一種基于特征的三維個性化人體建模方法與流程

本發明涉及人體三維建模技術領域，具體是一種基于特征的三維個性化人體建模方法。

背景技術：

人體是非常復雜的幾何體，三維人體建模作為計算機人體仿真的一個組成部分，一直是人們研究的熱點之一。自交互式計算機圖形學誕生之日起，就有學著不斷探索計算機人體建模技術，三維人體建模技術發展至今，日趨成熟，主要的人體建模方法有：三維線框模型、三維實體模型、三維曲線模型以及基于物理的三維建模。但是如今建模技術有很多缺點，比如建立的人體模型精度低、建模速度慢、建模開銷大等。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種基于特征的三維個性化人體建模方法，以解決上述背景技術中提出的問題。

為實現上述目的，本發明提供如下技術方案：

一種基于特征的三維個性化人體建模方法，步驟如下：

1)根據生物學原理將人體特征進行局部分塊；

2)對各個人體分塊進行特征點提取，并分析特征點的關聯關系，構造出整個人體的特征點集和特征關系集；

3)使用b樣條曲線對各個人體分塊的特征點進行擬合，獲得具有多條特征曲線的三維人體模型；

4)采用插值法對具有多條特征曲線的三維人體模型進行處理，獲得最終的三維人體模型。

作為本發明進一步的方案：步驟1)中，根據人體肌肉分布規則對人體進行局部分塊，分為頭部、頸部、胸部、腹部、臀部、上臂、小臂、大腿、小腿。

作為本發明再進一步的方案：步驟2)中，在對頭部進行特征點提取時，橫向上以顳肌、枕肌、額肌和帽狀腱膜為標準選取16個特征點，縱向上增加以顴弓和下唇方肌為基礎的四個特征點。

作為本發明再進一步的方案：步驟2)中，在對頸部進行特征點提取時，前頸部從頸部左右胸鎖乳突肌到喉嚨選取三個特征點，后頸部以頸肌、斜方肌為基準左右對稱分別選取三個特征點。

作為本發明再進一步的方案：步驟2)中，在對胸部進行特征點提取時，從三條線上進行提取，第一條位于鎖骨下方胸肌上方，前方以肩胛舌骨肌到人體胸前中心為基準選取三個特征點，后方根據肩胛骨分布定義另外兩個特征點，第二條位于胸部中心，在大胸肌中心上對稱選取兩個特征點，在兩塊大胸肌中間選取一個特征點，側后面在大圓肌上選取兩個點，同一水平線上的脊椎中心也為一個特征點，第三條位于胸肌下方及前鋸肌上方。

作為本發明再進一步的方案：步驟2)中，在對腹部進行特征點提取時，以腹直肌、腹外斜肌、腹內斜機、弓狀線和肚臍為參照定義兩排特征點，配合豎脊肌，共選取60個特征點。

作為本發明再進一步的方案：步驟2)中，在對臀部進行特征點提取時，以髂嵴取30個特征點，肚臍下方定義一個特征點，大腿肌膜張肌對稱選取兩個特征點，后背上在豎脊肌末端選取一個特征點，以臀中肌、大腿肌膜張肌選取兩組30個特征點。

作為本發明再進一步的方案：步驟2)中，在對上臂和小臂進行特征點提取時，根據三角肌、肱二頭肌、股三頭肌、肱橈肌、屈肌將整個胳膊一共提取30個重要特征點。

作為本發明再進一步的方案：步驟2)中，在對大腿進行特征點提取時，以股四頭肌、縫匠肌、前直肌股外內側肌為根據選取60個特征點。

作為本發明再進一步的方案：步驟2)中，在對小腿進行特征點提取時，以前脛骨肌、腓腹肌、腓骨肌、比目魚肌、趾長深肌為依據提取60個特征點。

與現有技術相比，本發明的有益效果是：

本發明提供一種高效精確的實現技術，來提高三維個性化人體構建的速度、準確度以及更高的用戶滿意度，優化人體特征點選取效率，提升特征分析精度，構建最接近真人的三維個性化人體模型。本發明快速準確的分析二維圖片人體特征，從中提取出個性化的關鍵性信息，實時高效構建出最符合照片特征的三維人體模型。

附圖說明

圖1為胸部特征點所擬合的特征曲線。

圖2為對胸部特征曲線進行插值法處理后的效果圖。

圖3為腹部特征點所擬合的特征曲線。

圖4為對腹部特征曲線進行插值法處理后的效果圖。

圖5為上臂和小臂特征點所擬合的特征曲線。

圖6為對上臂和小臂特征曲線進行插值法處理后的效果圖。

圖7為大腿和小腿特征點所擬合的特征曲線。

圖8為對大腿和小腿特征曲線進行插值法處理后的效果圖。

圖9為整個人體所有特征點所擬合的特征曲線。

圖10為對人體所有特征曲線進行插值法處理后的效果圖。

具體實施方式

下面結合具體實施方式對本發明的技術方案作進一步詳細地說明。

請參閱圖1-10，一種基于特征的三維個性化人體建模方法，步驟如下：

1)根據生物學原理將人體特征進行局部分塊，本實施例中，優選的，根據人體肌肉分布規則對人體進行局部分塊，分為頭部、頸部、胸部、腹部、臀部、上臂、小臂、大腿、小腿；

2)對各個人體分塊進行特征點提取，并分析特征點的關聯關系，構造出整個人體的特征點集和特征關系集，特征點的數量越多，越符合人體構造，建立出來的人體模型也就越符合實際；

在對頭部進行特征點提取時，以顳肌、枕肌、額肌和帽狀腱膜為標準選取16個特征點，這16個特征點橫向上決定了人的頭骨切面弧線，縱向上增加以顴弓和下唇方肌為基礎的四個特征點，決定人體頭骨的縱向弧線；

在對頸部進行特征點提取時，從頸部左右胸鎖乳突肌到喉嚨選取三個特征點，這三個特征點最能突出前頸部的整體特征，后頸部以頸肌、斜方肌為基準左右對稱分別選取三個特征點，以完成人體頸部整體塑形；

在對胸部進行特征點提取時，可以設定由特征點生成的三塊基本特征曲線，第一條位于鎖骨下方胸肌上方，前方以肩胛舌骨肌到人體胸前中心為基準選取三個特征點，后方根據肩胛骨分布定義另外兩個特征點，這條特征線決定了頸部下方肩寬。第二條位于胸部中心，在大胸肌中心上對稱選取兩個特征點，在兩塊大胸肌中間選取一個特征點，這三個點決定了前胸部的寬度，側面后面在大圓肌上選取兩個點，同一水平線上的脊椎中心也視為一個特征點與其它特征點決定人體胸部厚度。第三條位于胸肌下方腹部(前鋸肌)上方,這些特征點間接影響人體腹部胖瘦，與腹部的特征點決定了人體腰部的肥瘦；

在對腹部進行特征點提取時，以腹直肌、腹外斜肌、腹內斜機、弓狀線和肚臍為參照定義兩排特征點，配合豎脊肌共選取60個特征點，生成10條特征線；

在對臀部進行特征點提取時，以髂嵴將一個人的臀部和后腰部物理分開，也取30個特征點，肚臍下方定義一個特征點、大腿肌膜張肌對稱選取兩個特征點，后背上在豎脊肌末端選取一個特征點，這些點決定了上臀部曲線。再往下，以臀中肌、大腿肌膜張肌選取兩組30個特征點組成人體臀部模型；

在對上臂和小臂進行特征點提取時，根據三角肌、肱二頭肌、股三頭肌、肱橈肌、屈肌將整個胳膊定義出來一共30個重要特征點，這30個核心特征點從人體肌肉分布的角度涵蓋了整個胳膊的各個關鍵部分，保證了胳膊部分的建模的準確性；

在對大腿進行特征點提取時，以股四頭肌、縫匠肌、前直肌股外內側肌這些關鍵點為根據在大腿部分定義60個關鍵特征點；

在對小腿進行特征點提取時，以前脛骨肌、腓腹肌、腓骨肌、比目魚肌、趾長深肌為依據定義60個小腿部分的核心特征點；

3)使用b樣條曲線對各個人體分塊的特征點進行擬合，獲得具有多條特征曲線的三維人體模型；

4)采用插值法對具有多條特征曲線的三維人體模型進行處理，獲得最終的三維人體模型。

b樣條曲線是bezier曲線的改進,對于bezier曲線來說,特征多邊形頂點個數決定了bezier曲線的階次，并且當n較大時，特征多邊形對曲線的控制將會減弱。改變一個控制頂點的位置會影響整個曲線的形狀，這不利于對曲線的局部修改,且bezier曲線在很多情況下不能反映特征多邊形的特點。

b樣條曲線的優勢在于：

1.遞推性。

2.局部性質：定義在非零節點區間∈[t，ti+1]上的k次b樣條曲線，由k+f個控制頂點及相應的b樣條基函數確定，與其它頂點無關。

3.可微性：k次b樣條曲線在其定義域內的非零節點區間內部是無限次可微的，即是c的，或者說具有無窮階連續性；在定義域內重復度為r的節點處則是k—r次可微的，即是一的，或者說是具有k-r階連續性。

4.凸包性質：b樣條曲線的凸包是多個曲線段凸包的并集，其凸包區域小于或等于同一組控制頂點定義的b6zier曲線凸包區域，b樣條曲線恒位于其凸包之內。該性質導致順序k+1個頂點重合時，由這些頂點定義的k次b樣條曲線段退化到這一個重合點；順序k+1個頂點共線時，由這些頂點定義的次b樣條曲線段退化為一直線段。

5.變差減少性質：任一平面與b樣條曲線的交點個數不會超過它與控制多邊形的交點數，但包含整個控制多邊形的平面除外。該性質導致凸性定理成立，即若定義平面b樣條曲線的控制多邊形是凸的(指連接首末頂點構成的封閉多邊形為凸的，相重邊情況除外)，則該平面b樣條曲線也是凸的。

6.磨光性質：除共線頂點外，次數越高，b樣條曲線距離定義它的控制多邊形越遠。同一組控制頂點定義的b樣條曲線，隨次數的升高越來越光滑。

7.幾何不變性與仿射不變性。由于b樣條曲線的這些性質，所以我們選擇使用b樣條曲線作為擬合曲線。b樣條曲線分為均勻b樣條曲線和非均勻b樣條曲線，這里只討論均勻b樣條曲線。給定n+1個控制點pi(i＝0，1，2，...，n)的坐標pi，n次b樣條曲線段的參數表達式為：

式中為n次b樣條基函數，其形式為：

其中：

取n＝3,則3次b樣條基為：

其中g函數與f函數一樣，則p(t)第0個點的值，寫成矩陣形式為：

本發明提供一種高效精確的實現技術，來提高三維個性化人體構建的速度、準確度以及更高的用戶滿意度，優化人體特征點選取效率，提升特征分析精度，構建最接近真人的三維個性化人體模型。本發明快速準確的分析二維圖片人體特征，從中提取出個性化的關鍵性信息，實時高效構建出最符合照片特征的三維人體模型。

上面對本發明的較佳實施方式作了詳細說明，但是本發明并不限于上述實施方式，在本領域的普通技術人員所具備的知識范圍內，還可以在不脫離本發明宗旨的前提下作出各種變化。