一种人物分段建模方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种建模方法，尤其涉及一种人物分段建模方法。
【背景技术】
[0002] 计算机群体动画因为具有准确、智能以及操作性强的特点，已经在动漫动画、网游 制作、交通管理、人群疏散和灾难逃生等方面取得了很好的效果。如何对真实的人体进行三 维建模并应用到群体动画中是当前群体动画仿真系统面临的一个重要挑战。
[0003] 传统的三维人体建模通常使用结构光或者激光扫描仪，虽然能获得高精度的个性 化三维人体模型，但是成本高而且操作复杂。微软推出的Kinect设备利用红外技术，能够 实现低成本下三维信息的快捷获取。这一突破，极大地推动了一些使用三维技术的应用，如 基于Kinect的人体动作识别、骨骼建模、人脸识别、场景三维重建等，都成为相关领域的研 究热点。Kinect深度摄像机以其成本低而且操作简单的特点，也常被作为扫描仪用于实时 快速地构建个性化的三维人体模型。
[0004] 但由于Kinect扫描的模型点云密度太大，由其构建的三维人体模型很难被广泛 地应用。比如，在人群仿真场景中，由于人群规模巨大，要求人体实时渲染速度快。若直接 将Kinect扫描的三维人体模型应用到群体仿真中，无疑会增加系统开销、降低人群仿真的 效率。因此如何简化模型以及如何保留模型的细节特征，并获得一个简单且与原模型高相 似度的模型是一个很有意义的问题。
【发明内容】
[0005] 为了解决现有技术的缺点，本发明提供一种人物分段建模方法。该方法基于3D设 备获得头部高精度具有真实感个性化的头部模型，采用基于边曲率与面积误差的边折叠简 化方法，并采用交互式方式保留头部模型的细节特征，然后选择合适的身体模型与头部模 型自动融合，重建一个完整的人物模型。
[0006] 为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
[0007] -种人物分段建模方法，包括：
[0008] 步骤（1):使用三维扫描仪采集人物头部点的云数据，构建人物头部模型；
[0009] 步骤（2):对构建的人物头部模型进行预处理，得到预处理后的人物头部模型； [0010] 步骤（3):采用基于边曲率及面积误差的边折叠简化方法来简化预处理后的人物 头部模型，且采用交互式方法进行保留人物头部模型的细节特征；
[0011] 步骤（4):对步骤（3)得到的人物头部模型与人体躯干数据库中的人体躯干模型 进行匹配及融合，最终得到完整的人体模型。
[0012] 所述步骤（2)中预处理的具体过程为：
[0013] 步骤（2. 1):将构建人物头部模型的拓扑结构映射到图上，采用图论的方法去除 人物头部模型中的碎片，得到去除碎片的人物头部模型；
[0014] 步骤（2. 2):判断去除碎片的人物头部模型中是否存在漏洞，若存在，则采用支撑 径向基函数的层次化方法对人物头部模型进行修补，采用拉普拉斯方法对漏洞修复后的人 物头部模型进行平滑处理；
[0015] 若不存在漏洞，则采用拉普拉斯方法对无漏洞的人物头部模型进行平滑处理。
[0016] 所述步骤（2. 1)的具体过程为：
[0017] 步骤（2. I. 1):将构建人物头部模型的拓扑结构映射到图上，初始化人物头部模 型的拓扑结构；
[0018] 步骤（2. 1. 2):采用图的深度遍历方法遍历图G，保留最大的连通图G_;
[0019] 步骤（2. 1. 3):通过6_重构人物头部模型，实现人物头部模型的去除碎片处理。
[0020] 所述步骤（2. 2)中采用支撑径向基函数的层次化方法对人物头部模型进行修补 的过程为：
[0021] 在人物头部模型中随机获取若干个点，并同时获取每个点所对应的法向量，将人 物头部模型的表面转化成隐式表面；
[0022] 将人物头部模型的表面顶点集合拟合成一个平行六面体，然后把表面顶点集合和 表面顶点集合的分组递归地细分到8个等大的象限，构建出层次化点集；
[0023] 对构建的层次化点集不同层次采用不同的插值基函数进行多层次插值，最后实现 对人物头部模型的恢复。
[0024] 所述步骤（2. 2)中采用拉普拉斯方法来平滑处理人物头部模型的过程为：
[0025] 采用拉普拉斯方法将人物头部模型中顶点的三维位置向周围顶点的重心位置移 动，使顶点与周围顶点差距最小化；
[0026] 对于人物头部模型上的每一个点，根据周围顶点的位置信息，重新计算人物头部 模型上相应点的空间位置来对人物头部模型进行平滑。
[0027] 所述步骤（3)中采用交互式方法保留人物头部模型的细节特征的过程为：
[0028] 步骤（3. 1):根据人物头部模型中的保留区域边的集合，计算非保留边的折叠代 价以及非保留边折叠代价的平均值；
[0029] 步骤（3. 2):需要保留的边的折叠代价等于非保留边折叠代价的平均值与该平均 值的随机权重的乘积，根据需要保留的边的折叠代价排序，从小到大进行边折叠操作。
[0030] 所述折叠代价等于人物头部模型中的保留区域的非保留边的边曲率与保留区域 中删除该条非保留边后的面积误差之和。
[0031] 所述步骤（4)人物头部模型与人体躯干模型融合的过程为：
[0032] 步骤（4. 1):根据人物头模型和人体躯干模型的边界边分别进行确定各自的融合 区域，确定人物头模型融合区域F1和人体躯干模型融合区域F 2,并分别映射到二维空间H1， H2;
[0033] 步骤（4. 2):将二维空间H1，H2合并，得到二维空间Η、采用FCF方法对二维空间Hε 中的各个点进行重构融合曲面F，得到人物头部模型与人体躯干模型融合的曲面；
[0034] 步骤（4. 3):根据人物头部模型与人体躯干模型融合的曲面进行自动融合人物头 部模型与人体躯干模型，构建出层次性人体模型。
[0035] 所述步骤（1)中3D扫描仪为Kinect 3D扫描仪。
[0036] 所述步骤（4. 2)中采用FCF方法对二维空间ff中的各个点进行重构融合曲面Fc 的过程为：
[0037] 首先，计算融合曲面F的顶点v ε分别在F 1上的坐标v 1以及在F 2上的坐标v 2;
[0038] 然后，根据\=以8)^+(1-以8))一，得到融合曲面!^的顶点，的坐标，其中4( 8) 表示非均匀三次b样条曲线插值算法。
[0039] 本发明的有益效果为：
[0040] (1)本发明采用3D设备获得头部高精度具有真实感个性化的头部模型，采用基 于边曲率与面积误差的边折叠简化方法，并采用交互式方式保有效地保留了模型的细节特 征；
[0041] (2)人物模型之间最大的不同在于头上的细节特征，尤其是在群体仿真中，躯干上 的细节信息显得不是那么重要，而对群体人物区分的最明显的部位是在头部，所以本方法 采用基于Kinect的头和躯干分段的方法建模，选择合适的身体模型与头部模型融合，重建 一个完整的人物模型，采用FCF融合方法，实现模型之间的自动融合，不仅可以简化操作， 而且还可以提高建模的效率，增加模型的多样性，在群体仿真中具有很高的应用价值。
【附图说明】
[0042]图1是本发明的人物分段建模方法流程图；
[0043] 图2a)是去除碎片前的人物头部模型；
[0044] 图2b)是去除碎片后的人物头部模型；
[0045] 图3a)是原始人物头部模型；
[0046] 图3b)是修补漏洞后的人物头部模型；
[0047] 图4a)是平滑前的人物头部模型；
[0048] 图4b)是平滑后的人物头部模型；
[0049] 图5a)是边曲率计算示意图；
[0050] 图5b)是面积误差计算不意图；
[0051] 图6a)是20921个点，41261个三角面片的原始人物头部模型；
[0052] 图6b)是简化率为80 %人物头部模型；
[0053] 图6c)是简化率为90 %人物头部模型；
[0054] 图6d)是简化率为95 %人物头部模型；
[0055] 图7a)是人物头部模型与人体躯干模型融合的融合流程图；
[0056] 图7b)是改进的FCF函数；
[0057] 图8是人物头部模型与人体躯干模型融合的融合效果图。
【具体实施方式】
[0058] 下面结合附