一种采用手绘草图的三维人体建模方法技术

本发明专利技术提出了一种采用手绘草图的三维人体建模方法，包括以下步骤：步骤一，草图解析：将人体草图分解为骨架笔画集Ｓｓ、轮廓笔画集Ｓｐ以及线索笔画集Ｓｃ；步骤二，模型特征提取：在预定义的人体网格模型ＭＨ上进行人体骨架结构抽取；步骤三，深度恢复：在二维人体姿态的基础上，根据骨架结构识别对线索笔画集进行线索判定的结果及人体骨架结构计算三维人体姿态；步骤四，三维重建：根据三维形变参数对四肢及躯干网格模型的截面轮廓特征进行形变。本发明专利技术利用手绘草图绘制人体正视图骨架和轮廓，并直接生成三维网格模型，符合动画角色设计师的平面绘制习惯，简化了人体建模流程，大大减少了用户进行人体建模的时间。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种三维人体模型的生成方法，特别是一种采用手绘人体草图生成三 维人体模型的方法。
技术介绍
近年来，三维虚拟人物在工业、军事、生物制药以及教育领域有着广泛的应用，同 时，三维人物建模技术在游戏、电影和多媒体方面起着越来越重要的作用，寻找一种简单有 效地构建三维人体模型的方法，成为计算机图形学领域的重要课题。现有的虚拟人物构建方法主要分为三个类别创建，重构，插值。这些方法大多 是从所构造的人体模型的真实性入手，以实际的人体结构为基础，按照人体的现实层次 骨架，肌肉，脂肪组织，皮肤等等，来创建符合人体生理结构的人体层次物理模型，并通过 模拟身体各层次的物理性质来驱动人体模型的运动，从而达到模拟仿真人体运动的目的。 典型的方法如文献 1 :Wilhelms J, Van Gelder A. Anatomically basedmodeling, In: Proceedings of SIGGRAPH'97, ACM SIGGRAPH ; 1997. p. 173-80提出的一种基于解剖学的生 物建模和模拟方法首先建立一个人体关节和骨架模型，在此基础上根据解剖学知识构建 单独的骨架，肌肉，并生成皮下组织结构，用这些层次表示身体形状；皮下组织体素化为三 维网格，在此基础上使用等势面技术抽取皮肤层；皮肤层被建模为一层弹性网格结构。在运 动模拟过程中，首先确定关节的运动，在此基础上计算骨架，皮下组织和肌肉的新位置，肌 肉在保持体积不变的情况下进行形变；皮肤锚点随皮下组织进行位移，其他部分位置由弹 性网格松弛得到)。上述各类方法能够建立极为逼真的人体模型，但是一般需要大量的专业 技能以及特殊的设备(传统的/视频照相机，三维人体扫描仪，运动捕获系统，等等)，专业 软件，以及熟练的计算机技能。如果不经过专门的训练，普通用户(例如平面艺术家和设计 者)难以参与到创建个性化三维虚拟人物模型的过程中去。由于现有的动画设计流程通常将人物形象设计与三维人物建模过程分离开来， 一方面使设计师的创作意图难以完整而真实地体现在人体模型中，另一方面也使整个人 物设计建模过程变得复杂冗长。通过将手绘草图交互方式引入到人体建模流程中，能够 将上述两个过程结合起来，从而让设计师能够使用纸笔交互方式直接构造三维人体模型。 基于手绘草图的三维模型生成技术的核心问题是“从图画中获取三维形状(ShapeFrom Drawings) ”，即如何从二维平面草图中恢复物体的三维信息。这个问题面临的主要困难在 于与给定二维图画相匹配的三维模型信息具有不唯一性(一对多映射)。由于图像和视 频等数字媒体中对象或场景的三维信息是通过投影以二维形式呈现的，因此，“从二维平面 中获得(三维)深度信息”也是计算机视觉领域的一个基本问题，这一领域解决这个问题的 典型方法是从X生成形状技术(shape from X :X代表视频、阴影、纹理、聚焦和光流等视觉 特征)，一些以图像导引的草绘系统采用此原理来支持用户通过在多个标准正交构造平面 上的草图像轮廓来生成三维线架模型。但是，手绘草图是以粗略形状来创建三维模型，而不 强调形体构成的细节信息，且多视角手绘草图方式不符合用户的日常绘制习惯。已有的采用单幅草图创建三维人体模型过程主要有以下方法膨胀体建模方 2 Igarashi T, Matsuoka S, Tanaka H. Teddy -.a sketching interface for 3Dfreeformdesign. In proceedings of SIGGRAPH‘99，ACM SIGGRAPH ; 1999. p. 409-16 提出了 一种通过绘制轮廓物体轮廓创建膨胀体模型的通用方法，该方法可以用来快速创建人体模 型，但是其膨胀参数为固定值，并不能够表现用户绘制的人体特征；基于模板的方法，文献 3 Chen Mao，Sheng Feng Qin，David Wright,ChenMao,Sheng Feng Qin andDavidWright, Asketch-based approachto human body modelling，Computers&Graphics(2009)，doi 10. 1016/j. cag. 2009. 03. 028提出了一种基于手绘人体轮廓的三维人体模板形变方法，该 方法允许用户绘制人体骨架线及皮肤轮廓构造简单的人体几何模型。但是，该方法所使用 的模板数据来源于尸体扫描图片，一方面需要复杂的图像识别过程来构建模板，限制了模 板的多样性；另一方面，对于人体模板的定义较为简单，因此仅能表现部分人体姿态。同时， 该方法通过指定的人体模板进行形变，不能准确体现用户的绘制意图。概括起来，手绘草图是三维人体模型创建的有效方式，但已有基于单幅草图的三 维人体模型创建方法对于所表现的人体特征有较大限制，如膨胀体建模方法限定了人体 深度参数为固定数值，不能体现人体的胖瘦等生理特征；Chen Mao的基于模板的方法对模 板定义简单，且无法自动选择合适的人体模板进行形变，因此无法表现用户夸张的绘制意 图。显然，这些方式不能支持用户较自由地进行形体设计。实际应用中，用户在利用手绘草 图表达三维人体时，通常按照人体骨架——皮肤/肌肉轮廓——细节线条的顺序，采用渐进 式的绘制方法描述人体，因此在人体草绘建模过程中需要对骨架和皮肤分别进行建模，即 要求所用模板必须为层次化模板；同时，用户绘制人体时往往会通过所绘制的人体结构体 现人体的生理特征，而现有的基于草图的三维创建方法并没有充分利用这些特征，因此，如 何捕捉用户绘制过程中体现的人体生理特征，并将这些特征与模板选择过程有机结合并为 用户提供自由的草图绘制方式是手绘草图交互创建三维人体模型面临的重要课题。
技术实现思路
为了解决上述技术问题，本专利技术公开了一种将徒手自由绘制的人体骨架线及皮肤 轮廓草图直接转换成三维数字模型的。本专利技术公开了，包括以下步骤步骤一，草图解析将人体草图分解为骨架笔画集Ss、轮廓笔画集Sp以及线索笔画 集S。；对骨架笔画集Ss进行骨架结构识别得到二维人体姿态，根据骨架结构识别对轮廓笔 画集进行骨架轮廓对应并提取草图轮廓特征，根据骨架结构识别对线索笔画集进行线索判 定；步骤二，模型特征提取在预定义的人体网格模型％上进行人体骨架结构抽取，定 义标准三维人体模型标定关节点并计算深度，得到标准人体骨架结构Ghs ；进行截面轮廓特 征抽取，对标准三维人体模型进行分割，并在标准人体骨架结构Ghs的基础上分别计算人体 四肢及躯干网格模型的轮廓截面特征； 步骤三，深度恢复在二维人体姿态的基础上，根据骨架结构识别对线索笔画集进 行线索判定的结果及人体骨架结构计算三维人体姿态，根据三维人体姿态进行轮廓特征对 应，计算对应特征之间的差异得到轮廓形变参数，并 在轮廓截面特征的基础上计算对应轮廓特征的比值得到三维形变参数；步骤四，三维重建根据三维形变参数对四肢及躯干网格模型的截面轮廓特征进 行形变，并根据人体骨架结构将各肢体网格模型转换到世界坐标系，最后对各肢体网格模 型进行模型网格混合，得到所述三维人体模型。本专利技术中，优选地，步骤一中，对骨架笔画集Ss中的骨架笔画B」进本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种采用手绘草图的三维人体建模方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，草图解析：将人体草图分解为骨架笔画集Ｓ↓［ｓ］、轮廓笔画集Ｓ↓［ｐ］以及线索笔画集Ｓ↓［ｅ］；对骨架笔画集Ｓ↓［ｓ］进行骨架结构识别得到二维人体姿态，根据骨架结构识别对轮廓笔画集进行骨架－轮廓对应并提取草图轮廓特征，根据骨架结构识别对线索笔画集进行线索判定；步骤二，模型特征提取：在预定义的人体网格模型Ｍ↓［Ｈ］上进行人体骨架结构抽取，定义标准三维人体模型标定关节点并计算深度，得到标准人体骨架结构Ｇ↓［ＨＳ］；进行截面轮廓特征抽取，对标准三维人体模型进行分割，并在标准人体骨架结构Ｇ↓［ＨＳ］的基础上分别计算人体四肢及躯干网格模型的轮廓截面特征；步骤三，深度恢复：在二维人体姿态的基础上，根据骨架结构识别对线索笔画集进行线索判定的结果及人体骨架结构计算三维人体姿态，根据三维人体姿态进行轮廓特征对应，计算对应特征之间的差异得到轮廓形变参数，并在轮廓截面特征的基础上计算对应轮廓特征的比值得到三维形变参数；步骤四，三维重建：根据三维形变参数对四肢及躯干网格模型的截面轮廓特征进行形变，并根据人体骨架结构将各肢体网格模型转换到世界坐标系，最后对各肢体网格模型进行模型网格混合，得到所述三维人体模型。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：孙正兴，张尧烨，刘凯，宋沫飞，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：84[中国|南京]