CN117274449A - 一种基于模型生成骨骼的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于模型生成骨骼的方法和系统，属于图像数据处理技术领域，所述方法包括以下步骤：对模型进行分块，获得模型块；获得模型块的顶点沿模型内部法线方向与模型块的第一交点；在顶点与第一交点之间建立映射点；以相邻顶点的映射点为方向，获得顶点与模型块的两个第二交点及其长度；通过最大化长度选取第一相邻顶点；根据顶点的映射点与第一相邻顶点的映射点获得顶点的方向；根据顶点的方向，对顶点进行分组；根据所述顶点组建立骨骼。引入了顶点方向，通过顶点方向对顶点进行分组并建立骨骼，提高骨骼建立的效率，骨骼可继承模型的特征；引入顶点宽度，根据顶点宽度对顶点组进行细分，以保留更多的模型特征。

Description

一种基于模型生成骨骼的方法和系统
技术领域
本发明涉及图像数据处理技术领域，具体涉及一种基于模型生成骨骼的方法和系统。
背景技术
目前模型的骨骼一般是由建模人员根据经验使用maya,3Dmax等工具手动进行建模，并确定蒙皮的权重。对于一些特定的骨骼，如人体，有一个比较通用的骨骼模型，检测人体的特征后，然后对通用的骨骼模型进行缩放，使得大小和人体匹配；但无法适应多样化的骨骼特征。
对于大部分的模型，都需要建模人员手动建模，建模后再绑定模型蒙皮。而人工建模的工作量大、效率低，无法适应模型高速增加的建模需求。
发明内容
针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明提供一种基于模型生成骨骼的方法和系统，基于模型的顶点及其方向建立骨骼、并生成蒙皮权重，可实现自动化，提高建模的效率。
本发明公开了一种基于模型生成骨骼的方法，包括以下步骤：对模型进行分块，获得模型块；获得模型块的顶点沿模型内部法线方向与模型块的第一交点；在所述顶点与第一交点之间建立映射点；模型块内相邻顶点的映射点为方向，获得所述顶点与模型块的两个第二交点及其长度；通过最大化所述长度选取第一相邻顶点；根据顶点的映射点与第一相邻顶点的映射点获得顶点的方向；根据顶点的方向，对顶点进行分组，获得顶点组；根据所述顶点组或其映射点立骨骼的线段。
优选的，顶点组分割的方法包括：
获得线段的垂直线，所述垂直线经过顶点组的顶点；
获得垂直线与模型块的两个交点及其第一距离；
获得顶点组的第一距离集合；
判断距离集合是否满足以下条件：第一距离集合的最小距离小于最大距离的一半；
若满足，根据第一距离集合的平均距离分割所述顶点组。
优选的，顶点组端点合并的方法包括：
判断两个顶点组的线段端点是否相邻；
若相邻，合并相邻的两个端点。
优选的，建立骨骼父子关系的方法包括：
为线段的一个关节点赋予索引值；
获取与所述一个关节点的相邻关节点，依次赋予索引值并建立相邻关节点与所述一个关节点的父子关系；
获得已赋索引值所述关节点与未赋予索引值关节点的第二距离；通过最小化所述第二距离，从未赋予索引值关节点中选取预选第一关节点、从已赋索引值关节点中选取第二关节点；为预选第一关节点赋予索引值、并建立预选第一关节点与所述第二关节点的父子关系；直到线段所有关节点都赋予索引值。
优选的，计算蒙皮权重的方法包括：
通过以下公式计算线段端点对顶点的权重：
irateA = 1.0 - len（ac·normalise(ab)）/len（ab）
irateB = 1.0 – irateA
其中，irateA表示端点a对顶点c的权重，irateB表示端点b对顶点c的权重，ac表示为端点a到顶点c的方向向量，ab表示为端点a到端点b的方向向量, normalise(ab) 表示端点a到端点b方向向量的单位化，·表示为两个向量点乘，len（）表示为取长度。
优选的，误差点权重计算方法包括：
判断顶点数组的顶点数是否少于第二阈值；
若是，所述顶点数组的顶点为孤立点；
若与一个孤立点相邻孤立点的数量大于第三阈值；
所述一个孤立点为误差点；
将所述误差点相邻顶点的权重平均值作为误差点的权重。
优选的，基于顶点的方向，对顶点进行分组的方法包括：
判断两个顶点方向的点乘是否大于第一阈值；
若是，将两个顶点分在同一顶点组。
优选的，映射点的计算公式表示为：
m=(v+p)/q
其中，m表示为映射点,v表示为顶点，p表示为第一交点，q表示为大于1的自然数。
本发明还提供一种用于实现上述方法的系统，包括：分块模块、映射模块、顶点分组模块、骨骼构建模块；
所述分块模块用于对模型进行分块，获得模型块；
所述映射模块用于获得模型块的顶点沿模型内部法线方向与模型块的第一交点；在所述顶点与第一交点之间建立映射点；
所述顶点分组模块用于以模型块内相邻顶点的映射点为方向，获得所述顶点与模型块的两个第二交点及其长度；通过最大化所述长度选取第一相邻顶点；根据顶点的映射点与第一相邻顶点的映射点获得顶点的方向；基于顶点的方向，对顶点进行分组，获得顶点组；
所述骨骼构建模块用于根据所述顶点组或其映射点组建立骨骼的线段。
优选的，所述系统还包括绑定模块和蒙皮模块，
所述绑定模块用于建立骨骼父子关系；
所述蒙皮模块用于计算骨骼端点对顶点的权重；
顶点分组模块还用于顶点组分割：
获得经过顶点组顶点的线段垂直线；
获得垂直线与模型块的两个交点及其第一距离；
获得顶点组的第一距离集合；
判断距离集合是否满足以下条件：第一距离集合的最小距离小于最大距离的一半；
若满足，根据第一距离集合的平均距离分割所述顶点组。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：引入了顶点方向，顶点方向代表了模型的走向，通过模型块的顶点及其方向，对顶点进行分组，并根据顶点组建立骨骼，提高骨骼建立的效率，所建立的骨骼可以很好的继承模型的特征；引入第一距离/顶点宽度，根据顶点宽度对顶点组进行细分，保留更多的模型特征。
附图说明
图1是本发明的基于模型生成骨骼的方法流程图；
图2是确定顶点方向的方法流程图；
图3是第一交点和映射点的示意图；
图4a是模型的示意图；
图4b是映射点集的示意图；
图5是顶点的方向示意图；
图6是顶点分组示意图；
图7是顶点组分割示意图；
图8是本发明的系统逻辑框图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合附图对本发明做进一步的详细描述：
本发明提供一种基于模型生成骨骼的方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤S1：对模型进行分块，获得模型块。在制作模型时需要根据现实中的组合情况进行，不同的块之间不存在共点，将有共点的三角形分为同一块，从而可将模型切割成多块，如人体、衣服和道具等模型块，这些模型块会分别按照本发明的方法生成对应的骨骼。模型制作的方法为现有技术，本申请不再赘述。
步骤S2：获得模型块顶点的方向，并根据顶点方向建立顶点组。
步骤S3：根据顶点组建立骨骼的线段。顶点组或其映射点组具有相似的方向，可以通过为顶点组或映射点组建立趋势线的方式建立线段，但不限于此。
步骤S4：计算蒙皮权重。
通过模型块的顶点及其方向，对顶点进行分组，并根据顶点组建立骨骼、以及蒙皮权重，提高骨骼建立的效率，所建立的骨骼可以很好的继承模型的特征。
如图2所示，步骤S2中获得模型块顶点的方向的方法包括：
步骤201：获得模型块的顶点v沿模型内部法线方向与模型块的第一交点p。
步骤202：在所述顶点v与第一交点p之间建立映射点m，如图3所示。模型的每个模型块具有一组映射点集{m}，模型的映射点集如图4a和图4b所示。
其中，模型块内部的映射点与顶点v相对应。映射点的计算公式表示为：
m=(v+p)/q
其中，m表示为映射点,v表示为顶点，p表示为第一交点，q表示为大于1的自然数，可值为2，但不限于此。
步骤203：以模型块内相邻顶点的映射点m为方向，获得当前顶点v与模型块的两个第二交点及其长度L。可以取正负两个方向的交点。
步骤204：通过最大化所述长度选取第一相邻顶点。
步骤205：根据顶点的映射点mi与第一相邻顶点的映射点mj获得顶点vi的方向ni，如图5所示。顶点用vi表示，i表示为顶点的索引，其映射点用mj表示，j表示为第一相邻顶点的索引，相邻顶点的数组表示为{topo}，ni由mi朝向mj。
步骤206：根据顶点的方向，对顶点进行分组，获得顶点组，如图6所示。分组时可以遍历模型块的所有顶点。
对顶点进行分组的方法包括：判断两个顶点方向的点乘是否大于第一阈值；若是，将两个顶点分在同一顶点组；若否，两个顶点分在不同的顶点组。
具体的，第一阈值取值为0.9，ni·nt>0.9，ni和nt分别表示两个不同的顶点。ni·nt结果为1是表明两个顶点的方向相同。为提高计算效率，可以计算待分组顶点与顶点组的顶点的点乘，若顶点组中大于第一阈值的顶点数超过第四阈值，则将待分组顶点分到所述顶点组，可避免顶点组中顶点方向出现离散的情况。每个顶点组可以组成一个矩形，每个矩形的方向形成为一块骨骼。
步骤S2中，还可以对顶点组进行分割：
步骤211：获得线段的垂直线，所述垂直线经过顶点组的顶点vi。即垂直线经过顶点、并与线段垂直。垂直线与线段的交点表示为qi，由qi指向vi，nq表示vi到qi的方向。
步骤212：获得垂直线与模型块的两个交点及其第一距离minl。其中，模型块为封闭模型，qi沿着nq正方向能与模型块交于一个交点，qi到这个点的距离为minl2，qi沿着nq负方向求得另外一个交点。这里有三个点的概念，线段的交点qi、以及模型块的两个交点，qi在这条线段的两个点之间，则minl= minl1+ minl2。其中，第一距离代表了顶点宽度。
步骤213：获得顶点组的第一距离集合{minl}。
步骤214：判断距离集合是否满足以下条件：第一距离集合的最小距离minA小于最大距离maxA的一半，即minA < maxA/2。
若满足，执行步骤211：根据第一距离集合的平均距离midA分割所述顶点组，获得多个顶点组。
若不满足，则维持所述顶点组。
如图7所示，引入第一距离/顶点宽度，根据顶点宽度对顶点组进行细分，根据顶点宽度对顶点组进行进一步细分，可保留更多的模型特征。
可选的，还可以合并顶点组端点的方法：
步骤221：判断两个顶点组的线段端点是否相邻。
若相邻，执行步骤222：合并相邻的两个端点。
以提高骨骼的生成效率。
步骤S3中，还包括建立骨骼父子关系的方法：
步骤S301：为线段的一个关节点赋予索引值。线段可以用AB表示，具有两个端点a和b,两个端点对应的顶点分别表示为：Va和Vb。关节点为顶点在线段上的映射点，具体为经过顶点的线段垂直线与线段的交点。关节点可以表示为：Dk，k为索引值。
步骤S302：获取与所述一个关节点的相邻关节点，依次赋予索引值并建立相邻关节点与所述一个关节点的父子关系。例如根节点表示为D0，则其子节点表示为D1。
步骤S303：获得已赋索引值关节点与未赋予索引值关节点的第二距离。已赋索引值关节点的集合表示为：{D}；未赋予索引值关节的集合为{C}；{C}中关节点赋索引值后，移到{D}。
步骤S304：通过最小化所述第二距离，从未赋予索引值关节点中选取第一关节点、从已赋索引值关节点中选取第二关节点。
步骤S305：为第一关节点赋予索引值、并建立第一关节点与第二关节点的父子关系。
步骤S306：直到线段的所有关节点都赋予索引值。
其次，获得相邻线段的关节点，执行步骤S302-S306，以定义相邻骨骼的父子关系。再次，获得相近线段的关节点，执行步骤S302-S306，以定义相近骨骼的父子关系。
步骤S4中，通过以下公式计算线段端点对顶点的权重：
irateA = 1.0 - len（ac·normalise(ab)（ab）’）/len（ab）
irateB = 1.0 – irateA
其中，irateA表示端点a对顶点c的权重，irateB表示端点b对顶点c的权重，ac表示为端点a到顶点c的方向向量，ab表示为端点ba到顶点c端点b的方向向量, （normalise(ab)表示端点a到端点b的方向向量的单位化，可以用normalise(ab)表示，normalise表示单位化） ·表示为两个向量点乘，len（）表示为取长度。
即每个线段的关节点和顶点存在对应关系，顶点的位置受到线段端点位置的变化影响。
误差点是一种与其它顶点关联较少的孤立点，其权重的计算方法包括：
步骤411：判断顶点数组的顶点数是否少于第二阈值，例如少于9。
若是，步骤412：所述顶点数组的顶点为孤立点。
若否，所述顶点数组的顶点为正常点。
步骤413：若与一个孤立点相邻孤立点的数量大于第三阈值，所述一个孤立点为误差点。如以孤立点为中心o，其具有多于3个相邻孤立点，则认为该孤立点为误差点。误差点与线段不存在对应关系，或者对应关系单一。
步骤414：将所述误差点相邻顶点的权重平均值作为误差点的权重。
本发明还提供一种用于并实现上述方法的系统，如图8所示，包括分块模块1、映射模块2、顶点分组模块3和骨骼构建模块4；
所述分块模块1用于对模型进行分块，获得模型块；
所述映射模块2用于获得模型块的顶点沿模型内部法线方向与模型块的第一交点；在所述顶点与第一交点之间建立映射点；
所述顶点分组模块3用于以模型块内相邻顶点的映射点为方向，获得所述顶点与模型块的两个第二交点及其长度；通过最大化所述长度选取第一相邻顶点；根据顶点的映射点与第一相邻顶点的映射点获得顶点的方向；基于顶点的方向，对顶点进行分组，获得顶点组；
所述骨骼构建模块4用于根据所述顶点组或其映射点组建立骨骼的线段。
所述系统还包括绑定模块5和蒙皮模块6，
所述绑定模块5用于建立骨骼父子关系；
所述蒙皮模块6用于计算骨骼端点对顶点的权重.
顶点分组模块3还用于顶点组分割：
获得经过顶点组顶点的线段垂直线；
获得垂直线与模型块的两个交点及其第一距离；
获得顶点组的第一距离集合；
判断距离集合是否满足以下条件：第一距离集合的最小距离小于最大距离的一半；
若满足，根据第一距离集合的平均距离分割所述顶点组。
本发明根据模型及模型块的轮廓走向，求解骨架/线段，并定义骨架的父子节点关系，生成蒙皮权重；提高骨骼建立的效率，所建立的骨骼可以很好的继承模型的特征。
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 (10)

1.一种基于模型生成骨骼的方法，其特征在于，包括以下步骤：
对模型进行分块，获得模型块；
获得模型块的顶点沿模型内部法线方向与模型块的第一交点；
在所述顶点与第一交点之间建立映射点；
以模型块内相邻顶点的映射点为方向，获得所述顶点与模型块的两个第二交点及其长度；
通过最大化所述长度选取第一相邻顶点；
根据顶点的映射点与第一相邻顶点的映射点获得顶点的方向；
根据顶点的方向，对顶点进行分组，获得顶点组；
根据所述顶点组或其映射点建立骨骼的线段。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括顶点组分割的方法：
获得线段的垂直线，所述垂直线经过顶点组的顶点；
获得垂直线与模型块的两个交点及其第一距离；
获得顶点组的第一距离集合；
判断距离集合是否满足以下条件：第一距离集合的最小距离小于最大距离的一半；
若满足，根据第一距离集合的平均距离分割所述顶点组。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括顶点组端点合并的方法：
判断两个顶点组的线段端点是否相邻；
若相邻，合并相邻的两个端点。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括建立骨骼父子关系的方法：
为线段的一个关节点赋予索引值；
获取与所述一个关节点的相邻关节点，依次赋予索引值并建立相邻关节点与所述一个关节点的父子关系；
获得已赋索引值所述关节点与未赋予索引值关节点的第二距离；通过最小化所述第二距离，从未赋予索引值关节点中选取预选第一关节点、从已赋索引值关节点中选取第二关节点；为预选第一关节点赋予索引值、并建立预选第一关节点与所述第二关节点的父子关系；直到线段所有关节点都赋予索引值。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括计算蒙皮权重的方法：
通过以下公式计算线段端点对顶点的权重：
irateA = 1.0 - len（ac·normalise(ab)）/len（ab）
irateB = 1.0 – irateA
其中，irateA表示端点a对顶点c的权重，irateB表示端点b对顶点c的权重，ac表示为端点a到顶点c的方向向量，ab表示为端点a到端点b的方向向量, normalise(ab) 表示端点a到端点b方向向量的单位化，·表示为两个向量点乘，len（）表示为取长度。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，还包括误差点权重计算方法：
判断顶点数组的顶点数是否少于第二阈值；
若是，所述顶点数组的顶点为孤立点；
若与一个孤立点相邻孤立点的数量大于第三阈值；
所述一个孤立点为误差点；
将所述误差点相邻顶点的权重平均值作为误差点的权重。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基于顶点的方向，对顶点进行分组的方法包括：
判断两个顶点方向的点乘是否大于第一阈值；
若是，将两个顶点分在同一顶点组。
8. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，映射点的计算公式表示为：
m=(v+p)/q
其中，m表示为映射点,v表示为顶点，p表示为第一交点，q表示为大于1的自然数。
9.一种基于模型生成骨骼的系统，其特征在于，用于实现如权利要求1-8任一项所述的方法，所述系统包括：分块模块、映射模块、顶点分组模块、骨骼构建模块；
所述分块模块用于对模型进行分块，获得模型块；
所述映射模块用于获得模型块的顶点沿模型内部法线方向与模型块的第一交点；在所述顶点与第一交点之间建立映射点；
所述顶点分组模块用于以模型块内相邻顶点的映射点为方向，获得所述顶点与模型块的两个第二交点及其长度；通过最大化所述长度选取第一相邻顶点；根据顶点的映射点与第一相邻顶点的映射点获得顶点的方向；基于顶点的方向，对顶点进行分组，获得顶点组；
所述骨骼构建模块用于根据所述顶点组或其映射点建立骨骼的线段。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，还包括绑定模块和蒙皮模块，
所述绑定模块用于建立骨骼父子关系；
所述蒙皮模块用于计算骨骼端点对顶点的权重；
顶点分组模块还用于顶点组分割：
获得经过顶点组顶点的线段垂直线；
获得垂直线与模型块的两个交点及其第一距离；
获得顶点组的第一距离集合；
判断距离集合是否满足以下条件：第一距离集合的最小距离小于最大距离的一半；
若满足，根据第一距离集合的平均距离分割所述顶点组。
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