KR101095860B1 - Method for shape deforming feature - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 인체 모델의 형상 변형 방법은, 인체 스캔 데이터 또는 폴리곤 인체 모델로 구성된 인체 모델 데이터를 입력받아 조인트-스켈레톤 골격 구조 기반 키 평면을 생성함과 더불어 생성된 키 평면의 특징점 기반 Nurbs 곡면으로 구성된 특징점 기반의 인체 모델 데이터를 생성하는 단계와, 다수의 특정 모션에서 조인트, 키 평면 및 키 평면 위의 특징점들의 파라미터에 관한 통계적 변형 정보를 생성하는 단계와, 특징점 기반의 인체 모델 데이터와 통계적 변형 정보를 이용하여 인체 모델 형상을 변형하고 애니메이션을 수행하는 단계를 포함한다.The shape deformation method of the human body model according to the present invention receives the human body model data composed of the human body scan data or the polygon human body model, generates a joint-skeleton skeleton structure-based key plane, and generates a nurbs surface based on the feature points of the generated key plane. Generating the anatomical model data based on the constructed feature points, generating statistical deformation information on the parameters of the joint points, the key planes and the feature points on the key planes in a plurality of specific motions, and And deforming the human body shape using the information and performing animation.
이와 같이, 본 발명은 조인트-스켈레톤(Joint-Skeleton) 구조의 특징점 기반 Nurbs 곡면 인체 모델을 이용하여 연기자의 모션을 캡쳐한 모션 캡쳐 데이터에 따라 인체 형상을 실시간에 사실적이고 자연스럽게 변형할 수 있다.As described above, the present invention can realistically and naturally transform the human body shape in real time according to the motion capture data capturing the actor's motion using the Nurbs curved human body model based on the feature of the joint-skeleton structure.
삼차원 인체 모델, Nurbs 곡면, 키 평면, 특징점, 통계적 변형 정보 3D human body model, Nurbs surface, key plane, feature point, statistical deformation information
Description
본 발명은 인체 모델 변형에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 삼차원 조인트-스켈레톤(Joint-Skeleton) 골격 구조와 각 조인트 사이의 키 평면(plane)들을 근사화한 키 평면 곡선과 키 평면 곡선들을 근사화한 Nurbs 곡면 모델을 특징적인 특정 모션에 대한 학습 데이터로부터의 곡면을 구성하는 키 평면과 키 평면 위 특징점들의 파라미터에 대한 통계적 변형 정보를 이용하여 자연스러운 여러 모션을 인체 모델의 형상 변형으로 자동 재현할 수 있는 인체 모델의 형상 변형 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a deformation of a human body model, and more particularly, a Nurbs surface that approximates key plane curves and key plane curves that approximate a three-dimensional joint-skeleton skeleton structure and key planes between the joints. The human body model that can automatically reproduce various natural motions as shape deformation of the human body model by using statistical deformation information on the key plane constituting the surface from the training data for the specific characteristic motion and the parameters of the feature points on the key plane. It relates to a shape deformation method of.
본 발명은 지식 경제부 및 정보통신진흥원의 IT 원천기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호:2008-F-030-01, 과제명: 방송융합형 Full 3D 복원 기술 개발(표준화연계)].The present invention is derived from a study conducted as part of the IT original technology development project of the Ministry of Knowledge Economy and the Ministry of Information and Communication Promotion. [Task management number: 2008-F-030-01, Task name: Development of broadcasting convergence type full 3D restoration technology ( Standardization)].
일반적으로 인체 형상 모델들은 컴퓨터 애니메이션 뿐만 아니라 삼차원 게임 등에서도 매우 중요한 역할을 하고 있다. 이러한 인체 모델의 애니메이션을 위해서 는 형상 변형이 가능한 인체 모델 생성이 선행되어야 하며, 인체 모델 생성은 애니메이션의 질에 중요한 요소로 작용한다. In general, human body models play a very important role in not only computer animation but also 3D games. In order to animate the human body model, the human body model that can be deformed must be created first, and the human body model is an important factor for the quality of the animation.
종래의 인체 모델 생성 기법들은 초기의 골격만을 모델링한 스틱(stick)모델, 인체의 외형을 곡면 패치들로 표현한 곡면(surface)모델, 인체를 구, 원기둥, 타원체 등의 조합으로 구성한 체적(volume)모델 등이 있다. 그러나 상기 모델들은 사실적인 외형을 표현하지 못하거나 모션에 따른 형상 변형이 자연스럽지 못하고, 형상 변형을 위해 많은 계산 시간이 필요하거나, 전문디자이너 등의 사용자의 수동적인 조작이 필요로 하는 등의 문제점이 있다. Conventional human body model generation techniques include a stick model modeling only the initial skeleton, a surface model representing the human body's appearance with curved patches, and a volume composed of a combination of spheres, cylinders, and ellipsoids. Model and so on. However, the models do not express realistic appearances, the shape deformation due to motion is not natural, a large amount of calculation time is required for shape deformation, or manual manipulation by a professional designer or the like. have.
최근에는 해부학적 특징을 반영한 근육 시뮬레이션 모델과 스켈레톤과 메쉬 구조로 되어있는 예제(Example) 데이터에 기반한 인터랙티브 Linear Blending Skinning 모델 등이 제안되었다. Recently, muscle simulation models reflecting anatomical features and interactive linear blending skinning models based on example data consisting of skeleton and mesh structures have been proposed.
종래의 인체 생성 모델 생성 기법은 비교적 사실적인 형상 변형이 가능한 모델이지만 계산 속도의 한계로 인한 실시간 수행의 어려움과 제작이 어렵고 미리 제작된 모델의 정확도와 이 모델들의 조합 정도에 따라 생성되는 애니메이션의 정확도가 결정되는 문제, 주요 관절에서 일어나는 'Candy-wrapper'와 같은 변형 가공물( Artifact)이 존재하는 문제점이 있다.Conventional human body generation model generation method is a model capable of relatively realistic shape deformation, but the difficulty of real-time execution due to the limitation of the calculation speed and the difficulty of production, the accuracy of animation generated according to the accuracy of the pre-made model and the combination of these models There is a problem in which a deformation artefact, such as 'Candy-wrapper', occurs at a major joint.
본 발명은 특징점 기반 Nurbs 곡면으로 구성된 인체 모델 데이터와 통계적 변형 정보를 이용하여 인체 모델 형상을 변형시켜 애니메이션을 수행한다.The present invention performs the animation by deforming the shape of the human model using the human body model data consisting of feature point-based Nurbs surface and statistical deformation information.
본 발명에 따른 인체 모델의 형상 변형 방법은, 인체 스캔 데이터 또는 폴리곤 인체 모델로 구성된 인체 모델 데이터를 입력받아 조인트-스켈레톤 골격 구조 기반 키 평면을 생성하고, 상기 생성된 키 평면의 특징점 기반 Nurbs 곡면으로 구성된 특징점 기반의 인체 모델 데이터를 생성하는 단계와, 신체 연결 부위에서 접힘, 팽창 또는 돌출의 현상이 나타나는 적어도 하나 이상의 특정 모션에서 조인트의 상위 계층 조인트에 대한 절대 위치 및 방향, 상기 키 평면의 위치 및 방향과 상기 키 평면 위의 특징점들의 파라미터를 이용하여 통계적 변형 정보를 생성하는 단계와, 상기 생성된 특징점 기반의 인체 모델 데이터와 상기 생성된 통계적 변형 정보를 이용하여 인체 모델 형상을 변형하고 애니메이션을 수행하는 단계를 포함한다.The shape deformation method of the human body model according to the present invention receives the human body model data composed of the human body scan data or the polygonal human body model, generates a joint-skeleton skeleton structure-based key plane, and generates the Nurbs surface based on the feature points of the generated key plane. Generating an anatomical model data based on the constructed feature points, an absolute position and orientation with respect to the upper layer joint of the joint, the position of the key plane and at least one specific motion in which the phenomenon of folding, inflation or protrusion occurs at the body connection site; Generating statistical deformation information by using a direction and parameters of the feature points on the key plane, and using the generated feature point-based human body model data and the generated statistical deformation information to deform the human body shape and perform animation. It includes a step.
본 발명은 조인트-스켈레톤(Joint-Skeleton) 구조의 특징점 기반 Nurbs 곡면 인체 모델을 이용하여 연기자의 모션을 캡쳐한 모션 캡쳐 데이터에 따라 자동으로 인체 형상을 변형시킴으로써, 인체 모션 중에 굽힘, 팽창, 돌출 등의 특정포즈를 나타내는 주요한 조인트와 해당되는 키 평면 및 특징점들의 파라미터에 대한 학습 데이터를 통해 통계적 변형 특징정보 모델을 이용하여 특징점 기반 Nurbs 곡면 인체 모델의 자동 형상 변형을 실시간에 사실적이고 자연스럽게 제공할 수 있다.The present invention uses the Nurbs curved body model based on the feature point of the joint-skeleton structure to automatically deform the human body shape according to the motion capture data that captures the actor's motion, thereby bending, inflating, and projecting the human body during motion. Through the training data on the key joints representing the specific poses and the parameters of the corresponding key planes and feature points, a statistical deformation feature model can be used to provide realistic and natural automatic shape deformation of the feature-based Nurbs surface human model in real time. .
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 아울러 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In addition, in describing the present invention, when it is determined that the detailed description of the related known configuration or function may obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 특징점 기반 인체 모델의 형상 변형 방법을 설명하기 위한 장치를 도시한 블록도이다.1 is a block diagram illustrating an apparatus for explaining a method of deforming a shape of a feature-based human model according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 특징점을 기반으로 한 인체 모델의 형상 변형을 실행하기 위한 장치는, 삼차원 인체 스캔 데이터 및 삼차원 폴리곤 메쉬로 구성된 인체 모델 데이터를 입력하는 입력부(100)와, 입력된 인체 모델 데이터를 이용하여 조인트-스켈레톤 골격 구조 기반으로 생성된 키 평면과 키 평면의 특징점 기반 Nurbs 곡면으로 구성된 특징점 기반 인체 모델 데이터를 생성하는 인체 모델 생성부(110)와, 여러 특정 모션에서 조인트 및 키 평면, 특징점들의 파라미터에 관한 통계적 변형 정보를 생성하는 통계적 변형 정보 생성부(120)와, 특징점 기반 인체 모델과 통계적 변형 정보에 기반한 인체 모델 형상 변형 및 애니메이션을 수행하는 변형 및 애니메이션부(130)로 구성된다.Referring to FIG. 1, an apparatus for performing shape deformation of a human body model based on a feature point includes an
도 2는 도 1에서의 특징점 기반 Nurbs 곡면 인체 모델을 생성하는 과정을 도시한 흐름도이다.FIG. 2 is a flowchart illustrating a process of generating a feature-based Nurbs curved human body model in FIG. 1.
도 2를 참조하면, 메쉬 인체 모델, 즉 메쉬 기반의 인체 모델 데이터가 입력(S200)되면, 인체 모델 생성부(110)는 인체 모델 데이터를 인체의 모션 정보로 수치화하여 부위별 조인트-스켈레톤 골격 구조를 생성하는데, 즉 아래의 표1과 같 이 인체의 각 부위별로 사용자가 총 m 개(예; 71개-좌우대칭으로 약 40여개 설정)의 랜드마크를 설정하여 스켈레톤 구조를 생성한다(S201). 예를 들어, 도 5는 조인트-스켈레톤 인체 모델로 초기 스켈레톤 구조를 생성하기 위해 사용자가 설정하는 랜드마크와 스켈레톤을 도시하였다.Referring to FIG. 2, when the mesh human body model, that is, the mesh-based human body model data is input (S200), the human
그런 다음, 인체 모델 생성부(110)는 생성된 스켈레톤 구조에서 몸통의 척추(spine)를 루트(root)로 하고, 각 부위별 주요 연결부위(어깨, 손목, 골반, 발목 부위)를 서브-루트(sub-root)로 하여 총 n 개(예; 68개)의 조인트를 갖는 계층적 조인트 구조를 생성한다(S202). Subsequently, the human body
이어서, 인체 모델 생성부(110)는 각 신체부위별로 생성된 조인트 혹은 조인트와 조인트 사이에 그 신체부위의 근육을 고려하여 외형을 잘 표현할 수 있는 위치에 키 평면을 설정한 후 그 평면 위에 존재하는 입력된 삼차원 폴리곤 인체 모델의 버텍스들의 집합에서 중심 위치를 계산하고, 그 중심점에서 기 설정된 간격, 예컨대 10° 간격으로 존재하는 l개의 버텍스를 찾아 키 평면의 특징점으로 설정한 후 설정된 특징점들을 B-spline 보간하여 키 평면 곡선을 생성한다(S203).Subsequently, the human body
그리고 나서, 인체 모델 생성부(110)는 키 평면 곡선을 각 신체부위별로 Nurbs 보간하여 키 평면 곡면을 생성하고(S204), Nurbs 곡면 기반 인체 모델의 외형을 생성한다. Then, the human body
마지막으로, 인체 모델 생성부(110)는 생성된 Nurbs 곡면을 기반으로 각 키 평면 곡선과 입력된 메쉬 인체 모델의 각 버텍스들의 변위(displacement)에 대한 종속관계를 설정하는 스킨 버텍스 연결 과정(S205)을 거쳐 키 평면과 특징점을 제어하여 형상을 변형시킬 수 있는 특징점 기반 Nurbs 곡면 인체 모델을 생성한다(S206).Finally, the human body
도 3은 도 1에서의 통계적 변형 정보를 생성하는 과정을 도시한 흐름도이다.3 is a flowchart illustrating a process of generating statistical deformation information in FIG. 1.
도 3을 참조하면, 통계적 변형 정보 생성부(120)는 주요 신체연결부위인 어깨, 팔꿈치, 손, 목, 무릎, 발목 등에서 접힘, 팽창, 돌출 등의 현상이 잘 나타나는 여러 인체 특정모션 정보를 생성하고(S301), 특정모션을 수행한 삼차원 인체 스캔 데이터 혹은 전문디자이너가 특정모션을 자연스럽게 표현한 도 2의 과정을 통해 생성된 특징점 기반 Nurbs 곡면 인체 모델 데이터를 입력받는다(S302).Referring to FIG. 3, the statistical deformation
이후, 통계적 변형 정보 생성부(120)는 특정모션에 이용되는 인체 모델의 성별, 근육특성 및 형상 등과 같은 인체의 고유특성을 반영한 t 개의 다양한 인체 학습 데이터를 획득(S303)한다.Thereafter, the statistical
그런 다음, 통계적 변형 정보 생성부(120)는 각 특정모션에서 주요연결부위 조인트의 상위계층 조인트에 대한 계층적 절대 위치 및 방향 파라미터 데이터와 각 키 평면의 위치, 방향 및 키 평면 위의 특징점들의 파라미터 데이터를 획득하는데(S304), 즉 S303에서 획득한 학습 데이터에 대해 반복 수행하여 파라미터 데이터를 획득한다. Then, the statistical deformation
그리고 나서, 통계적 변형 정보 생성부(120)는 획득한 파라미터 데이터를 이용하여 통계적 특징 정보를 계산한다. Then, the statistical deformation
다시 말해서, S303에서 획득한 t 개의 학습 데이터에서 주요연결부위 조인트의 상위 계층 조인트에 대한 절대적인 위치, 방향 파라미터, 각 키 평면의 위치, 방향 및 키 평면 위의 특징점 위치들에서 파라미터 데이터의 변화를 이용하여 통계적 특징 정보로 계산한다(S305). In other words, in the t training data obtained in S303, the absolute position, the direction parameter, the position of each key plane, the direction and the feature point positions on the key plane are used for the upper layer joint of the main joint joint. By calculating the statistical feature information (S305).
마지막으로, 통계적 변형 정보 생성부(120)는 S305에서 계산된 통계적 특징 정보로부터 주성분 분석(PCA : Principal Component Analysis)을 통해 특징정보들의 평균값과 각 특징정보들의 분산 모델, 즉 통계적 변형 정보 생성(S306)하고, 이렇게 생성된 통계적 변형 정보는 변형하고자 하는 특징점 기반 Nurbs 곡면 인체 모델을 자동으로 자연스럽게 변형하는 과정에 이용된다.Finally, the statistical deformation
도 4는 도 1에서의 특징점 기반 Nurbs 곡면 인체 모델의 형상 변형 및 애니메이션 과정을 도시한 흐름도이다.FIG. 4 is a flowchart illustrating a shape deformation and animation process of the feature-based Nurbs curved human body model of FIG. 1.
도 4를 참조하면, 변형 및 애니메이션부(130)는 인체 모델 생성부(110)에서 생성된 특징점 기반 Nurbs 곡면 인체 모델과 통계적 변형 정보 생성부(120)에서 생성된 통계적 변형 특징정보 모델을 입력받음과 더불어 인체 모델을 애니메이션 하고자하는 특정모션에 대한 모션 캡쳐 데이터를 입력받는다(S401). Referring to FIG. 4, the deformation and
그런 다음, 변형 및 애니메이션부(130)는 입력된 특징점 기반 Nurbs 곡면 인체 모델의 각 조인트를 입력받은 모션 캡쳐 데이터를 통해 조인트의 위치 및 회전에 대한 변형을 수행하고(S402), 변형된 각 조인트에 따라 각 키 평면과 특징점을 변형하여 키 평면 곡선을 재생성한다(S403). 이때, 인체가 특정포즈(Pose)에 대해 갖는 스킨의 접힘, 근육의 팽창, 돌출 등의 특징은 변형하고자하는 특징점 기반 Nurbs 곡면 인체 모델의 성별, 근육특성, 형상 등을 가중치로 반영한 외형 파라미터 와, 주요연결부위 조인트의 상위 계층 조인트에 대한 절대적 위치, 회전 파라미터를 가중치로 반영한 조인트 파라미터, 키 평면 의 위치 , 방향 , 크기(키 평면 위의 특징점들 를 반영하는 입력된 통계적 변형 특징정보 모델의 아래의 수학식1로부터 키 평면 및 특징점을 재계산(S404)한다. 예를 들어, 도 6에 도시된 바와 같이, Nurbs 곡면 모델의 팔 부위는 키 평면 및 특징점을 보간하여 생성하는데, 즉 특징점을 보간하여 생성한 키 평면 곡선, 키 평면 곡선을 보간하여 생성한다.Then, the deformation and
여기서, 는 각각 학습 데이터로부터 얻은 각 키 평면 들의 평균 위치 벡터, 평균 방향 벡터, 평균 크기 벡터들을 나타내고, P는 각각 학습 데이터로부터 얻은 특징정보들의 공분산 행렬의 고유벡터 행렬로 모양 변이의 편차 모드를 규정하고, b는 모델 계수의 벡터로 평균 모양으로부터 변이 정도를 조정한다.here, Represents an average position vector, an average direction vector, and an average magnitude vector of each of the key planes obtained from the training data, respectively, P is an eigenvector matrix of the covariance matrix of feature information obtained from the training data, respectively, and defines the variation mode of the shape variation. b is a vector of model coefficients that adjust the degree of variation from the mean shape.
변형 및 애니메이션부(130)는 재계산된 키 평면과 특징점을 기반으로 Nurbs곡면을 보간하여 특정 포즈에 맞도록 인체 모델 형상을 변형하고, 이러한 과정을 모든 프레임에 대해 반복하여 인체 모델 애니메이션을 수행한다(S405). 이에 따 라, 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명에 관한 주요 조인트에서 특정포즈를 취했을 때 부드럽게 변형된 효과를 나타낸다.The deformation and
지금까지 본 발명의 실시예에 국한하여 설명하였으나 본 발명의 기술이 당업자에 의하여 용이하게 변형 실시될 가능성이 자명하다. 이러한 변형된 실시 예들은 본 발명의 특허청구범위에 기재된 기술사상에 포함된다고 하여야 할 것이다.The present invention has been limited to the embodiments of the present invention, but it is obvious that the technology of the present invention can be easily modified by those skilled in the art. Such modified embodiments should be included in the technical spirit described in the claims of the present invention.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 특징점 기반 인체 모델의 형상 변형 방법을 설명하기 위한 장치를 도시한 블록도이며,1 is a block diagram illustrating an apparatus for explaining a method for deforming a shape of a feature-based human model according to an embodiment of the present invention.
도 2는 도 1에서의 특징점 기반 Nurbs 곡면 인체 모델을 생성하는 과정을 도시한 흐름도이며,FIG. 2 is a flowchart illustrating a process of generating a feature-based Nurbs curved human body model in FIG. 1.
도 3은 도 1에서의 통계적 변형 정보를 생성하는 과정을 도시한 흐름도이며,3 is a flowchart illustrating a process of generating statistical deformation information in FIG. 1;
도 4는 도 1에서의 특징점 기반 Nurbs 곡면 인체 모델의 형상 변형 및 애니메이션 과정을 도시한 흐름도이며,FIG. 4 is a flowchart illustrating a shape deformation and animation process of the feature-based Nurbs curved human body model of FIG. 1.
도 5는 본 발명에 관한 조인트-스켈레톤 인체 모델을 나타내는 설명도로 초기 스켈레톤 구조를 생성하기위해 사용자가 설정하는 랜드마크와 스켈레톤을 도시한 도면이며,FIG. 5 is an explanatory diagram illustrating a joint-skeleton human body model according to the present invention, illustrating landmarks and skeletons set by a user to generate an initial skeleton structure;
도 6은 본 발명에 관한 키 평면 및 특징점과 특징점을 보간하여 생성한 키 평면 곡선, 키 평면 곡선을 보간하여 생성한 Nurbs 곡면 모델의 팔 부위를 도시한 도면이며,FIG. 6 is a diagram showing an arm plane of a key plane, a key plane curve generated by interpolating a feature point, and a feature point, and a Nurbs surface model generated by interpolating a key plane curve according to the present invention.
도 7은 본 발명에 관한 주요 조인트에서 특정포즈를 취했을 때 부드럽게 변형된 효과를 도시한 도면이다.7 is a view showing a smoothly deformed effect when a particular pose is taken in the main joint according to the present invention.
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