CN113269888B

CN113269888B - 一种发型三维建模方法、人物三维建模方法及系统

Info

Publication number: CN113269888B
Application number: CN202110571300.5A
Authority: CN
Inventors: 吕琳; 陈瀚; 陈明海
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2021-05-25
Filing date: 2021-05-25
Publication date: 2022-08-19
Anticipated expiration: 2041-05-25
Also published as: CN113269888A

Abstract

本发明提供了一种发型三维建模方法、人物三维建模方法及系统，获取数字化发型，提取其顶点信息，并计算方向场；以发丝为处理单位，对发型进行筛选，去除离散发丝；提取发型的轮廓顶点，计算顶点法向并对轮廓顶点进行优化；根据轮廓顶点和法向，进行表面重建，对重建的模型进行重新网格化处理，得到发型三维模型；本发明弥补从数字化发型数据库重建可应用于3D打印的人物发型的空白，使用户无需专业的建模知识和技巧即可生成带有结构特征的人物发型，且得到的三维发型整体外形与输入发型相匹配，同时发型表面的走势也尽可能地还原目标发型的真实情况。

Description

一种发型三维建模方法、人物三维建模方法及系统

技术领域

本发明属于三维建模技术领域，具体涉及一种发型三维建模方法、人物三维建模方法及系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

人物雕塑是一项经典的、宏伟的、具有极强装饰性和实用性的艺术形式，它以人物为造型，用各种材料创造出可视、可触的艺术人物形象，自古以来就受到普罗大众的喜爱。目前多数较为精美的带有细节纹路或纹理的人物雕塑仍由手工雕刻或手工开模制作完成，耗费时间长、所需人力大，且生成的雕塑规模不易控制，成功率往往与制作经验也有密切的关系。而由于其极高的工艺创作难度，个性化定制化雕塑始终难以进入寻常百姓家。近年来，随着人体三维扫描重建的迅速发展以及3D打印技术的普及，越来越多的个人用户接触到并且愿意尝试3D打印定制人像，3D打印人像拥有与雕塑类似的艺术表现，但比雕塑更加快捷、简便，更加个性化，适用于任意普通用户。

在人像的特征表达上，发型起到了不可或缺的作用，要生成一个高度拟真的人物雕塑必须做好发型重建。学术界和工业界都在针对人物肖像的3D打印的研究中出现了许多优秀的工作，但是，许多工作在发型重建上只使用了粗略模型或是一般化模板，无法从细节上还原目标发型的真实特征。确实存在一部分工作在获取高精度几何细节的可打印发型模型上做出了突出贡献，然而，他们都需要有高端的数据采集硬件和强健的算法做支撑，这些条件限制了普通用户的使用。现在，正需要一个成本低、质量高且支持3D打印的发型建模方法。

随着数字化建模和渲染技术的日益发展，设备硬件与软件的瓶颈突破，应用于影视与游戏行业的数字化毛发建模技术也日益精进，可供使用的数字化发型也逐渐多样化。这些技术通过数字建模，仿真以及物理过程的日益数字化增强，赋予了设计人员力量。然而，数字化毛发建模(strand-level hairstyle modeling)生成的结果是通过以三维空间中的顶点为基本单位组成的一系列链状点序列进行表示，该类顶点数据无法应用于3D打印。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种发型三维建模方法、人物三维建模方法及系统，本发明弥补从数字化发型数据库(例如论文“Single-view hair modeling using ahairstyle database”中提出的发型数据库)重建可应用于3D打印的人物发型的空白，使用户无需专业的建模知识和技巧即可生成带有结构特征的人物发型，且得到的三维发型整体外形与输入发型相匹配，同时发型表面的走势也尽可能地还原目标发型的真实情况。

根据一些实施例，本发明采用如下技术方案：

一种发型三维建模方法，包括以下步骤：

(1)获取数字化发型，提取其顶点信息，并计算方向场；

(2)以发丝(strand)为处理单位，对发型进行筛选，去除离散发丝；

(3)提取发型的轮廓顶点，计算顶点法向并对轮廓顶点进行优化；

(4)根据轮廓顶点和法向，进行表面重建，对重建的模型进行重新网格化处理，得到发型三维模型。

作为可选择的实施方式，所述步骤(1)的具体过程包括：

获取数字化发型，自动读取顶点信息；

依次处理每一根由点序列构成的发丝，并根据近邻点之间的先后关系计算每个点的方向，为发型生成方向场。

作为可选择的实施方式，所述步骤(2)的具体过程包括：

步骤(2-1)：对发丝进行聚类：对每根发丝均匀采样K个顶点作为特征，根据特征对发丝进行层次聚类，设置聚类终止簇数C；

步骤(2-2)：对发丝进行过滤：计算簇平均发丝数，当一个簇内的发丝数少于比例值σ与平均发丝数的积，则过滤该簇中所有发丝。

作为可选择的实施方式，所述步骤(3)的具体过程包括：

步骤(3-1)：提取轮廓点；

步骤(3-2)：对每个三角面片中从同一点起始边进行叉乘获取面法向，根据该法向是否与其他面相交判断法向内外朝向，若面法向朝向模型内部，则反转法向；

步骤(3-3)：针对每一个顶点根据其构成的三角面片面积对面法向进行加权平均，计算得出顶点法向；

步骤(3-4)：对轮廓顶点进行优化，将所有轮廓点沿着法向进行小幅偏移，获取偏移后的表面顶点。

作为可选择的实施方式，所述步骤(4)中，根据轮廓顶点和法向，进行表面重建包含以下步骤：

步骤(4-1)：采用近邻点加权平均的方法，对所有顶点的法向进行平均化；

步骤(4-2)：采用筛选泊松表面重建对带有法向信息的轮廓顶点进行重建。

作为可选择的实施方式，所述步骤(4)中，对重建的模型进行重新网格化处理包含以下步骤：

步骤(4-a)：使用表面平滑方法对网格进一步处理，保留主要特征，同时平滑变化趋势；

步骤(4-b)：采用各向异性的网格重划分方法，生成三角网格，得到重建的发型三维模型。

一种人物三维建模方法，包括以下步骤：

选择发型三维模型，所述发型三维模型是基于上述一种发型三维建模方法生成的；

生成或选择人脸模型，将发型三维模型配准至人脸模型上，得到人物肖像三维模型。

上述发型三维模型和人物肖像三维模型均可以直接交由3D打印机进行3D打印。

一种发型三维建模系统，包括：

顶点提取模块，被配置为根据数字化发型，提取其顶点信息，并计算方向场；

筛选模块，被配置为以发丝为处理单位，对发型进行筛选，去除离散发丝；

优化模块，被配置为提取发型的轮廓顶点，计算顶点法向并对轮廓顶点进行优化；

网格化模块，被配置为根据轮廓顶点和法向，进行表面重建，对重建的模型进行重新网格化处理，得到发型三维模型。

一种电子设备，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成上述方法中的步骤。

一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成上述方法中的步骤。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明能够全自动生成可应用于3D打印的人物发型，计算效率高，用户易使用、上手快、无需专业背景、不需要严格且昂贵的硬件环境。

本发明在处理原始数字化发型时，提取方向场，对链状点序列代表的发丝进行筛选，删除离散发丝优化整体结构，使重建后发型的主要生长趋势更加显著，打印结果保真度更高。

本发明与手工设计与制造相比，该方法生成的人物发型具有标准化、可控制性、批量化等优点，且生成模型带有方向场信息。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本实施例的流程图；

图2表示输入发型示意图；

图3表示发丝筛选的示意图；

图4表示轮廓顶点提取与优化的示意图；

图5表示表面重建示意图；

图6表示重新网格化示意图；

图7为最终生成结果示意图。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

实施例一：

一种可3D打印的人物发型模型生成方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤(1)：用户输入数字化发型，系统提取顶点信息，并计算方向场；

步骤(2)：以发丝为处理单位，对发型进行筛选，去除离散发丝；

步骤(3)：提取发型的轮廓顶点，计算顶点法向并对轮廓顶点进行优化；

步骤(4)：根据轮廓顶点和法向，进行表面重建；

步骤(5)：对重建的模型进行重新网格化。

接下来，针对本实施例中的每一个步骤进行具体阐述：

所述步骤(1)中主要包含以下步骤：

步骤(1-1)：获取或接收数字化发型，自动读取顶点信息，如图2所示；

步骤(1-2)：依次处理每一根由点序列构成的发丝，并根据近邻点之间的先后关系计算每个点的方向，为发型生成方向场。

所述步骤(2)中主要包含以下步骤：

步骤(2-1)：对发丝进行聚类。每根发丝均匀采样K个顶点作为特征，根据特征对发丝进行层次聚类，设置聚类终止簇数C。本实施例中，根据一般经验，规定K＝5，C＝400；

步骤(2-2)：对发丝进行过滤。发丝过滤可以去除原始数字化发型中远离于发型主体的离散发丝并凸显发型主要生长趋势。计算簇平均发丝数，当一个簇内的发丝数少于比例值σ与平均发丝数的积，则过滤该簇中所有发丝。本实施例中，根据一般经验，规定σ＝0.2。如图3所示，黑色顶点表示的发丝为需过滤发丝。

所述步骤(3)中主要包含以下步骤：

步骤(3-1)：提取轮廓点。利用alpha shape算法重建粗糙的模型，并得到表面顶点。如图4所示；

步骤(3-2)：计算面法向。对每个三角面片中从同一点起始边进行叉乘获取面法向，根据该法向是否与其他面相交判断法向内外朝向，若面法向朝向模型内部，则反转法向；

步骤(3-3)：计算顶点法向。针对每一个顶点根据其构成的三角面片面积对面法向进行加权平均，计算得出顶点法向；

步骤(3-4)：对轮廓顶点进行优化。由于数字化发型发际线区域的顶点稀疏，内外表面难以区分，对表面重建不友好。我们需要顶点坐标v,顶点法向normal，偏移比例β，将所有轮廓点沿着法向进行小幅偏移，获取偏移后的表面顶点dis＝v+β*normal。本实施例中，根据一般经验，规定σ＝0.004。

所述步骤(4)中主要包含以下步骤：

步骤(4-1)：法向平均化。为了使相邻顶点的表面法向趋势更加统一，采用近邻点加权平均的方法，对所有顶点的法向进行平均化；

步骤(4-2)：表面重建。采用筛选泊松表面重建(screened Poisson surfacereconstruction)对带有法向信息的轮廓顶点进行重建。如图5所示；

所述步骤(5)中主要包含以下步骤：

步骤(5-1)：网格平滑。让重建模型的表面结构更加一致，本实施例中使用表面平滑方法对网格进一步处理，保留主要特征，同时平滑变化趋势；

步骤(5-2)：重新网格化。由于表面顶点分布不均，生成的三角网格在模型上的疏密程度差异也比较大，使得打印结果表面光滑度有差异。采用各向异性的网格重划分方法，生成高质量三角网格。如图6所示。

上述实施例中，各项参数的取值均可以根据情况进行调整，并不限定于本实施例所列参数范围。

当然，上述实施例还可以用于建立人物发型数据库，将多种数字化发型构建为对应的多种发型三维模型。

本实施例可以实现：(1)弥补从数字化发型数据库重建可应用于3D打印的人物发型的空白，使用户无需专业的建模知识和技巧即可生成带有结构特征的人物发型。(2)使重建结果的发型整体外形与输入发型相匹配，同时发型表面的走势也尽可能地还原目标发型的真实情况。(3)由输入数字化发型直接获得三角网格模型，并满足3D打印模型的约束。(4)时空开销小，重建效率高。

实施例二：

一种可3D打印的人物模型生成方法，还包括生成人脸模型或者接收输入的或现有的人脸模型为目标，将生成的发型配准至目标，得到可打印的人物肖像模型。

将重建的发型与目标人物配准，获得满足打印约束的结果，如图7所示。

实施例三：

一种发型三维建模系统，包括：

实施例四：

一种电子设备，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成上述实施例一或实施例二的方法中的步骤。

实施例五：

一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成上述实施例一或实施例二的方法中的步骤。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述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。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims

1.一种发型三维建模方法，其特征是：包括以下步骤：

(1)获取数字化发型，提取其顶点信息，并计算方向场；

(2)以发丝为处理单位，对发型进行筛选，去除离散发丝；

(3)提取发型的轮廓顶点，计算顶点法向并对轮廓顶点进行优化；具体过程包括：

步骤(3-1)：提取轮廓点；

步骤(3-4)：对轮廓顶点进行优化，将所有轮廓点沿着法向进行小幅偏移，获取偏移后的表面顶点；

2.如权利要求1所述的一种发型三维建模方法，其特征是：所述步骤(1)的具体过程包括：

获取数字化发型，自动读取顶点信息；

3.如权利要求1所述的一种发型三维建模方法，其特征是：所述步骤(2)的具体过程包括：

4.如权利要求1所述的一种发型三维建模方法，其特征是：所述步骤(4)中，根据轮廓顶点和法向，进行表面重建包含以下步骤：

5.如权利要求1所述的一种发型三维建模方法，其特征是：所述步骤(4)中，对重建的模型进行重新网格化处理包含以下步骤：

6.一种人物三维建模方法，其特征是：包括以下步骤：

选择发型三维模型，所述发型三维模型是基于权利要求1-5中任一项所述的一种发型三维建模方法生成的；

7.一种发型三维建模系统，其特征是：包括：

优化模块，被配置为提取发型的轮廓顶点，计算顶点法向并对轮廓顶点进行优化；具体过程包括：

提取轮廓点；

对每个三角面片中从同一点起始边进行叉乘获取面法向，根据该法向是否与其他面相交判断法向内外朝向，若面法向朝向模型内部，则反转法向；

针对每一个顶点根据其构成的三角面片面积对面法向进行加权平均，计算得出顶点法向；

对轮廓顶点进行优化，将所有轮廓点沿着法向进行小幅偏移，获取偏移后的表面顶点；

8.一种电子设备，其特征是：包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成权利要求1-5中任一项所述的方法中的步骤。

9.一种计算机可读存储介质，其特征是：用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成权利要求1-5中任一项所述的方法中的步骤。