CN101866494B - 一种利用网格顶点对角色模型进行分割的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用网格顶点对角色模型进行分割的方法，该方法选取原始模型中相邻的四个关节点，通过根据角色模型的骨骼信息对角色模型的网格顶点按照与关节点和骨骼的位置关系进行分类，将角色模型分割成若干个局部模型，从而可以对构成角色模型的每一个局部模型分别进行变形，以提高变形速度和变形质量，并通过从动作数据中获取局部模型对应的运动单元中的弯曲和扭转角度，实现自动变形。

Description

一种利用网格顶点对角色模型进行分割的方法

技术领域

本发明涉及一种对角色模型进行分割的方法，属于计算机图形学、虚拟现实技术领域。

背景技术

在三维模型的变形中，通常有以下几种变形技术：Morphing方法、FFD变形方法、基于骨骼的变形方法。Morphing方法通过插值方法实现变形，FFD变形方法通过控制包围三维模型表面的控制体实现变形，基于骨骼的变形技术通过设置模型表面网格顶点对应于骨骼的影响权值实现变形。

对于角色模型，通常有两部分信息包含在其中，表示模型几何特征的表面网格信息以及表示模型拓扑特征的模型骨骼信息。角色模型的变形通常具有以下特点：变形发生在关节点附近的区域，属于局部变形；变形由一段骨骼围绕一个关节点旋转引起，因此变形后的模型与骨骼的运动情况一致；模型对应的关节点自由度多，运动复杂，导致模型的变形控制比较复杂。

对于角色模型的变形，由于各个变形区域互相之间基本不受影响，因此，本专利提出一种按照骨骼结构将角色模型分割成若干个局部模型的方法，每个局部模型可以按照运动单元中弯曲和扭转角度分别进行变形。运动单元中包括三个关节点A、O、B，其中关节点A和O连接成骨骼OA，关节点B和O连接成骨骼OB，这样的结构称为运动单元。分割的目的是，通过将角色模型分割成若干个局部模型，并对每个局部模型分别应用较优的变形设置参数进行变形，可以获得更佳的变形效果，并且由于通过局部变形简化了变形计算，因此可以提高角色模型的变形速度。此外，还可以通过从骨骼运动数据中获取运动单元中弯曲和扭转角度实现角色模型的自动变形。

发明内容

本发明的目的是克服已有技术的缺陷，为了提高角色模型变形速度和变形效果，并将变形与角色模型的骨骼运动相结合的问题，提出一种利用网格顶点对角色模型进行分割的方法。

本发明是通过下述技术方案实现的：

首先选取原始模型中相邻的四个关节点A、O、B、C，其中关节点A和O连接成骨骼OA，关节点B和O连接成骨骼OB，关节点B和C连接成骨骼BC。

建立局部模型由以下步骤实现：

(1)在原始模型表面网格上关节点O附近选择两个顶点P₁、P₂，作为优选，应当使平面OP₁P₂与骨骼OA和骨骼OB各自的夹角大致相等，从而可以得到能够满足变形需要的分割结果。

(2)根据如下方法获得平面OP₁P₂的方程系数，

①计算三维向量

其中×表示向量的叉乘；

②n＝n′/|n′|，变量s＝-n·μ_o；其中μ_o表示关节点O在世界坐标系中的坐标的向量表示；·表示向量的点乘；

③V＝[n，s]；V存储了平面OP₁P₂的方程的四个系数，

平面方程的系数是指Ax+By+Cz+D＝0中的A、B、C和D。

(3)在原始模型表面网格上关节点B附近选择两个顶点P₁′、P₂′，作为优选，应当使平面BP₁′P₂′与骨骼BO和骨骼BC各自的夹角大致相等，从而可以得到能够满足变形需要的分割结果。

(4)根据如下方法获得平面BP₁′P₂′的方程系数，

①计算三维向量

其中×表示向量的叉乘；

②m＝n″/|n″|，变量s′＝-m·μ_B；其中μ_B表示关节点B在世界坐标系中的坐标的向量表示；·表示向量的点乘；

③V′＝[m，s′]；V′存储了平面BP₁′P₂′的方程的四个系数；

(5)对原始模型的每一个三角形网格，判断其网格顶点与平面OP₁P₂的关系，若网格的所有顶点都与关节点A在平面OP₁P₂的同一侧，则判定该三角形网格属于骨骼OA，否则该三角形网格不属于骨骼OA；若原始模型中不是全部由三角形网格构成的，则需要在判断前将非三角形网格看作多个三角形组成。

判断顶点与关节点A在平面OP₁P₂的同一侧方法为：

对网格中的一个顶点，在世界坐标系中的坐标的向量表示为P，关节点A在世界坐标系中的坐标的向量表示为μ_A，

计算f_P＝n·P+s，f_A＝n·μ_A+s，若f_P与f_A同号，则判定顶点P与顶点A在平面OP₁P₂的同一侧，否则判定顶点P与顶点A不在平面OP₁P₂的同一侧。

(6)对原始模型上不属于骨骼OA的每一个三角形网格，判断其网格顶点与平面BP₁′P₂′的关系，若该网格的所有顶点都与关节点O在平面BP₁′P₂′的同一侧，则判定该三角形网格属于骨骼OB，否则该三角形网格属于骨骼BC。判断该网格的顶点与关节点O在平面BP₁′P₂′的同一侧的方法的原理与步骤(5)相同；

(7)对原始模型中属于骨骼OB的每一个三角形网格，使用公式3获得每一个顶点与关节点O分别构成的向量在骨骼OB上的投影值l(投影值为正时表示该投影位于骨骼OB上，反之位于骨骼OB的反向延长线上)，若该三角形网格的每一个顶点所对应的投影值l都大于骨骼OB长度的一半，则判定该三角形网格在骨骼OB的后半区域，否则判定该三角形网格位于骨骼OB的前半区域。

其中，获得顶点与关节点O构成的向量在骨骼OB上的投影值l的方法如下：

对网格中的一个顶点，在世界坐标系中的坐标的向量表示为P，

在骨骼OB上的投影值

(8)根据上述判定结果将原始模型分割为两个局部模型：属于骨骼OA的三角形网格以及属于骨骼OB且在骨骼OB的前半区域上的三角形网格构成局部模型M₁，属于骨骼BC的三角形网格以及属于骨骼OB且在骨骼OB的后半区域上的三角形网格构成局部模型M₂，然后获得两个局部模型中每个网格顶点的局部坐标，方法分别如下：

A.获得局部模型M₁中每个网格顶点的局部坐标的方法如下：

①计算局部模型M₁对应的局部坐标系到世界坐标系的变换矩阵F₁：

F₁为4×4矩阵，

其中上标T表示矩阵转置操作，

并且，向量

向量γ₁＝γ₁′/|γ₁′|，

向量α₁＝β₁×γ₁；

②局部模型M₁中网格顶点P的局部坐标为

，其中μ_P表示顶点P在世界坐标系中的坐标的向量表示，上标-T表示先对矩阵进行转置操作再对结果求逆矩阵；

B.获得局部模型M₂中每个网格顶点的局部坐标的方法如下：

①计算局部模型M₂对应的局部坐标系到世界坐标系的变换矩阵F₂：

F₂为4×4矩阵，

其中上标T表示矩阵转置操作，

并且，向量

向量γ₂＝γ₂′/|γ₂′|，

向量α₂＝β₂×γ₂；

②局部模型M₂中网格顶点P的局部坐标为

，其中μ_P表示顶点P在世界坐标系中的坐标的向量表示，上标-T表示先对矩阵进行转置操作再对结果求逆矩阵。

对比已有技术，本发明方法的有益效果在于，通过根据角色模型的骨骼信息对角色模型的网格顶点进行分类，将角色模型分割成若干个局部模型，从而可以对构成角色模型的每一个局部模型分别进行变形，以提高变形速度和变形质量，并通过从动作数据中获取局部模型对应的运动单元中的弯曲和扭转角度，实现自动变形。

附图说明

图1为原始三维模型及相应关节点和骨骼的示意图；

图2为分割原始模型后，建立局部模型的示意图；

图3为人体腿部的三维模型及其对应的关节点和骨骼在屏幕上的投影显示；

图4为将人体腿部的三维模型分割为局部模型M₁和M₂后的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明技术方案做进一步解释，本发明实质是一种是将原始模型分割为两个局部模型的方法，根据本技术方案可将角色模型分割成若干个局部模型，便于后续针对性的处理。

选取原始模型中相邻的四个关节点A、O、B、C，其中关节点A和O连接成骨骼OA，关节点B和O连接成骨骼OB，关节点B和C连接成骨骼BC，如图1所示。本发明内容部分记载的技术方案将原始模型划分成局部模型M₁和局部模型M₂，如附图2所示。

接下来以对人体的大腿、小腿和脚组成的三维模型进行变形为例，说明本发明的具体实施方式，该原始三维模型及其对应的关节点和骨骼在屏幕上的投影显示如图3所示。

根据本技术方案，通过用户交互对原始模型进行分割，建立局部模型的方法如下：

在关节点O附近选择两个顶点P₁、P₂，其中关节点O坐标为(-0.099197，0.543307，-0.151083)，点P₁坐标为(-0.0875814，0.515792，-0.0973924)，点P₂坐标为(-0.122981，0.528414，-0.112797)。计算得到平面OP₁P₂的方程V＝(-0.131726，-0.893468，-0.429376，0.407489)。

在关节点B附近选择两个顶点P₁′、P₂′，其中关节点B坐标为(-0.053979，0.029863，-0.339496)，点P₁′坐标为(-0.0623082，0.0758197，-0.249175)，点P₂′坐标为(-0.0871224，0.0691930，-0.263863)，计算获得平面BP₁′P₂′的方程V′＝(-0.0288590，-0.891964，0.451185，0.178254)。

关节点A坐标为(-0.103617，0.816265，-0.070128)，对三维模型的每一个网格，判断该网格所有的网格顶点是否与关节点A在平面OP₁P₂的同一侧，若是，则该网格属于骨骼OA，否则该网格不属于骨骼OA。

对于三维模型中不属于骨骼OA的每一个网格，判断该网格所有的网格顶点是否与关节点O在平面BP₁′P₂′的同一侧，若是，则该网格属于骨骼OB，否则该网格属于骨骼BC。

对于三维模型中属于骨骼OB的每一个三角形网格，判断该网格所有网格顶点与关节点O构成的向量在骨骼OB上的投影值是否大于骨骼OB长度的一半，若是，则该网格在骨骼OB的后半区域，否则该网格在骨骼OB的前半区域。

属于骨骼OA的网格以及属于骨骼OB且在骨骼OB的前半区域上的网格构成局部模型M₁，属于骨骼BC的网格以及属于骨骼OB且在骨骼OB的后半区域上的网格构成局部模型M₂。

计算局部模型M₁和M₂的局部坐标系到直接坐标系的变换矩阵以及局部模型M₁和M₂中每一个网格顶点的局部坐标。

原始三维模型由局部模型M₁和M₂构成，如图4所示。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种利用网格顶点对角色模型进行分割的方法，其特征在于，包括以下步骤：

首先选取原始模型中相邻的四个关节点A、O、B、C，其中关节点A和O连接成骨骼OA，关节点B和O连接成骨骼OB，关节点B和C连接成骨骼BC，然后：

(1)在原始模型表面网格上关节点O附近选择两个顶点P₁、P₂；

(2)根据如下方法获得平面OP₁P₂的方程系数，

①计算三维向量

其中×表示向量的叉乘；

②n＝n′/|n′|，变量s＝-n·μ_o；其中μ_o表示关节点O在世界坐标系中的坐标的向量表示；·表示向量的点乘；

③V＝[n，s]；V存储了平面OP₁P₂的方程的四个系数，

(3)在原始模型表面网格上关节点B附近选择两个顶点P₁′、P₂′；

(4)根据如下方法获得平面BP₁′P₂′的方程系数，

①计算三维向量

其中×表示向量的叉乘；

②m＝n″/|n″|，变量s′＝-m·μ_B；其中μ_B表示关节点B在世界坐标系中的坐标的向量表示；·表示向量的点乘；

③V′＝[m，s′]，V′存储了平面BP₁′P₂′的方程的四个系数；

(5)对原始模型的每一个三角形网格，判断其网格顶点与平面OP₁P₂的关系，若网格的所有顶点都与关节点A在平面OP₁P₂的同一侧，则判定该三角形网格属于骨骼OA，否则该三角形网格不属于骨骼OA；若原始模型中不是全部由三角形网格构成的，则需要在判断前将非三角形网格看作多个三角形组成；

其中，所述判断顶点与关节点A在平面OP₁P₂的同一侧的方法为：

对网格中的一个顶点，在世界坐标系中的坐标的向量表示为P，关节点A在世界坐标系中的坐标的向量表示为μ_A，计算f_P＝n·P+s，f_A＝n·μ_A+s，若f_P与f_A同号，则判定顶点P与顶点A在平面OP₁P₂的同一侧，否则判定顶点P与顶点A不在平面OP₁P₂的同一侧；

(6)对原始模型上不属于骨骼OA的每一个三角形网格，判断其网格顶点与平面BP₁′P₂′的关系，若该网格的所有顶点都与关节点O在平面BP₁′P₂′的同一侧，则判定该三角形网格属于骨骼OB，否则该三角形网格属于骨骼BC；

(7)对原始模型中属于骨骼OB的每一个三角形网格，获得每一个顶点与关节点O分别构成的向量在骨骼OB上的投影值l；

若该三角形网格的每一个顶点所对应的投影值l都大于骨骼OB长度的一半，则判定该三角形网格在骨骼OB的后半区域，否则判定该三角形网格位于骨骼OB的前半区域；

(8)根据上述判定结果将原始模型分割为两个局部模型：属于骨骼OA的三角形网格以及属于骨骼OB且在骨骼OB的前半区域上的三角形网格构成局部模型M₁，属于骨骼BC的三角形网格以及属于骨骼OB且在骨骼OB的后半区域上的三角形网格构成局部模型M₂；然后获得两个局部模型中每个网格顶点的局部坐标，方法分别如下：

A.获得局部模型M₁中每个网格顶点的局部坐标的方法如下：

①计算局部模型M₁对应的局部坐标系到世界坐标系的变换矩阵F₁：

F₁为4×4矩阵， $F_1=\left[\begin{array}{cccc}{{\mathrm{\α}}_1}^T& {{\mathrm{\β}}_1}^T& {{\mathrm{\γ}}_1}^T& {{\mathrm{\μ}}_o}^T\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right],$

其中上标T表示矩阵转置操作，

并且，向量

向量γ₁＝γ₁′/|γ₁′|，

向量α₁＝β₁×γ₁；

②局部模型M₁中网格顶点P的局部坐标为

其中μ_P表示顶点P在世界坐标系中的坐标的向量表示，上标-T表示先对矩阵进行转置操作再对结果求逆矩阵；

B.获得局部模型M₂中每个网格顶点的局部坐标的方法如下：

①计算局部模型M₂对应的局部坐标系到世界坐标系的变换矩阵F₂：

F₂为4×4矩阵， $F_2=\left[\begin{array}{cccc}{{\mathrm{\α}}_2}^T& {{\mathrm{\β}}_2}^T& {{\mathrm{\γ}}_2}^T& {{\mathrm{\μ}}_B}^T\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right],$

其中上标T表示矩阵转置操作，

并且，向量

向量γ₂＝γ₂′/|γ₂′|，

向量α₂＝β₂×γ₂；

②局部模型M₂中网格顶点P的局部坐标为

其中μ_P表示顶点P在世界坐标系中的坐标的向量表示，上标-T表示先对矩阵进行转置操作再对结果求逆矩阵。

2.根据权利要求1所述一种利用网格顶点对角色模型进行分割的方法，其特征在于，步骤(1)中选择两个顶点P₁、P₂时，作为优选，应当使平面OP₁P₂与骨骼OA和骨骼OB各自的夹角大致相等。

3.根据权利要求2所述一种利用网格顶点对角色模型进行分割的方法，其特征在于，步骤(3)中选择两个顶点P₁′、P₂′时，作为优选，应当使平面BP₁′P₂′与骨骼BO和骨骼BC各自的夹角大致相等。

4.根据权利要求1所述一种利用网格顶点对角色模型进行分割的方法，其特征在于，步骤(7)中，获得顶点与关节点O构成的向量在骨骼OB上的投影值l的方法如下：

对网格中的一个顶点，在世界坐标系中的坐标的向量表示为P，

在骨骼OB上的投影值

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