CN103942833A - 数字人体的精确控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数字人体的精确控制方法，其特征在于，包括：预先建立人体模板模型及测量函数模型；获取用户身材参数；根据所述用户身材参数及所述测量函数模型，建立约束方程组；根据所述约束方程组及所述人体模板模型，建立一个与用户身材参数一致的数字人体。本发明的优势是可以一次性精确控制数字人体各个部位的参数，如身高、胸围、腰围、臀围等，提高了使用的便捷性和数字人体的精确性。

Description

数字人体的精确控制方法

技术领域

本发明涉及一种数字人体模型的精确控制方法，特别是涉及一种基于约束迭代的数字人体模型精确控制方法。 

背景技术

随着计算机数据处理速度和能力的提高，数字人体模型逐渐在医疗、影视、服装以及汽车人体工程等领域得到了应用。在数字人体模型技术中，参数化数字人体建模技术是基于传统的几何建模方法上的一种更为快捷的建模方法，使用者只需要输入人体测量学中的若干个参数，即可得到一个符合特定要求的数字人体模型。目前参数化建立数字人体的常用方法，是建立一组由三维网格描述的人体模型，三维网格的任意一个网格点i的坐标都是模板参数s₁，s₂，...s_n的函数，通过改变模板参数的数值，来调整人体的各个部位的长短或胖瘦。比如用一个参数控制胸部附近的网格点坐标，此参数数值越大，胸部就越肥胖。再用另一个参数控制腰部附近的一片区域，此参数数值越大，腰部就越粗。为了保证人体的连续性，任何一个模板参数所控制的局部变形都应该逐渐地消失，所以出现了这样的情况：改变胸部参数时，腰围和颈围测量值也会有微弱变化，而改变腰部参数时，胸围和臀围又会微弱变化。使用这种技术，想一次性设定身高、胸围、腰围、臀围、领围、大小臂围、大小腿围、臂长、腿长、脖长等指标的具体数值，是非常困难的。因此使用者需要反复调整，有时经过很长时间的调整也无法达到满意的结果，不仅人的工作效率降低工作量大，而且要始终占用计算机资源甚至网络资源（通过网络使用时），降低了计算机和网络资源的利用率。 

发明内容

针对现有技术参数化控制方法无法一次性精确控制数字人体的各个部位的问题。本发明的目的在于提供了一种能一次性精确控制数字人体的各个部位的基于约束迭代的数字人体精确控制方法，实现了对参数化人体进行精确的控制。 

一种数字人体模型的精确控制方法，包括： 

预先建立人体模板模型及测量函数模型； 

获取用户身材参数； 

根据所述用户身材参数及所述测量函数模型，建立约束方程组； 

根据所述约束方程组及所述人体模板模型，建立一个与用户身材参数一致的数字人体。 

优选地，在上述数字人体的精确控制方法中，建立所述人体模板模型，包括： 

建立一组由三维网格描述的人体模型； 

建立所述三维网格的任意一个网格点i的坐标x_i关于模板参数s₁，s₂，...s_n的函数x_i(s₁，s₂，...s_n) 

优选地，在上述数字人体的精确控制方法中，所述建立测量函数模型，具体为： 

建立一组测量函数f₁(s₁，s₂，...s_n)，f₂(s₁，s₂，...s_n)，f_n(s₁，s₂，...s_n)，每个测量函数f_k(s₁，s₂，...s_n)的函数值为所述人体模板模型中的人体模型的某项测量结果，如身高、胸围、腰围、臀围等。 

优选地，在上述数字人体的精确控制方法中，所述根据用户身材参数及测量函数模型，建立约束方程组，具体为： 

设定所述用户身材参数为r₁，r₂，...r_n，约束方程组为： 

$\left\{\begin{array}{c}{f}_1(s_1,s_2,...s_n)=r_1\\ f_2(s_1,s_2,...s_n)=r_2\\ \·\\ \·\\ \·\\ f(s_1,s_2,...s_n)=r_n\end{array}\right.$

优选地，在上述数字人体的精确控制方法中，所述根据所述约束方程组及所述人体模板模型，建立一个与用户身材参数一致的数字人体，具体为： 

求解所述约束方程组得到一组模板参数s₁，s₂，...s_n； 

根据所述求解约束方程组得到的模板参数s₁，s₂，...s_n，以及所述人体模板模型中的函数x_i(s₁，s₂，...s_n)，得到由用户身材参数重新确定的人体模板模型中每个网格点的坐标值x_i； 

所述网格点坐标值x_i计算完成之后，根据新的网格点坐标值x_i代替预先建立的人体模板模型中对应点坐标值，根据新坐标值生成由三维网格描述的人体模型，即为与用户身材参数一致的数字人体。 

优选地，在上述数字人体的精确控制方法中，所述建立一个测量函数f_x(s₁，s₂，...s_n),具体为： 

设置s₁=0，s₂=0，...s_n=0，根据所述人体模板模型，得到s₁=s₂=…s_n=0时的人体模型； 

在所述s₁=s₂=…s_n=0时的人体模型上绘制一组线段作为测量线，如围绕人体胸部绘制胸围测量线； 

对于任一个所述测量线段端点，将其投影至所述s₁=s₂=…s_n=0时的人体模型上， 得到一个投影点，进而得到所述投影点至所述端点的向量u，以及所述投影点将其所在的三角形切分为三个三角形的面积：A₁，A₂，A₃； 

根据所述u，A₁，A₂，A₃，得到所述线段端点的坐标v关于模板参数s₁，s₂，...s_n的函数：v(s₁，s₂，...s_n)=∑_l=_i，3A_ix_i(s₁，s₂，...s_n)/A+u， 

其中A=A₁+A₂+A₃，x₁(s₁，s₂，...s_n)、x₂(s₁，s₂，...s_n)、x₃(s₁，s₂，...s_n)是所述投影点所在三角形的顶点坐标； 

根据所述测量线段端点的坐标v(s₁，s₂，...s_n)，得到所述测量线段的长度L(s₁，s₂，...s_n)； 

通过将所有测量线段的长度L(s₁，s₂，...s_n)相加，得到测量函数f_k(s₁，s₂，...s_n)。 

优选地，在上述数字人体的精确控制方法中，所述网格点i的坐标x_i模板参数s₁，s₂，...s_n的函数x_i(s₁，s₂，...s_n)，具体为： 

$x_i={\stackrel{\‾}{x}}_i+\underset{k=1,n}{\mathrm{\Σ}}{s}_k{d}_{\mathrm{ki}}$

其中为预先设定的参考坐标,即节点i在s₁=s₂=…s_n=0时的坐标，d_ki为预先设定的变形向量，即节点i在s_k增大一个单位时的位移量。 

优选地，在上述数字人体的精确控制方法中，所述求解约束方程组，具体为： 

设定s₁=0，s₂=0，...s_n=0，对于迭代步k=0，1，...进行如下操作： 

(2)求解线性方程组： 

(3)s_i=s_i-； 

迭代至Δs_i≈0时停止迭代。 

本发明与现有技术相比最大的优点在于：通过建立和求解约束方程组获得一个与用户身材参数一致的数字人体，可以一次性精确设定身高、胸围、腰围、臀围、领围、大小臂围、 大小腿围、臂长、腿长、脖长等多方面的指标，提高了使用的便捷性和数字人体的准确性，减少了调整所需要的工作量，也减少了对计算机甚至网络资源的占用时间，提高了这些资源的利用率。 

附图说明

图1为三维网格描述的人体模板模型示意图； 

图2为测量线段端点向人体模型投影示意图； 

图3a和图3b为使用本发明技术精确控制数字人体各个部位参数的效果图。 

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的方法做进一步说明。 

数字人体的精确控制方法过程如下： 

第一步：用计算机建立人体模板模型，具体步骤为： 

首先建立一组由三维网格描述的人体模型，如图1所示； 

建立所述三维网格的任意一个网格点i的坐标x_i关于模板参数s₁，s₂，...s_n的函数x_i(s₁，s₂，...s_n)： 

$x_i={\stackrel{\‾}{x}}_i+\underset{k=1,n}{\mathrm{\Σ}}{s}_k{d}_{\mathrm{ki}}$

其中为预先设定的参考坐标,即节点i在s₁=s₂=…s_n=0时的坐标，d_ki为预先设定的变形向量，即节点i在s_k增大一个单位时的位移量。 

第二步：建立测量函数模型f₁(s₁，s₂，...s_n)、f₂(s₁，s₂，...s_n)、f_n(s₁，s₂，...sn)，每个测量函数f_k(s₁，s₂，...s_n)的函数值为所述人体模板模型中的人体模型的某项测量结果，如身高、胸围、腰围、臀围等。建立一个测量函数f_k(s₁，s₂，...s_n)的具体步骤为： 

设置s₁=s₂=…s_n=0，根据所述人体模板模型，得到s₁=s₂=…s_n=0时的人体模型； 

在所述s₁=s₂=…s_n=0时的人体模型上绘制一组线段作为测量线，如围绕人体胸部绘制胸围测量线，如图3a所示； 

对于任一个所述测量线段端点，将其投影至所述s₁=s₂=…s_n=0时的人体模型上，得到一个投影点，进而得到所述投影点至所述端点的向量u，以及所述投影点将其所在的三角形切分为三个三角形的面积：A₁，A₂，A₃；如图2所示。 

根据所述u，A₁，A₂，A₃，得到所述线段端点的坐标v关于模板参数s₁，s₂，...s_n的函数：v(s₁，s₂，...s_n)=∑_l=i，3A_ix_i(s₁，s₂，...s_n)/A+u， 

其中A=A₁+A₂+A₃，x₁(s₁，s₂，...sn)、x₂(s₁，s₂，...s_n)、x₃(s₁，s₂，...s_n)是所述投影点所在三角形的顶点坐标； 

根据所述测量线段端点的坐标v(s₁，s₂，...s_n)，得到所述测量线段的长度L(s₁，s₂，...s_n)； 

通过将所有测量线段的长度L(s₁，s₂，...s_n)相加，得到测量函数f_x(s₁，s₂，...s_n)。 

第三步：获取用户身材参数，如身高、胸围、腰围、臀围等，用r₁，r₂，...r_n表示。 

第四步：建立约束方程组： 

$\left\{\begin{array}{c}{f}_1(s_1,s_2,...s_n)=r_1\\ f_2(s_1,s_2,...s_n)=r_2\\ \·\\ \·\\ \·\\ f(s_1,s_2,...s_n)=r_n\end{array}\right.$

第五步：求解所述约束方程组得到一组模板参数s₁，s₂，...s_n，具体步骤为： 

设定s₁=s₂=…s_n=0，对于迭代步k=0，1，...进行如下操作： 

(1)求解线性方程组： 

(2)s_i=s_i+Δs_i； 

迭代至Δs_i≈0时停止迭代。 

第六步：建立一个与用户身材参数一致的数字人体，具体步骤为： 

根据所述求解约束方程组得到的模板参数s₁，s₂，...s_n，以及所述人体模板模型中的函数x_i(s₁，s₂，...s_n)，得到由用户身材参数重新确定的人体模板模型中每个网格点的坐标值x_i； 

所述网格点坐标值x_i计算完成之后，根据新的网格点坐标值x_i代替预先建立的人体模板模型中对应点坐标值，根据新坐标值生成由三维网格描述的人体模型，即为与用户身材参数一致的数字人体。 

以两个具体实例为例，分别以一个身材较瘦和一个较胖的女性用户为例，具体身材参数如下表。 

	用户1（较瘦）	用户2（较胖）
			颈围r1(cm)	28.8	32.1
肩宽r2(cm)	31.9	31.9
			上臂围r3（cm）	28.6	33.3
小臂围r4（cm）	22.8	26.4
			臂长r5（cm）	45.9	46.1
胸围r6（cm）	83.3	97.1
			腰围r7（cm）	63.7	81.0
臀围r8（cm）	89.0	102.0
			大腿围r9（cm）	49.9	58.0
小腿围r10（cm）	31.7	37.2
			腿长r11（cm）	71.5	71.3

两个用户分别输入自己的身材参数，采用本发明的方法得到两个数字人体模型，其结果分别如图3a和图3b所示。可以看出,用户只需输入一次，即可得到与自己身材参数完全一致的数字人体。 

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。 

Claims (8)

1.一种数字人体的精确控制方法，包括如下步骤： 

（1）预先用计算机建立人体模板模型及测量函数模型； 

（2）获取用户身材参数； 

（3）根据所述用户身材参数及所述测量函数模型，建立约束方程组； 

（4）根据所述约束方程组及所述人体模板模型，建立一个与用户身材参数一致的数字人体。 

2.根据权利要求1所述数字人体的精确控制方法，其特征在于，所述步骤（1）中建立人体模板模型的方法包括： 

建立一组由三维网格描述的人体模型； 

建立所述三维网格的任意一个网格点i的坐标x_i关于模板参数s₁，s₂，...s_n的函数x_i(s₁，s₂，...s_n)。 

3.根据权利要求1所述数字人体的精确控制方法，其特征在于，所述建立测量函数模型具体方法为： 

建立一组测量函数f₁(s₁，s₂，...s_n)，f₂(s₁，s₂，...s_n)，f_n(s₁，s₂，...s_n)，每个测量函数f_k(s₁，s₂，...s_n)的函数值为所述人体模板模型中的人体模型的某项测量结果。 

4.根据权利要求1所述数字人体的精确控制方法，其特征在于,所述根据用户身材参数及测量函数模型，建立约束方程组的方法为： 

设定所述用户身材参数为r₁，r₂，...r_n，约束方程组为： 

5.根据权利要求1所述数字人体的精确控制方法，其特征在于,所述根据所述约束方程组及所述人体模板模型，建立一个与用户身材参数一致的数字人体的方法为： 

求解所述约束方程组得到一组模板参数s₁，s₂，...s_n； 

根据所述求解约束方程组得到的模板参数s₁，s₂，...s_n，以及所述人体模板模型中的函数x_i(s₁，s₂，...s_n)，得到由用户身材参数重新确定的人体模板模型中每个网格点的坐标值x_i； 

所述网格点坐标值x_i计算完成之后，根据新的网格点坐标值x_i代替预先建立的人体模板模型中对应点坐标值，根据新坐标值生成由三维网格描述的人体模型，即为与用户身材参数 一致的数字人体。 

6.根据权利要求3所述数字人体的精确控制方法，其特征在于,所述建立一个测量函数fk(s₁，s₂，...s_n)，具体为： 

设置s₁=s₂=…s_n=0，根据所述人体模板模型，得到s₁=s₂=…s_n=0时的人体模型； 

在所述s₁=s₂=…s_n=0时的人体模型上绘制一组线段作为测量线，如围绕人体胸部绘制胸围测量线； 

对于任一个所述测量线段端点，将其投影至所述s₁=s₂=…s_n=0时的人体模型上，得到一个投影点，进而得到所述投影点至所述端点的向量u，以及所述投影点将其所在的三角形切分为三个三角形的面积：A₁，A₂，A₃； 

根据所述u，A₁，A₂，A₃，得到所述线段端点的坐标v关于模板参数s₁，s₂，...s_n)的函数：v(s₁，s₂，...s_n)=∑_l=_i，3A_ix_i(s₁，s₂，...s_n)/A+u， 

其中A=A₁+A₂+A₃，x₁(s₁，s₂，...s_n)、x₂(s₁，s₂，...s_n)、x₃(s₁，s₂，...s_n)是所述投影点所在三角形的顶点坐标； 

根据所述测量线段端点的坐标v(s₁，s₂，...s_n)，得到所述测量线段的长度L(s₁，s₂，...s_n)； 

通过将所有测量线段的长度L(s₁，s₂，...s_n)相加，得到测量函数f_k(s₁，s₂，...s_n)。 

7.根据权利要求2所述数字人体的精确控制方法，其特征在于,所述网格点i的坐标x_i模板参数s₁，s₂，...s_n的函数x_i(s₁，s₂，...s_n)，具体为： 

其中为预先设定的参考坐标,即节点i在s₁=s₂=…s_n=0时的坐标，d_ki为预先设定的变形向量，即节点i在s_k增大一个单位时的位移量。 

8.根据权利要求5所述数字人体的精确控制方法，其特征在于，所述求解约束方程组，具体为： 

设定s₁=0，s₂=0，...s_n=0，对于迭代步k=0，1，...进行如下操作： 

(1)求解线性方程组： 

（2）s_i=s_i+Δs_i； 

迭代至Δs_i≈0时停止迭代。