CN110728746A - 动态纹理的建模方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种动态纹理的建模方法及系统，其中，该方法包括以下步骤：获取物体静止时的第一纹理变化值和关键运动时的第二纹理变化值；利用运动相似性的度量方法对所述第一纹理变化值和所述第二纹理变化值进行处理，得到任意运动下的动态纹理。本发明实施例的方法，通过组线性基来表达物体随运动而变化的纹理，以使得三维模型拥有更好的表达效果。

Description

动态纹理的建模方法及系统
技术领域
本发明涉及计算机图形学技术领域，特别涉及一种动态纹理的建模方法及系统。
背景技术
三维物体的表达与重建在游戏、动画、电影等众多领域有着广泛的应用。一个物体的三维模型要包含该物体的几何和纹理信息，也就是对几何和纹理进行建模。很多情况下，物体的纹理并不是一成不变的，而是会随着物体的运动发生变化。例如人脸做各种表情时会出现深色的皱纹，但皱纹这类细小的几何变化很难在几何中重现出来，因此使用静态的纹理与光照模型来表达较为困难。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的一个目的在于提出一种动态纹理的建模方法，该方法使得三维模型的纹理能够随着物体运动而发生改变。
本发明的另一个目的在于提出一种动态纹理的建模系统。
为达到上述目的，本发明一方面提出了动态纹理的建模方法，该方法包括以下步骤：获取物体静止时的第一纹理变化值和关键运动时的第二纹理变化值；利用运动相似性的度量方法对所述第一纹理变化值和所述第二纹理变化值进行处理，得到任意运动下的动态纹理。
本发明实施例的动态纹理的建模方法，通过组线性基来表达物体随运动而变化的纹理，能够表达根据运动而发生变化的三维物体表面纹理，且适用于各种物体三维表示方式与各种颜色空间，只需存储静止状态下的纹理值与少量关键运动的纹理变化值，节省存储空间。
另外，根据本发明上述实施例的动态纹理的建模方法还可以具有以下附加的技术特征：
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述第一纹理变化值为颜色空间中三维的颜色向量，所述第二纹理变化值为一维的亮度变化值。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述获取静止时的第一纹理变化值和关键运动时的第二纹理变化值，包括：采集静止状态下物体的静止纹理；对所述静止状态下物体进行建模，使建模后的物体做预设关键运动；采集每个关键运动中物体的表面纹理变化值；通过重建算法分别处理所述静止纹理和所述表面纹理变化值，求解得到所述第一纹理变化值和所述第二纹理变化值。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述建模后的物体做预设运动时，每个关键运动需构造成一个完整的纹理变化。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述表面纹理变化值根据应用场景的不同通过人工构造或对物体拍摄获得。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述利用运动相似性的度量方法对所述第一纹理变化值和所述第二纹理变化值进行计算，得到任意运动的动态纹理，包括：利用所述运动相似性的度量方法对所述第二纹理变化值进行线性加权，以得到任一帧运动下的纹理变化值；将所述任一帧运动下的纹理变化值与所述第一纹理变化值相乘，得到最终任一帧运动下的动态纹理。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述运动相似性的度量方法为：
其中，(mv(x),nv(x))与(mv(y),nv(y))分别为表面点v在x与y帧中的运动向量，α为权衡两项数值的权重，Dv(x,y)表示x与y帧的相似度。
为达到上述目的，本发明另一方面提出了一种动态纹理的建模系统，包括：获取模块，用于获取物体静止时的第一纹理变化值和关键运动时的第二纹理变化值；处理模块，用于利用运动相似性的度量方法对所述第一纹理变化值和所述第二纹理变化值进行处理，得到任意运动下的动态纹理。
本发明实施例的动态纹理的建模系统，通过组线性基来表达物体随运动而变化的纹理，能够表达根据运动而发生变化的三维物体表面纹理，且适用于各种物体三维表示方式与各种颜色空间，只需存储静止状态下的纹理值与少量关键运动的纹理变化值，节省存储空间。
另外，根据本发明上述实施例的动态纹理的建模方法还可以具有以下附加的技术特征：
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述获取模块包括：第一采集单元，用于采集静止状态下物体的静止纹理；建模单元，用于对所述静止状态下物体进行建模，使建模后的物体做预设关键运动；第二采集单元，用于采集每个关键运动中物体的表面纹理变化值；求解单元，用于通过重建算法分别处理所述静止纹理和所述表面纹理变化值，求解得到所述第一纹理变化值和所述第二纹理变化值。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述处理模块包括：线性加权单元，用于利用所述运动相似性的度量方法对所述第二纹理变化值进行线性加权，以得到任一帧运动下的纹理变化值；相乘单元，用于将所述任一帧运动下的纹理变化值与所述第一纹理变化值相乘，得到最终任一帧运动下的动态纹理。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本发明实施例的动态纹理的建模方法流程图；
图2为根据本发明实施例的动态纹理的建模系统结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参照附图描述根据本发明实施例提出的动态纹理的建模方法及系统，首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的动态纹理的建模系统。
图1是本发明一个实施例的动态纹理的建模方法流程图。
如图1所示，该动态纹理的建模方法包括以下步骤：
在步骤S101中，获取物体静止时的第一纹理变化值和关键运动时的第二纹理变化值。
也就是说，得到静止纹理和关键运动中的纹理变化值。
进一步地，在本发明的一个实施例中，表面纹理变化值根据应用场景的不同通过人工构造或对物体拍摄获得。
进一步地，在本发明的一个实施例中，第一纹理变化值为颜色空间中三维的颜色向量，第二纹理变化值为一维的亮度变化值。
具体地，要表达不同运动下的纹理变化值，首先需要知道静止状态下的纹理值与各个表面点关键运动中的纹理变化值，这些值根据应用场景的不同可以人工构造也可以通过拍摄得到。各个表面点的静止纹理是颜色空间中三维的颜色向量，即第一纹理变化值，而各个表面点的纹理变化值则是一维的亮度变化值，即第二纹理变化值。
进一步地，获取静止时的第一纹理变化值和关键运动时的第二纹理变化值，包括：采集静止状态下物体的静止纹理；对静止状态下物体进行建模，使建模后的物体做预设关键运动；采集每个关键运动中物体的表面纹理变化值；通过重建算法分别处理静止纹理和表面纹理变化值，求解得到第一纹理变化值和第二纹理变化值。
进一步地，在本发明的一个实施例中，建模后的物体做预设运动时，每个关键运动需构造成一个完整的纹理变化。
具体而言，人工构造时需要先建立静止状态下物体的纹理，之后使建模的物体做特定的一些关键运动，并对于每一个关键运动构造一个完整的纹理变化。而使用拍摄采集的方法可以采集静止纹理以及各个关键运动中物体的数据，使用这些数据通过重建算法求解得到静止纹理以及各个关键运动中的纹理变化值。例如，可以够构造势能函数使得动态纹理模型在表达采集得到的数据时误差最小，并通过最优化方法最小化势能函数来进行求解。
可以理解的是，物体运动时纹理的变化多为阴影等亮度变化，因此本发明实施例只建模物体纹理亮度的变化值，而认为颜色的其他维度没有发生变化，以减小求解变量。例如，使用RGB颜色空间对物体的纹理进行表达时，为了表达运动时物体表面颜色在亮度上发生的变化，需要在RGB三通道上都乘上同一个纹理变化值C；而使用HSV(Hue,Saturation,Value，颜色空间)等含亮度维度的颜色空间时，只需要在其亮度通道上乘上C值，其他维度不变。模型中不同表面点的纹理变化值可以不同。物体在静止状态下所有纹理变化值均为1，即没有改变。
为了得到任意运动下各个表面点的纹理变化值C，需要先得到少量关键运动下的纹理变化值。其中，关键运动应该各不相同，并且覆盖到物体的各种可能的运动方式，例如，在人脸模型中，这些关键运动应当包含人脸的多个不同的表情。且这些关键运动中表面纹理的变化值可以手动构造，也可以通过对物体进行拍摄来得到。
在步骤S102中，利用运动相似性的度量方法对第一纹理变化值和第二纹理变化值进行处理，得到任意运动下的动态纹理。
也就是说，用静止纹理和关键运动中的纹理变化值表达任意运动的纹理。
具体而言，物体的纹理和运动是相关的，相似的运动下物体会呈现相似的纹理。因此对于不同运动下的某一表面点，需要定义运动相似性的度量方法Dv(x,y)，其中，x与y表示两帧不同的运动，v表示某一表面点。该表面点在这两帧中的运动越接近则Dv(x,y)值越大，反之则越小。在不同的三维模型的表示方法中，v的具体含义会有所不同，例如，在网格表示中v可以是顶点或者面片上的点，而点云表示中v可以是点云中的一个数据点。
进一步地，运动相似性的度量方法为：
Figure BDA0002211469530000041
其中，(mv(x),nv(x))与(mv(y),nv(y))分别为表面点v在x与y帧中的运动向量，α为权衡两项数值的权重，Dv(x,y)表示x与y帧的相似度。
进一步地，在本发明的一个实施例中，利用运动相似性的度量方法对第一纹理变化值和第二纹理变化值进行计算，得到任意运动的动态纹理，包括：
利用运动相似性的度量方法对第二纹理变化值进行线性加权，以得到任一帧运动下的纹理变化值；
将任一帧运动下的纹理变化值与第一纹理变化值相乘，得到最终任一帧运动下的动态纹理。
也就是说，在有了关键运动的纹理变化值与不同帧之间的运动相似度的度量方法之后，可以根据运动的相似度来将关键运动下的纹理变化值进行线性加权，以得到某一个表面点在某一运动下的纹理变化值。再将这一纹理变化值乘到静止状态下的纹理颜色上，即得到该表面点在该运动下的颜色。
Figure BDA0002211469530000051
其中，Tv是表面点v在静止状态时的颜色值，Cv(k)是v在关键运动帧k中的纹理变化值，Dv是上述运动相似性，括号中的项为v在x帧运动下的纹理变化值，则tv(x)即为v在x帧运动下的颜色值。
上式即为先按照各个关键运动与x帧运动的相似度将关键运动下的纹理变化值进行线性加权，得到x帧运动下的纹理变化值，再将这一纹理变化值乘在静止状态的颜色值上以得到最终x帧运动下的颜色值。且不同表面点之间的求解是相互独立的。
简单来讲，得到静止纹理和关键运动中的纹理变化值后，可以使用公式(2)来计算任意运动的纹理变化值。其中运动相似性的度量方法Dv(x,y)可以根据场景而有所改变。
例如，一种实现方式是将运动考虑为全局的运动与局部的运动，例如对于人脸模型而言全局的运动即为脸部整体的平移和旋转，而局部的运动即为脸部的表情运动等。这样运动可以使用向量(m,n)来表示，其中m与局部运动相关，n与全局运动相关。局部运动中几何细节难以精确求解或表达，因此不使用法向信息而是使用相应表面点的局部运动在三维空间中的位移量来作为向量m。全局运动的求解和表达一般较为精确，故n可以用相应表面点在全局运动后的单位法向量来表示。
基于全局与局部的运动表达，运动相似性的度量方法可以定义为：
Figure BDA0002211469530000052
其中(mv(x),nv(x))与(mv(y),nv(y))分别为表面点v在x与y帧中的运动向量，即为两帧中局部运动的位移量与全局运动后的单位法向量。α为权衡两项数值的权重。在上式中，两帧中局部运动位移量越接近则运动相似性越高，全局运动后法向量越接近则运动相似性也越高。
根据上式，对于任意帧的运动，均可以计算得到该帧与各个关键运动的运动相似性，再将这些运动相似性的值代入公式(2)，可以得到该运动下各个表面点的颜色值，也即动态的纹理。
根据本发明实施例提出的动态纹理的建模方法，通过组线性基来表达物体随运动而变化的纹理，能够表达根据运动而发生变化的三维物体表面纹理，且适用于各种物体三维表示方式与各种颜色空间，只需存储静止状态下的纹理值与少量关键运动的纹理变化值，节省存储空间。其次参照附图描述根据本发明实施例提出的动态纹理的建模系统结构。
图2是本发明一个实施例的动态纹理的建模系统结构示意图。
如图2所示，该动态纹理的建模系统结构示意图10包括：获取模块100和处理模块200。
其中，获取模块100，用于获取物体静止时的第一纹理变化值和关键运动时的第二纹理变化值。处理模块200，用于利用运动相似性的度量方法对第一纹理变化值和第二纹理变化值进行计算，得到任意运动下的动态纹理。
进一步地，在本发明的一个实施例中，获取模块包括：第一采集单元，用于采集静止状态下物体的静止纹理；建模单元，用于对静止状态下物体进行建模，使建模后的物体做预设关键运动；第二采集单元，用于采集每个关键运动中物体的表面纹理变化值；求解单元，用于通过重建算法分别处理静止纹理和表面纹理变化值，求解得到第一纹理变化值和第二纹理变化值。
进一步地，在本发明的一个实施例中，处理模块包括：线性加权单元，用于利用运动相似性的度量方法对第二纹理变化值进行线性加权，以得到任一帧运动下的纹理变化值；相乘单元，用于将任一帧运动下的纹理变化值与第一纹理变化值相乘，得到最终任一帧运动下的动态纹理。
需要说明的是，前述对动态纹理的建模方法实施例的解释说明也适用于该系统，此处不再赘述。
根据本发明实施例提出的动态纹理的建模系统，通过组线性基来表达物体随运动而变化的纹理，能够表达根据运动而发生变化的三维物体表面纹理，且适用于各种物体三维表示方式与各种颜色空间，只需存储静止状态下的纹理值与少量关键运动的纹理变化值，节省存储空间。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种动态纹理的建模方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取物体静止时的第一纹理变化值和关键运动时的第二纹理变化值；
利用运动相似性的度量方法对所述第一纹理变化值和所述第二纹理变化值进行处理，得到任意运动下的动态纹理。
2.根据权利要求1所述的动态纹理的建模方法，其特征在于，所述第一纹理变化值为颜色空间中三维的颜色向量，所述第二纹理变化值为一维的亮度变化值。
3.根据权利要求1所述的动态纹理的建模方法，其特征在于，所述获取静止时的第一纹理变化值和关键运动时的第二纹理变化值，包括：
采集静止状态下物体的静止纹理；
对所述静止状态下物体进行建模，使建模后的物体做预设关键运动；
采集每个关键运动中物体的表面纹理变化值；
通过重建算法分别处理所述静止纹理和所述表面纹理变化值，求解得到所述第一纹理变化值和所述第二纹理变化值。
4.根据权利要求3所述的动态纹理的建模方法，其特征在于，所述建模后的物体做预设运动时，每个关键运动需构造成一个完整的纹理变化。
5.根据权利要求3所述的动态纹理的建模方法，其特征在于，所述表面纹理变化值根据应用场景的不同通过人工构造或对物体拍摄获得。
6.根据权利要求1所述的动态纹理的建模方法，其特征在于，所述利用运动相似性的度量方法对所述第一纹理变化值和所述第二纹理变化值进行计算，得到任意运动的动态纹理，包括：
利用所述运动相似性的度量方法对所述第二纹理变化值进行线性加权，以得到任一帧运动下的纹理变化值；
将所述任一帧运动下的纹理变化值与所述第一纹理变化值相乘，得到最终任一帧运动下的动态纹理。
7.根据权利要求6所述的动态纹理的建模方法，其特征在于，所述运动相似性的度量方法为：
Figure FDA0002211469520000011
其中，(mv(x)，nv(x))与(mv(y)，nv(y))分别为表面点v在x与y帧中的运动向量，α为权衡两项数值的权重，Dv(x，y)表示x与y帧的相似度。
8.一种动态纹理的建模系统，其特征在于，包括：
获取模块，用于获取物体静止时的第一纹理变化值和关键运动时的第二纹理变化值；
处理模块，用于利用运动相似性的度量方法对所述第一纹理变化值和所述第二纹理变化值进行处理，得到任意运动下的动态纹理。
9.根据权利要求8所述的动态纹理的建模系统，其特征在于，所述获取模块包括：
第一采集单元，用于采集静止状态下物体的静止纹理；
建模单元，用于对所述静止状态下物体进行建模，使建模后的物体做预设关键运动；
第二采集单元，用于采集每个关键运动中物体的表面纹理变化值；
求解单元，用于通过重建算法分别处理所述静止纹理和所述表面纹理变化值，求解得到所述第一纹理变化值和所述第二纹理变化值。
10.根据权利要求8所述的动态纹理的建模系统，其特征在于，所述处理模块包括：
线性加权单元，用于利用所述运动相似性的度量方法对所述第二纹理变化值进行线性加权，以得到任一帧运动下的纹理变化值；
相乘单元，用于将所述任一帧运动下的纹理变化值与所述第一纹理变化值相乘，得到最终任一帧运动下的动态纹理。
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