中的三维模型编辑信息；本实施例中三维模型编辑信息包括三维模型几何特征变动信息，其中几何特征变动信息包括三维模型的高度、长度、宽度、曲率、颜色、面与面的连接方式、以及多个几何体时的结合方式等信息；

第四分析处理模块，用于在三维模型操作状态时，分析出用户动作轨迹信息中的三维模型操作信息；本实施例中三维模型操作信息包括三维模型位置变换和装配配合信息；

本实施例中实体建模与编辑平台包括状态切换模块、三维模型建立模块、三维模型编辑模块和三维模型操作模块；其中：

状态切换模块，用于根据状态切换动作信息切换当前系统工作状态，并且将当前系统工作状态反馈至动作捕捉系统；

三维模型建立模块，用于在三维模型建模状态时，根据动作捕捉系统所分析出的三维模型建模信息建立三维模型；

三维模型编辑模块，用于在三维模型编辑状态时，根据动作捕捉系统所分析出三维模型编辑信息对三维模型进行编辑；

三维模型操作模块，用于在三维模型操作状态时，根据动作捕捉系统所分析出三维模型操作信息对三维模型进行操作。

本实施例中设置有实体建模与编辑平台的终端可以为个人计算机、平板电脑或智能手机。

本实施例还公开了一种基于上述三维建模系统所实现的基于动作捕捉的三维建模方法，包括如下步骤：

s1、动作捕捉系统通过多目摄像头针对动作捕捉区域的动作轨迹信息进行实时捕捉，同时终端的实体建模与编辑平台将当前系统工作状态实时反馈至动作捕捉系统；动作捕捉系统数据分析模块实时分析动作轨迹信息中的状态切换动作信息，在分析到动作轨迹信息中的状态切换动作信息时，实时的发送至终端的实体建模与编辑平台，同时动作捕捉系统的数据分析模块根据当前系统工作状态针对捕捉的动作轨迹信息进行以下分析：

在三维模型建模状态时，分析出动作轨迹信息中的三维模型建模信息，并且发送至终端的实体建模与编辑平台；在本实施例中动作捕捉系统将三维模型建模信息以stl文件格式或gsl文件格式发送至实体建模与编辑平台；

在三维模型编辑状态时，分析出动作轨迹信息中的三维模型编辑信息，并且发送至终端的实体建模与编辑平台；在本实施例中动作捕捉系统将三维模型编辑信息以stl文件格式或gsl文件格式发送至实体建模与编辑平台；

在三维模型操作状态时，分析出动作轨迹信息中的三维模型操作信息，并且发送至终端的实体建模与编辑平台；在本实施例中动作捕捉系统将三维模型操作信息以stl文件格式或gsl文件格式发送至实体建模与编辑平台；

s2、实体建模与编辑平台接收到状态切换动作信息时，根据状态切换动作信息切换当前系统工作状态；同时实体建模与编辑平台根据当前系统工作状态，进行以下处理：

在三维模型建模状态时，根据接收到三维模型建模信息，通过三维重构和渲染工具进行三维模型建立和显示，具体为显示在终端的显示屏上；本实施例中的三维模型建模信息包括三维实体几何以及特征建模信息，实体建模与编辑平台在三维模型建模状态根据三维实体几何以及特征建模信息建立对应的三维模型。

在三维模型编辑状态时，根据接收到的三维模型编辑信息，通过三维重构和渲染工具进行三维模型编辑，并且通过终端显示屏显示编辑过程以及编辑结果；当三维模型编辑信息为三维模型几何特征变动信息时，则实体建模与编辑平台在三维模型编辑状态下，根据三维模型几何特征变动信息对三维模型进行几何特征变动的编辑和更新。

在三维模型操作状态时，根据接收到三维模型操作信息，对三维模型相应的操作。并且通过终端显示屏显示操作过程以及操作结果。当本实施例中三维模型操作信息为位置变换和装配配合信息时，则实体建模与编辑平台在三维模型操作状态下，根据位置变换和装配配合信息对三维模型进行位置变换以及装备仿真的操作。

本实施例上述方法中，动作捕捉系统通过第一分类器将用户轨迹信息中的切换状态信息分析出来；

在三维模型建模状态时，动作捕捉系统通过第二分类器将用户轨迹信息进中的三维模型建模信息分析出来；

在三维模型建模编辑状态时，动作捕捉系统通过第三分类器将用户轨迹信息进中的三维模型编辑信息分析出来；

在三维模型建模操作状态时，动作捕捉系统通过第四分类器将用户轨迹信息进中的三维模型操作信息分析出来。

其中第一分类器、第二分类器、第三分类器和第四分类器均可以为神经网络模型，均为事先通过相应训练样本训练好的分类器。

在本实施例中动作捕捉系统实时的将捕捉到的设计人员的动作反馈至中的实体建模与编辑平台，终端显示屏以光标形式实时显示出设计人员手或者手持的工具在动作捕捉区域的具体位置，因此设计人员根据终端的显示屏，可以知晓手或者手持的工具所在位置，因此设计人员通过终端显示屏能够有目的的对三维模型进行绘制、编辑或操作。

本实施中，如图1所示，将系统工作状态切换为三维模型建模状态时，设计人员可以在多目摄像头的动作捕捉区域有目的的用手或手持工具像三维绘画一样绘制实体的三维模型，此时动作捕捉系统中的多目摄像头捕捉设计人员的动作轨迹，并且分析出三维建模信息(轨迹的系列三维空间坐标点)后以stl文件格式或gsl文件格式发送至终端的实体建模与编辑平台，实体与编辑平台根据三维建模信息进行建模，并且通过终端的显示屏实时的显示出三维模型的绘制过程。比如在三维模型建模状态下，设计人员在动作捕捉区域手绘一条横线，根据随着设计人员的动作，终端显示屏上会显示出一条横线。

本实施例中，如图3所示，将系统工作状态切换为三维模型编辑状态时，设计人员可以有目的地用手或手持工具，像泥塑工艺一样编辑实体的三维模型；此时动作捕捉系统中的多目摄像头捕捉设计人员的动作轨迹，并且分析出三维编辑信息(轨迹的系列三维空间坐标点)后以stl文件格式或gsl文件格式发送至终端的实体建模与编辑平台，实体与编辑平台根据三维编辑信息对三维模型进行编辑，并且通过终端的显示屏实时的显示出三维模型的编辑过程以及编辑后的三维模型。比如在三维模型编辑状态下，设计人员需要选择实体与编辑平台中的一个布料对三维模型进行渲染，此时设计人员可以在动作捕捉区域用手或手持工具选中布料，并且将布料拖至需要三维模型需要渲染的布料，随着涉及人员的相应动作，终端显示屏会显示渲染布料的拖至过程以及渲染完成后的三维模型。

本实施例中，如图4所示，将系统工作状态切换为三维模型操作状态时，设计人员可以有目的地用手或手持工具操作实体建模与编辑平台中的三维模型；此时动作捕捉系统中的多目摄像头捕捉设计人员的动作轨迹，并且分析出三维操作信息(轨迹的系列三维空间坐标点)后以stl文件格式或gsl文件格式发送至终端的实体建模与编辑平台，实体与编辑平台根据三维操作信息对三维模型进行操作，并且通过终端的显示屏实时的显示出三维模型的操作过程以及操作后的三维模型。比如在三维模型操作状态下，设计人员需要选择对三维模型进行移动，此时设计人员可以在动作捕捉区域用手或手持工具对三维模型进行移动，随着涉及人员的移动动作，终端显示屏会显示渲染三维模型的移动过程以及移动后的状态。

在本实施例中可以定义某个动作来驱动对当前系统状态进行切换，例如，以握拳动作驱动当前系统状态的切换，当动作捕捉系统多目摄像头捕捉到握拳动作轨迹时，则动作捕捉系统能够从动作轨迹信息中分析出状态切换动作信息，此时将状态切换动作信息反馈至终端的实体与编辑平台，终端的实体与编辑平台在接收到状态切换动作信息后对当前系统工作状态进行切换。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。