CN104346826B - 一种个性化的身体模型定制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种个性化的身体模型定制方法，包括以下步骤：计算三围曲线上顶点的位置：根据实际测量的三围数据，将三围曲线上的顶点变形到合适的位置，使得新的三围曲线的长度与测量的数值保持一致；基于径向基函数RBF来定制人体模型：将变形后的三围曲线上的顶点视作控制点，指导身体模型上余下顶点的变形。本发明的技术方案计算原理简单，能够快速地建模身体模型，并且能够建模各种不同姿势的身体模型，同时满足光滑性的要求。

Description

一种个性化的身体模型定制方法

技术领域

本发明属于计算机图形学领域，特别是涉及一种个性化的身体模型定制方法。

背景技术

个性化的身体模型定制指的是：根据实际测量的人体参数，如身高、三围等，对身体模板模型进行变形，使得变形后的人体模型在如身高、三围上满足实际的测量值，同时保证整个身体模型的光滑性。人体模型定制技术有着广泛的应用，包括车辆碰撞模拟，游戏中角色建模，虚拟试衣等。

现有的人体定制技术主要分为三类，其代表性工作有：

1)基于顶点插值的方法(参见参考文献［1］，［2］)：这一类方法主要是应用先验知识，把身体模型预先分割，然后在分格块与分割块之间用光滑的过渡函数进行插值。这类方法的优点是计算快，原理简单，缺点是难于保证定制后的人体模型的光滑性。

2)基于数据库的方法(参见参考文献［3］，［4］，［5］)：这类方法首先是建立一个较大的真是人体数据库，包括不同的性别，各种不同参数的身体模型，然后对于要建模的身体测量数据，应用数据分析技术(如PCA等)，找到其与数据库中已有人体模型的关系，然后根据此关系定制身体模型。这一类方法能够较逼真的建模人体，但是计算比较复杂，而且人物的姿势必须固定，数据库的建立也比较繁琐。

3)基于模板的变形方法(参见参考文献［6］)：这类方法首先是计算三围曲线上的顶点的位移，使其满足实际测量参数，然后将这些顶点视作控制点，用自由变形技术(FFD，free form deformation)对其余顶点变形。这类方法计算方法简单，灵活性大，建模后的人体模型比较光滑，但是计算的复杂度较大。

已有的基于人体测量参数的身体模型定制方法，对于前两类而言，最大的缺点是不能够对各种不同的姿势进行处理，特别地，第二类方法在姿势发生变化时，需要重新建立数据库，灵活性不够；第三类方法的缺点在于计算上的复杂度较高。

发明内容

针对已有方法的不足，本发明提出一种满足实际测量的身体模型定制方法，它的计算原理简单，能够快速地建模身体模型，并且能够建模各种不同姿势的身体模型，同时满足光滑性的要求。

基于径向基函数，本发明提出了一种个性化的身体模型定制方法，适用于满足实际测量的身体模型定制。其技术方案主要包括：

(1)计算三围曲线上顶点的位置：根据实际测量的三围数据，将三围曲线上的顶点变形到合适的位置，使得新的三围曲线的长度与测量的数值保持一致；

(2)基于径向基函数RBF来定制人体模型：将步骤(1)中变形后的三围曲线上的顶点视作控制点，指导身体模型上余下顶点的变形。

基于实际的人体测量参数(如身高，三围等)，本发明的最终目的是将一个人体模板网格曲面变形为与实际测量相符的人体几何模型，达到个性化定制的目的。本发明的方法属于人体定制技术的第三类，为了既保持现有方法的优点，同时降低计算上的开销，在本发明中采用径向基函数(RBF，radial basis function)对身体模型进行定制。径向基函数变形原理简单，计算的复杂度比较低，适用于各种姿势，能够克服第三类方法的不足，而且变形后的结果自然光滑，能够满足实际的应用要求。

附图说明

图1为本发明的具体技术流程图；

图2a-2d是女性和男性身体模型模拟结果。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

图1是本发明的具体技术流程图，其主要包括输入的人体模型模板；基于输入人体测量参数的三围曲线上顶点的计算；基于RBF的人体模型变形。

1)三围曲线上顶点位置的计算

不失一般性，仅就胸围线上顶点位置计算给出具体的方案，其余的如腰围、臀围曲线上顶点的计算原理一样。假设已经手工地在人体模型模板上按顺序标记出了胸围上的顶点序列，记为B＝｛v_i｝。然后使用B样条曲线拟合集合B中全部顶点，近似视B样条曲线的凸包的长度就是胸围的大小，凸包的计算属于本领域很常用的计算方式，比如文献“R.Graham，“Anefficient algorithm for determining the convex hull of a finite planarset，”vol.1，pp.132-133，1972.”中所使用的方式。假设实际测量输入的胸围是R，而人体模型的胸围是r，则我们得到一个比例因子

于是，对集合B中的顶点v_i，我们分别沿X-Z方向作伸缩，比例因子是p。然后作如下的循环过程：

1.计算新顶点下的B样条曲线凸包的长度，并将长度值赋给r；

2.计算新的比例因子：

3.对集合B中的新计算出的顶点v_i沿X-Z方向做伸缩，伸缩的比例因子是新计算的p，即v_i(x)＝p*v_i(x)，v_i(z)＝p*v_；(z)，这里v_i(x)和v_i(z)分别代表v_i的X和Z轴分量；

4.重复上述步骤1-3，直到p的值满足阈值要求，如|p一1|＜0.0001。

注意，上述所示是一个迭代过程，一般迭代几步之后就可以满足|p-1|＜0.0001的要求。

2)基于RBF的人体模型定制

假设三围曲线上顶点｛v_i｝的位移为｛u_i｝(i＝1，…，M，变化后顶点坐标减去原始的顶点坐标，M表示顶点的个数)，这里i表示三围曲线上所有顶点的索引。根据径向基函数RBF插值函数理论，对于顶点v＝(x，y，z)，存在一个光滑的插值函数f，它能够对位移进行插值：

上式中g为径向基函数，f(v)是一个标量值，表示的是顶点v的位移分量，a_i，c₀，c₁，c₂，c₃表示方程(1)中的系数，是未知量。对于所有的三围曲线上的顶点｛v_i＝(x_i，y_i，z_i)｝，根据上式，我们可以建立一个方程系统：

GA＝F

其中A＝(a₁，a₂，…，a_M，c₀，c₁，c₂，c₃)^T，也是需要求的变形系数，F＝(u_1x，u_2x，…，u_Mx，0，0，0，0)^T是M+4的列向量，其中u_ix(i＝1，2，…，M)表示位移u_i的x分量，而矩阵G为：

其中g_ij＝g(||x_i-x_j||)，g是径向基函数，它可以有许多形式，我们取特别的，G是一个对称正定矩阵，其逆矩阵是存在的，因此可以得到系数向量A的封闭解：

月＝G^-1F

下面，我们主要讲解如何根据插值公式(1)对人体曲面上的点的位移进行插值。根据三围曲线上顶点位置计算部分所讲述的方法，我们可以计算出三围曲线上顶点的位移，然后求得(1)的系数向量。因为我们仅在水平方向进行插值，于是有下面的两个线性系统：

GA_x＝(u_1x，u_2x，…，U_Mx，0，0，0，0)^T

GA_z＝(u_1z，u_2z，...，u_Mz，0，0，0，0)^T

其中u_iz表示位移u_i的z分量。对任一顶点啪插值，具体可以描述为

v_new＝v+(f_x(v)，O，f_z(v))

其中f_x(v)，f_z(v)表示式(1)中的计算的系数向量分别采用的是A_x和A_z。对整个人体模型的顶点进行上述的变形操作，用计算出的新的顶点v_new代替原来身体模型上的顶点v，就得到了最终的变形后的身体，即是我们所需的定制身体。

相对于以前的三角形网格参数化技术，本发明具有以下的优点：建模后人体的测量部位的围度与对应的实际人体围度相符；计算简单，计算复杂度低；灵活性高，可以应用在各种不种姿势、性别和年龄的人体模型上。

我们在不同姿势、性别的人体模型上做了大量的试验，实验结果表明，本发明能够非常好的根据人体测量参数，将人体模型模板变形为符合这些参数的实际模型，模拟结果见图2a一2d，其中，图2a表示女性身体模型模板，图2b表示改变三围、身高后的女性身体变形模型；图2c表示男性身体模型模板，图2d表示改变三围、身高后的男性身体变形模型。

本发明的本质在于将人体模型模板基于测量的参数变形为实际的符合测量数值的实际人体模型。因此，任何基于本发明提出的其余延伸和应用都包含在本发明之内，如增加的腿围变形，臂围变形，以及角色建模、虚拟试衣应用等。

参考文献：

［1］Ugur B.PARAMETRIC HUMAN BODY MODELING FOR VIRTUAL DRESSING［D］.Bogazi，ciUniversity，2008.

［2］Kasap M，Magnenat-Thalmann N.Parameterized human body model forreal-time appl ications.Cyberworlds，2007.CW’07.International Conferenceon.IEEE，2007：160-167.

［3］Baek S Y，Lee K.Parametri c human body shape model ing frameworkfor human-centered product design［J］.Computer-Aided Design，2012，44(1)：56-67.

［4］Seo H，Magnenat-Thalmann N.An automatic modeling of human bodiesfrom sizing parameters.Proceedirngs of the 2003 symposium on Interactive3Dgraphics.ACM.2003：19-26.

［5］Seo H，Magnenat-Thalmann N.An example-based approach to human bodymanipulation.Graphical Models，2004，66(1)：1-23.

［6］Zhengdong L，Shuyuan S.Free-form deformation algorithm of humanbody model for garment.Computer Application and System Modeling(ICCASM)，2010International Conference on.IEEE，2010，11：V11-602一V11-605.

Claims (6)

1.一种个性化的身体模型定制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(1)计算三围曲线上顶点的位置：根据实际测量的三围数据，将所述三围曲线上的顶点变形到合适的位置，使得新的三围曲线的长度与测量的数值保持一致；

(2)基于径向基函数RBF来定制人体模型：将步骤(1)中变形后的三围曲线上的顶点视作控制点，指导身体模型上余下顶点的变形；

其中，所述计算三围曲线上顶点的位置具体为：

在人体模型模板上按顺序标记出三围上的顶点序列，记为集合B＝{v_i}，i表示三围曲线上所有顶点的索引，其中，i＝1，...，M，M表示顶点的个数；然后使用B样条曲线拟合集合B中的全部顶点，人体模型的三围的大小就是B样条曲线凸包的长度；

实际测量输入的三围是R，而人体模型的三围的大小是r，则得到一个比例因子：

于是，对集合B中的顶点v_i，分别沿X和Z轴方向作伸缩，比例因子是p；

作如下的循环过程：

步骤1：计算集合B中的新顶点v_i下的B样条曲线凸包的长度值，并将所述长度值赋值给r；

步骤2：计算新的比例因子：

步骤3：对集合B中的新顶点v_i沿X和Z轴方向做伸缩，伸缩的比例因子是新计算的p，即v_i(x)＝p*v_i(x)，v_i(z)＝p*v_i(z)，这里v_i(x)和v_i(z)分别代表v_i的X和Z轴分量；

步骤4：重复步骤1到步骤3，直到p的值满足阈值要求。

2.根据权利要求1所述的个性化的身体模型定制方法，其特征在于：所述基于径向基函数RBF来定制人体模型具体为：

经过所述伸缩后，三围曲线上顶点{v_i}的位移为{u_i}，所述位移表示所述伸缩变化后顶点的坐标减去原始的顶点坐标；

根据径向基函数RBF插值函数理论，对于顶点v＝(x，y，z)，存在一个光滑的插值函数f对位移进行插值，所述插值函数f表示为：

上式中g为径向基函数，f(v)是一个标量值，表示的是顶点v的位移分量，a_i，c₀，c₁，c₂，c₃表示上述方程(1)的系数；

对于所有的三围曲线上的顶点{v_i＝(x_i，y_i，z_i)}，根据上式(1)，能够建立一个方程系统：

GA＝F

其中A＝(a₁，a₂，...，a_M，c₀，c₁，c₂，c₃)^T，是需要求得的变形系数，F＝(u_1x，u_2x，...，u_Mx，0，0，0，0)^T是M+4的列向量，其中u_ix表示位移u_i的x分量，而矩阵G为：

其中g_ij＝g(||x_i-x_j||)；

因此，可以得到系数向量A的封闭解：

A＝G^-1F

基于上述方式，能够求得式(1)的系数向量；

由于仅在水平方向进行插值，于是有下面的两个线性系统

GA_x＝(u_1x，u_2x，...，u_Mx，0，0，0，0)^T

GA_z＝(u_1z，u_2z，...，u_Mz，0，0，0，0)^T

其中，u_iz表示位移u_i的z分量；

对任一顶点v的插值，描述为：

v_new＝v+(f_x(v)，0，f_z(v))

其中f_x(v)，f_z(v)表示式(1)中计算的系数向量分别采用的是A_x和A_z；

对整个人体模型的顶点进行上述的变形操作，用计算出的新的顶点v_new代替原来身体模型上的顶点v，就得到了最终的变形后的身体。

3.根据权利要求1或2所述的个性化的身体模型定制方法，其特征在于：所述三围包括：胸围、腰围和臀围。

4.根据权利要求1或2所述的个性化的身体模型定制方法，其特征在于：所述阈值要求为|p-1|＜0.0001。

5.根据权利要求2所述的个性化的身体模型定制方法，其特征在于：取。

6.根据权利要求2或5所述的个性化的身体模型定制方法，其特征在于：G是一个对称正定矩阵，其存在逆矩阵。