三維人體模型的生成技術(shù)研究.pdf

1、三維人體模型生成是指在虛擬場景中利用計算機創(chuàng)建人的虛擬模型，它是計算機圖形學(xué)的經(jīng)典研究課題。該課題極具挑戰(zhàn)性，主要原因包括：一方面，三維人體模型具有高復(fù)雜度；另一方面，用戶很易察覺生成模型的失真度。
　　傳統(tǒng)的三維人體模型生成技術(shù)難以向大眾用戶提供切實可行的建模方法。對于3D創(chuàng)作軟件，用戶可以通過3d Max、Maya等創(chuàng)作生成期望的模型，但其操作需要專業(yè)的美工，并且制作耗時。隨著三維激光掃描儀的出現(xiàn)，三維模型的逆向重建變得可行，

2、但是激光掃描儀的昂貴價格使得其大部分應(yīng)用于科研或工業(yè)領(lǐng)域。上述兩種典型技術(shù)的缺陷嚴重限制了三維人體模型的生成，大眾用戶無法便捷地獲得自身的三維模型。
　　隨著商用深度相機的出現(xiàn)，大眾用戶可以擁有廉價的三維掃描設(shè)備。但是，深度相機的精度較低，原始的掃描數(shù)據(jù)難以滿足模型質(zhì)量的要求，這對數(shù)據(jù)的處理提出了嚴峻挑戰(zhàn)。
　　基于新型深度相機（如Kinect），本文研究了三維人體模型的生成問題。此外，由于人體模型是由姿勢和形態(tài)這兩個因素決

3、定的，本文使用了人體模型的子空間，以提高人體模型生成的效率。本文的主要工作和創(chuàng)新點如下：
　　1、提出了新的三階圖匹配算法和Bézier樣條曲線填充算法，構(gòu)建了利用兩臺深度相機快速采集三維人體模型的系統(tǒng)。系統(tǒng)的采集過程可以在瞬間完成，配置簡潔，操作靈活，可以在室外布置，具有應(yīng)用推廣價值。因為采集過程很短，用戶在采集過程中可以舒適地保持靜止姿勢。采集過程中，兩個已標定的Kinect深度相機同時采集人的前后側(cè)?？紤]到Kinect的視角

4、有限（垂直可視角度為43°），在近距離范圍內(nèi)（大約1.5m）無法采集到人的全身，利用Kinect自帶的馬達驅(qū)動改變俯仰角從而可以從前后側(cè)同時采集人的上中下三段，從而每個 Kinect可以得到人體的三個采集片段。這些片段在降噪后通過三階圖匹配的方法剛性注冊在一起。因為所有的片段可以在瞬間采集完，身體移動導(dǎo)致的差異可以忽略，從而無需進行非剛性注冊。前后采集數(shù)據(jù)之間的缺失可以通過貝塞爾曲線進行填充。最終重建的網(wǎng)格模型具有較高的精度，可以顯示出

5、人的頭發(fā)、臉部和衣服上的皺褶。
　　2、提出了基于人體子空間和單幀深度數(shù)據(jù)生成人體參數(shù)化模型的算法，克服了深度相機精度和采集條件的限制，構(gòu)建了利用單臺深度相機的人體模型生成系統(tǒng)?；趩文康统杀旧疃认鄼C Kinect采集的單幀數(shù)據(jù)，本文結(jié)合先驗知識，生成近似真實掃描數(shù)據(jù)的人體外形。本文不同于傳統(tǒng)人體生成方法：受限于 Kinect相機精度和采集條件的限制，其采集的單幀數(shù)據(jù)缺失很大、噪聲數(shù)據(jù)很多，從而難以利用局部幾何特征來精確重建。結(jié)合

6、人體是由形態(tài)、姿勢構(gòu)成的子空間這一全局先驗知識，本文的方法很好彌補了數(shù)據(jù)缺失帶來的缺陷。實驗結(jié)果表明，對于Kinect采集的單幀數(shù)據(jù)，本文的方法能夠生成合理的人體外形。
　　3、基于改進的參數(shù)化實時人體子空間模型和單幀深度視頻序列，提出一種重建人體幾何和運動的算法。算法具有無標記點、實時生成等特征，能實時地完成模型的單視角生成，為動作采集與重建提供了一種簡易高效的方法。該算法簡稱為實時 SCAPE。它利用 SCAPE模型建立的人體

7、子空間，分別計算模型重建所需的形態(tài)和姿勢參數(shù)。首先，通過預(yù)處理方式，計算得到靜態(tài)的人體內(nèi)蘊形態(tài)參數(shù)，從而獲得近似于真實人體的形態(tài)子空間模型。其次，為了實現(xiàn)運動重建，本文用線性混合蒙皮（LBS）方法替代了原始SCAPE模型的姿勢引導(dǎo)變形，LBS方法執(zhí)行速度快并且能得到較好的變形結(jié)果。LBS的權(quán)重參數(shù)也是從人體子空間中學(xué)習(xí)得到，并且可以提前計算，運動重建過程中不再發(fā)生改變。從而，在線計算過程中，僅需求解LBS中的動作變換參數(shù)，其可轉(zhuǎn)化為線性

8、變分方程的求解。在方程中，本文引入了附加的約束，以加強動作的時空一致性，降低失真度。實驗顯示，本文提出的算法能夠快速重建出高質(zhì)量的人體三維模型序列。
　　4、提出了一種基于人體子空間的三維人體模型編輯方法。對人體模型進行簡單編輯是很多應(yīng)用的核心。但是，編輯操作極易生成出不合理的結(jié)果，與真實的結(jié)果差距很大。這是因為人體自身具有全局的一致性，并符合人體解剖學(xué)原理，局部的形態(tài)和姿勢調(diào)整也要符合上述原則。使用人體子空間這一先驗知識，可簡化