一種面向對象定制的三維人體模型創建方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及電子信息學科學技術領域，特別涉及一種面向對象定制的三維人體模型創建方法。
【背景技術】
[0002]三維人體模型在計算機動畫、游戲以及人體運動跟蹤、動作捕捉等領域均有應用。
[0003]在計算機視覺領域，基于模型的三維人體運動跟蹤是當前研宄的一個熱點。一般的，基于模型的三維人體運動跟蹤有兩種基本架構是:第一種是“自上向下”的架構，創建一個三維人體模型，在第一幀進行人體模型的初始化工作，包括初始化人體模型姿態和尺寸，使得人體模型與人體對象相匹配；在跟蹤過程中，利用前面幀的跟蹤結果以及運動的連貫性，獲得人體在當前幀的一個或多個預測，建立基于預測的人體模型或其投影數據與反應人體運動的二維或三維特征數據的殘差方程，對殘差方程進行優化計算得到新的姿態估計值。第二種是“自底向上”的架構，即首先由人體圖像數據獲取圖像特征，從圖像特征中去建立三維人體姿態的分布模型。這種架構依賴于對人體部位的檢測算法或學習到的由姿態到圖像特征空間映射的魯棒性。
[0004]在上述兩種人體運動跟蹤架構中，一般都需要針對人體對象創建三維人體模型。三維人體模型的契合性關系到人體跟蹤的穩定性和精度。一般常用的人體模型有三種:第一種是基于簡單幾何模型的人體模型，在此類模型中，簡單幾何模型作為基元，對人體各個部位都由基元來簡化建模；第二種是由現有的商業3D軟件獲取的人體模型，這種人體模型用的最多。在使用時候，一般需要調整各個尺寸參數，達到與人體對象契合的目的。然而這種調整一般耗時費力；第三種是由三維掃描設備獲取的人體模型，即對人體對象進行三維掃描，獲得其人體三維點云或表皮模型；由于掃描設備昂貴，以及耗時費力，這種方法并不常用。
【發明內容】
[0005]本發明的目的是針對上述已有技術的不足，提出一種面向對象定制的三維人體模型創建方法，該方法針對人體三維重建數據可獲得情況下，直接由重建數據創建人體模型，獲得的人體模型與人體對象契合度高，能夠解決現有三維人體模型缺乏對特定人體對象的匹配度和適應性問題，方法效率高、可行性好。
[0006]本發明的技術方案是:
[0007]一種面向對象定制的三維人體模型創建方法，包括以下步驟:
[0008]S1:重建人體對象的三維形體點云；
[0009]S2:將基于簡單幾何模型的三維人體模型匹配到三維形體點云上；
[0010]S3:根據三維人體模型和三維形體點云匹配的結果，檢測出人體部位和關節位置，并劃分人體各部位包含的三維點和所對應關節；
[0011]S4:根據檢測到的人體部位和關節位置，生成人體骨架模型，用于驅動三維人體模型；人體骨架模型主要由關節和骨骼模型組成，關節模型采用固定半徑的三維球體模型，骨骼模型采用圓柱體模型，其半徑固定，長度為可變參數，由連接的兩個關節位置確定。
[0012]S5:采用交互式關節位置調整工具，對關節位置進行三維交互式調整和修正。
[0013]優選地，在步驟SI中，采用多個同步攝像機獲取人體對象同一時刻不同角度的圖像，由三維重建的方法從這些圖像中重建出人體的三維形體點云。
[0014]優選地，在步驟SI中，采用三維掃描設備，對人體對象全身進行三維掃描，獲得三維形體數據，從而重建人體對象的三維形體點云。
[0015]優選地，步驟S2的詳細過程如下:采用基于人體模型的三維人體位姿估計方法，使得人體模型與三維形體點云各對應特征點之間的距離最小，從而使人體模型的各部分與三維形體點云相匹配。其中:基于人體模型的三維人體位姿估計方法，具體包括以下步驟:
[0016]S21:從人體對象的圖像中提取出關于人體對象的特征數據，特征數據包括輪廓、形體外貌、人臉、手各部位的檢測結果；
[0017]S22、采用一種人體模型并調整人體模型使得與人體對象尺寸相接近，并給定一個接近人體對象的初始姿態；
[0018]S23、建立由人體模型與人體圖像特征數據相對比目標函數E (Y，X(p))，其中Y表示圖像特征或觀測量，X表示人體姿態的預測值；
[0019]S24:采用隨機優化方法如粒子群優化算法，使得通過優化求解使得目標函數值最小，即求解minp E(Y，X(p))，從而估計出人體對象的姿態或尺寸參數。
[0020]優選地，步驟S3包括以下步驟:
[0021]S31:根據三維人體模型和三維形體點云匹配的結果，找到人體點云的肢體尖端特征位置，進而根據人體模型的尺寸估計和定位人體各部位關節的初始位置；
[0022]S32:根據三維人體模型和三維形體點云匹配的結果、以及特征位置和關節初始位置，對所有重建的三維點尋找其對應的人體模型點，并根據對應的人體模型部位進行標記，尋找對應采用距離最短的原則；
[0023]S33:在步驟S32中，由于簡單幾何人體模型的初始位姿估計值過于粗糙，可能會有一些重建的三維點誤標記到錯誤的人體部位，如本屬于上臂的三維點由于上臂與上身軀干緊貼等原因被誤標記為上身軀干的一部分。為了避免這種誤標記帶來的誤差，采用以下方法:
[0024]i)把標記的結果作為約束，對簡單幾何人體模型的位姿重新進行估計。其中標記結果的約束是指在建立目標函數時對簡單幾何人體模型的抽樣點尋找其點對應時，只能限制在標記為同部位的重建三維點集合中尋找；
[0025]ii)由新的位姿估計結果，重新進行上述步驟S31即特征位置檢測，再由步驟S32對重建的三維點尋找對應的人體模型點，并進行標記；
[0026]iii)上述步驟循環往復，直到標記結果穩定，獲得最終的形體各部位的三維點標記。
[0027]S34:找到各個相連兩部位的鄰接點集合，根據人體尺寸先驗，計算得到鄰接點集合中心位置，以此作為連接對應兩部位的關節位置。
[0028]優選地，所述人體骨架主要由關節和骨骼模型組成。
[0029]與現有技術相比，本發明所具有的有益效果為:
[0030]本發明針對人體三維重建數據可獲得的情況下，直接由重建數據創建人體模型，獲得的人體模型與人體對象契合度高，能夠解決現有三維人體模型缺乏對特定人體對象的匹配度和適應性問題，方法效率高、可行性好。
【附圖說明】
[0031 ] 圖1為本發明的方法流程圖；
[0032]圖2為三維形體各部位和關節位置方法流程圖；
[0033]圖3為骨骼模型示例圖。
【具體實施方式】
[0034]以下結合附圖對本發明的具體實施例進行詳細描述，但不構成對本發明的限制。
[0035]如圖1至圖3所示，本實施例示出了一種面向對象定制的三維人體模型創建方法具體實施例，具體步驟如下:
[0036]S1:獲取人體對象三維形體數據。可以采用以下兩種方式獲得；
[0037]方法一:采用多個同步攝像機獲取人體對象同一時刻不同角度的圖像，由三維重建的方法從這些圖像中重建出人體的三維形體點云。在這種方案下，要求多個攝像機固定安裝在合適的方位，使得各攝像機都能夠對人體對象完整成像，并且要求拍攝場景的背景簡單，使得能夠從各攝像機拍攝圖像中比較精確的分割出人體對象輪廓；采用基于輪廓重建形體的三維重建方法，從多攝像機的人體輪廓圖像中重建出人體對象的三維形體點云。
[0038]方法二:采用三維掃描設備，對人體對象全身進行三維掃描，獲得三維形體點云數據，重建出人體對象的三維形體點云；
[0039]S2:人體模型與三維形體點云配準:將基于簡單幾何模型的三維人體模型匹配到三維形體點云上；可采用基于人體模型的三維人體位姿估計方法，使得人體模型與三維形體點云各對應特征點之間的距離最小，從而使人體模型的各部分與三維形體點云相匹配。具體的，基于模型的三維人體位姿估計方法包括以下步驟:
[0040]S21:從人體對象的圖像中提取出關于人體對象的特征數據，特征數據可包括比如輪廓、形體外貌(顏色)、人臉、手等部位的檢測結果；
[0041]S22、采用一種人體模型并調整人體模型使得與人體對象尺寸相接近，并給定一個接近人體對象的初始姿態；
[0042]S23、建立由人體模型與人體圖像特征數據相對比目標函數E (Y，X(p))，其中Y表示圖像特征或觀測量，X表示人體姿態的預測值；
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