KR20030040701A - Estimation method of deformation of three dimension polyhedral surfaces - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 다면체 표현 기술에 관한 것으로 특히, 3차원 다면체 표면의 변형 추정 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a polyhedral representation technique, and more particularly, to a method for estimating deformation of a three-dimensional polyhedron surface.
일반적으로 2차원의 이미지 프레임 또는 프레임 시퀀스는 정적 상태나 동적 상태(dynamic)의 3차원 대상물을 표현할 수 있다.In general, a two-dimensional image frame or frame sequence may represent a static or dynamic three-dimensional object.
그런데, 2차원 이미지 프레임은 대상물의 한 단면만을 보이며, 깊이(depth) 정보는 부족하다.However, the two-dimensional image frame shows only one cross section of the object and lacks depth information.
따라서, 컴퓨터 비전 및 컴퓨터 애니메이션에서 3차원의 대상을 묘사하기 위하여 다면체의 표면(polyhedral surface)을 폭 넓게 사용한다.Therefore, polyhedral surfaces are widely used to describe three-dimensional objects in computer vision and computer animation.
그리고, 움직이는 3차원 물체에 관한 시각 특성을 전달하기 위해서는 물체의 형상과 동작에 대한 정보를 필요로 한다.In addition, in order to transmit visual characteristics of a moving 3D object, information about the shape and motion of the object is required.
이러한 대상물 중 하나는 여러 가지 표정을 가진 인간의 얼굴이다.One of these objects is the human face with various expressions.
인간의 얼굴을 다면체의 표면들을 사용하여 모델링할 때, 다양한 표정의 변화를 표현하기 위해서는 얼굴 표면을 정교하게 변형할 필요가 있으며, 간혹 수동적으로 표면을 변형시켜주어야 하는 경우도 있다.When modeling a human face using polyhedral surfaces, it is necessary to precisely modify the face surface in order to express various facial expression changes, and sometimes it is necessary to manually modify the surface.
그러나, 움직임 물체를 다면체의 표면으로 표현할 때 수동으로 표면을 변형시켜야 하는 경우 정교하지 않으며, 또 다른 부담이 요구되어지기 때문에 제한된분야에만 사용되는 문제점이 있다.However, when a moving object is represented by the surface of a polyhedron, the surface must be manually deformed, which is not precise, and there is a problem that only a limited burden is used.
그러므로, 다면체 표면의 변형을 자동적으로 추정하는 것을 필요로 하게 된다.Therefore, it is necessary to automatically estimate the deformation of the polyhedral surface.
따라서, 본 발명은 다면체 표면의 자유형 변형(free-form motion)을 자동으로 추정하여 특정 움직임을 가지는 객체의 변화되는 표면을 정확히 나타내도록 창안한 3차원 다면체의 변형 추정 방법을 제공함에 목적이 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a method for estimating deformation of a three-dimensional polyhedron, which is designed to automatically estimate free-form motion of a polyhedral surface to accurately represent a changing surface of an object having a specific motion.
도1는 큰 변위에 의한 투영의 일그러짐을 나타낸 예시도.1 is an exemplary view showing distortion of a projection due to a large displacement.
도2는 정점의 분리를 나타낸 예시도.2 is an illustration showing separation of vertices.
도3 내지 도7은 본 발명의 실시예에서 노말 상태로부터 'Za' 발음시의 변형 추정을 나타낸 예시도로서,3 to 7 are exemplary diagrams illustrating deformation estimation when a 'Za' is pronounced from a normal state in an embodiment of the present invention.
도3a~도3d는 단순화된 입력메시가 300 faces 와 168 vertices를 가지는 기본레벨(base level)에서 변위 필드 영역 추정을 나타낸 것이고,3A-3D show displacement field area estimates at the base level with a simplified input mesh having 300 faces and 168 vertices,
도4a~4d는 단순화된 입력메시가 500 faces 와 275 vertices를 가지는 레벨에서 변위 필드 영역 추정을 나타낸 것이며,4A-4D show displacement field area estimates at a level where the simplified input mesh has 500 faces and 275 vertices,
도5a~도5d는 단순화된 입력메시가 1000 faces 와 534 vertices를 가지는 레벨에서 변위 필드 영역 추정을 나타낸 것이고,5A-5D show the displacement field area estimation at a level where the simplified input mesh has 1000 faces and 534 vertices,
도6a~도6d는 단순화된 입력메시가 2000 faces 와 1047 vertices를 가지는 레벨에서 변위 필드 영역 추정을 나타낸 것이며,6A-6D show the displacement field area estimation at a level where the simplified input mesh has 2000 faces and 1047 vertices,
도7a~도7d는 단순화된 입력메시가 2000 faces 와 1047 vertices를 가지는 레벨에서 변위 필드 영역 추정결과로부터 더 세밀한 레벨 5000 faces와 2566 vertices를 가지는 레벨에서의 변위 필드 영역 추정을 나타낸 것이다.7A-7D show displacement field area estimation at a level with finer level 5000 faces and 2566 vertices from the result of displacement field area estimation at a level where the simplified input mesh has 2000 faces and 1047 vertices.
도8 내지 도12는 본 발명의 실시예에서 "Ze" 발음에서 "Zui" 발음을 할 때의 형상에 대한 변형 추정을 나타낸 것으로,8 to 12 show the deformation estimation of the shape when the "Zui" pronunciation in the "Ze" pronunciation in the embodiment of the present invention,
도8a~도8d는 단순화된 입력메시가 300 faces 와 168 vertices를 가지는 레벨에서 변위 필드 영역 추정을 나타낸 것이고,8A-8D show the displacement field area estimation at the level where the simplified input mesh has 300 faces and 168 vertices,
도9a~도9d는 단순화된 입력메시가 500 faces 와 275 vertices를 가지는 레벨에서 변위 필드 영역 추정을 나타낸 것이며,9A-9D show the displacement field area estimation at a level where the simplified input mesh has 500 faces and 275 vertices,
도10a~도10d는 단순화된 입력메시가 1000 faces 와 534 vertices를 가지는 레벨에서 변위 필드 영역 추정을 나타낸 것이고,10A-10D show the displacement field area estimation at a level where the simplified input mesh has 1000 faces and 534 vertices,
도11a~도11d는 단순화된 입력메시가 2000 faces 와 1047 vertices를 가지는 레벨에서 변위 필드 영역 추정을 나타낸 것이며,11A-11D show the displacement field area estimation at a level where the simplified input mesh has 2000 faces and 1047 vertices,
도12a~도12f는 단순화된 입력메시가 2000 faces 와 1047 vertices를 가지는 레벨에서 변위 필드 영역 추정결과로부터 더 세밀한 레벨 5000 faces와 2566 vertices를 가지는 레벨에서의 변위 필드 영역 추정을 나타낸 것이다.12A-12F show displacement field area estimation at a level with finer level 5000 faces and 2566 vertices from the result of displacement field area estimation at a level where the simplified input mesh has 2000 faces and 1047 vertices.
도13은 본 발명의 실시예에서 특정 움직임에 따른 입력 메시의 변형을 나타내는 동작 순서도.FIG. 13 is an operational flowchart showing deformation of an input mesh according to a specific movement in an embodiment of the present invention. FIG.
본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위하여 복잡한 표면의 변화를 효과적으로 추정하기 위하여 다중해상도 기법을 사용하며, 각각의 해상도에서는 움직임을 효과적으로 추정하기 위하여 새로운 에너지 함수를 사용하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the present invention uses a multiresolution technique for effectively estimating complex surface changes, and uses a new energy function for effectively estimating motion at each resolution.
즉, 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 변형시키고자 하는 복잡한 형태의 입력 메시(input mesh)와 최종적으로 변형될 형태를 가지고 있는 표적 메시(target mesh)에 대해 단순화(simplification) 과정을 거쳐 기본 입력 메시와 기본 참조 메시를 최대한으로 거친 메시(coarsest mesh)로 생성하는 단계와, 기본 입력 메시와 기본 참조 메시로부터 기본 입력 메시의 각 정점(vertex)의 3차원 이동으로 표현되는 움직임 벡터 필드(motion vector field)를 검출하여 3차원 움직임을 추정하는 단계와, 상기 기본 입력 메시와 기본 참조 메시의 해상도(resolution)를 증가시키면서 상기에서 추정된 3차원 움직임을 참조하여 새로이 움직임을 예측하고 이를 지역적인 기하적 구조를 조절하기 위한 stiffness 상수와 메시 표면을 평탄화하기 위한 fairness 상수를 변형한 에너지 함수를 최소화시키면서 보정하는 단계와, 상기단계에서 보정된 예측 움직임을 참조하여 기본 참조 메시 표면 상의 여러 점들을 기본 입력 메시의 표면으로 투영하여 고해상도의 메시로 변형하는 단계와, 상기에서 변형된 고해상도의 메시가 미리 설정된 조건을 만족할 때까지 상기 단계를 반복 수행하는 것을 특징으로 한다.That is, in order to achieve the object of the present invention, a basic input mesh is subjected to a simplification process for a complex input mesh to be deformed and a target mesh having a form to be finally deformed. And generating the base reference mesh as a coarsest mesh, and a motion vector field represented by three-dimensional movement of each vertex of the base input mesh from the base input mesh and the base reference mesh. Estimating the three-dimensional motion by detecting the three-dimensional motion, and predicting the new motion by referring to the three-dimensional motion estimated by increasing the resolution of the basic input mesh and the basic reference mesh and using the local geometric structure. Minimizing the stiffness constant to control the energy function and the fairness constant to smooth the mesh surface A step of correcting, projecting various points on the base reference mesh surface to the surface of the base input mesh with reference to the predicted movement corrected in the above step, and deforming to a high resolution mesh; Repeating the above steps until the condition is satisfied.
상기에서 고해상도 메시로의 추정 변형 투영시 두 메시간의 차이가 크고 동시에 메시의 형상이 복잡한 경우 일치점간의 두 점에서의 표면에 수직하는 벡터인 접선(normal vector)이 일반적으로 방향이 유사하기 때문에 참조메시의 한 점()에서의 접선()과 입력메시 상의 일치점()은 입력메시 상의 임의의 점()에 대하여 아래 식과 같은 조건을 만족하도록 구성하는 것을 특징으로 한다.When the estimated deformation projection to the high resolution mesh is large and the mesh is complex at the same time, the normal vector, which is a vector perpendicular to the surface at two points between coincidence points, is generally similar in direction. A point on the mesh ( Tangent at) ) And the match point in the input message ( ) Is any point on the input mesh ( ) Is configured to satisfy the following conditions.
상기 식에서는에서의 접선이고,는 주어진 임계값이다.In the above formula Is Is the tangent to Is the given threshold.
또한, 상기에서 정점변위의 추정 투영시 동일한 가중치에 의한 일부 투영점을 갖는 면들에서의 부정확한 변형을 방지하기 위하여 추정 변형 투영시 아래 식과 같은 가중 인수를 적용하여 투영 효과를 향상시키도록 구성함을 특징으로 한다.In addition, in order to prevent inaccurate deformation in planes having some projection points by the same weight in the estimation projection of the vertex displacement, a weighting factor such as the following expression is applied in the estimation deformation projection to improve the projection effect. It features.
그리고, 상기에서 세분화 메시에서의 움직임 추정은 stiffness 상수와 fairness 상수를 고려한 전체 에너지 함수로 표현할 수 있으며 이는 아래 식과 같은 연산으로 표현됨을 특징으로 한다.In addition, the motion estimation in the subdivided mesh may be expressed as a total energy function in consideration of the stiffness constant and the fairness constant, which may be expressed by the following equation.
상기에서 stiffness 상수()는 고해상도로 갈수록 감소시키고 fairness 상수()는 고해상도로 갈수록 증가시키는 것을 특징으로 한다.Where stiffness constant ( ) Decreases toward higher resolutions and the fairness constant ( ) Increases as the resolution increases.
상기 fairness 상수()는 stiffness 상수()는보다 작은 값을 갖도록 함을 특징으로 한다.The fairness constant ( ) Is the stiffness constant ( ) Is characterized by having a smaller value.
이하, 본 발명을 도면에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
우선, 복잡한 형태를 가지는 변형하고자 하는 입력 메시와 최종적으로 변형될 형태를 가지고 있는 타겟 메시 각각에 대해 메시 단순화 과정을 실행하여 최대한으로 거친 메시(coarce mesh)를 생성한다.First, a mesh simplification process is performed for each input mesh to be deformed and the target mesh to be finally deformed to generate a coarse mesh as maximum as possible.
이때, 메시 단순화 과정으로 생성된 최대한 거친 입력 메시를 기본 입력 메시라 하고 최대한 거친 타겟 메시를 기본 참조 메시라 한다.In this case, the roughest input mesh generated by the mesh simplification process is called a basic input mesh, and the roughest target mesh is called a basic reference mesh.
일반적으로 기본 참조 메시는 기본 입력 메시보다 약간 많은 면(face)과 정점(vertex)를 가지고 있어야 한다.In general, the base reference mesh should have slightly more faces and vertices than the base input mesh.
상기 메시 단순화 과정에는 edge-collapse 방법을 적용할 수 있다.An edge-collapse method may be applied to the mesh simplification process.
이러한 edge-collapse 방법을 적용한 메시 단순화 과정은 모든 정점의 위치를 계산하는 단계와, 모든 정점에 대해 유효쌍을 선택하는 단계와, 상기에서 선택된 유효쌍에 대해 새로운 위치를 계산하여 해당 유효쌍을 힙(heap)에 정렬시키는 단계를 반복하여 에지를 감축시키도록 하는 것이다.The mesh simplification process using the edge-collapse method calculates positions of all vertices, selects valid pairs for all vertices, calculates new positions for the selected valid pairs, and heaps the valid pairs. Repeat the step of aligning (heap) to reduce the edge.
이후, 기본 입력 메시와 기본 참조 메시를 비교하여 임의의 움직임에 대한 변형 변위를 추정하게 된다.Then, by comparing the base input mesh and the base reference mesh to estimate the deformation displacement for any movement.
그런데, 3차원 대상물을 표현하기 위한 여러 변형은 다면체 메시를 이용하여 자유형 변형으로 표현할 수 있는데, 자유형 변형은 메시의 각 정점(vertex)과 밀접하게 관련된 변형이다.However, various deformations for expressing a 3D object may be expressed as a freeform deformation using a polyhedron mesh, which is closely related to each vertex of the mesh.
각 정점과 밀접하게 관련된 변형이란 하나의 메시의 정점이 다른 메시에서의 대응되는 점으로 이동하는 것을 의미한다.Closely related to each vertex means that the vertices of one mesh are moved to their corresponding points in the other mesh.
즉, 두 개의 메시가 서로 다른 위상 구조를 갖는 경우 한 메시의 정점은 다른 메시의 정점에 대응되는 것이 아니라 표면(face) 상에서 하나의 점으로 대응될 수 있다.That is, when two meshes have different phase structures, the vertices of one mesh may correspond to one point on a surface instead of the vertices of another mesh.
따라서, 본 발명에서는 기본 입력 메시의 정점으로부터 기본 참조 메시의 정점으로 대응시킬 때 관련된 정점들 간의 거리를 최소화하기 위한 변형 변위 추정을 어파인 변환 추정과 가중 최소 제곱 방법을 이용한 자유형 모션(motion) 추정으로 구분하여 실행하게 되며, 이를 설명하면 다음과 같다.Therefore, in the present invention, the deformation displacement estimation for minimizing the distance between the vertices associated with the vertices of the basic input mesh from the vertices of the basic input mesh is based on the affine transformation estimation and the weighted least square method. It is executed by dividing it into the following description.
우선, 어파인 변환 추정(Estimation of global affine transformation)에 대하여 설명하기로 한다.First, the estimation of global affine transformation will be described.
두 개의 메시가 약간 다를 때(slightly diffrent) 두 메시 상에서의 최대 근접 포인트(closest point)는 대응되는 포인트들로 간주된다.When the two meshes are slightly diffrent, the maximum closest point on the two meshes is considered as the corresponding points.
한 메시를 다른 메시에 가능한 근사적으로 변형하기 위해서는 많은 관련된 포인트들 사이의 거리를 반복적으로 최소화하여야 한다.In order to deform one mesh as closely as possible to another mesh, it is necessary to repeatedly minimize the distance between many related points.
본 발명의 실시 예에서는 정밀한 바디 모션(rigid body motion)의 추정을 위하여 ICP 알고리즘을 적용한다.In an embodiment of the present invention, an ICP algorithm is applied to accurately estimate a rigid body motion.
ICP 알고리즘은 다음의 과정으로 실행된다.The ICP algorithm is executed by the following process.
(a). 베이스 참조 메시 상의 각 포인트에 대한 최대근접 점(spot)을 베이스 입력 메시 상에서 찾는다.(a). Find the closest spot on each base input mesh for each point on the base reference mesh.
(b). 어파인 변환 행렬(affine transform matrix)을 계산한다.(b). Compute the affine transform matrix.
(c). 상기에서 계산된 어파인 변환행렬을 이용하여 베이스 행렬(base matrix)을 변형한다.(c). The base matrix is modified by using the affine transformation matrix calculated above.
(d). 대상 함수(objective function)의 값을 계산한다.(d). Calculate the value of the objective function.
(e). 만일, 계산된 값의 변화가 설정된 임계값보다 큰 경우 상기 과정을 반복하며 반대로, 계산된 값의 변화가 설정된 임계값보다 작을 경우 상기 과정의 반복을 중지한다.(e). If the change of the calculated value is larger than the set threshold, the process is repeated. On the contrary, if the change of the calculated value is smaller than the set threshold, the process is repeated.
ICP 알고리즘은 B.K.P. Horn에 의해 제안된 방법을 예를 들어 간단히 설명하기로 한다.The ICP algorithm is described in B.K.P. The method proposed by Horn will be briefly described as an example.
우선, 아래의 [수학식 1]을 최소화하기 위한 순환 구간(rotation term)(r)과 천이 구간(translation term)(d)을 추정한다.First, a rotation term (r) and a transition term (d) are estimated to minimize Equation 1 below.
여기서, xi와 pi는 두 개의 최대근접 포인트이다.Where xi and pi are the two closest points.
이때, 참조 메시의 다수 포인트 셋()의 중심()과 입력 메시의 다수 포인트 셋()의 중심()은 아래의 [수학식 2]와 같이 각기 정의된다.At this time, the multiple point set of the reference mesh ( Center of ) And a multipoint set of input meshes ( Center of ) Are defined as shown in [Equation 2] below.
또한, 입력 메시의 포인트 셋()과 참조 메시의 포인트 셋() 사이의 공분산 행렬(covariance matrix)은 다음의 [수학식 3]과 같이 정의된다.Also, the point set of the input mesh ( ) And the point set of the reference mesh ( The covariance matrix between) is defined as in Equation 3 below.
여기서,은 비대칭적인 행렬(A)의 주기적인 성분이다.here, Is the periodic component of the asymmetric matrix (A).
그리고, 아래의 [수학식 4)와 같이 표현되는 대칭 행렬(symmetric matrix)을 형성하는 열벡터()를 정의한다.A column vector forming a symmetric matrix represented by Equation 4 below ).
상기 대칭 행렬()의 최대 Eigen 값에 대응하는 unit Eigen 벡터는 순환 행렬(r)에 대한 정보를 가진다.The symmetric matrix ( The unit Eigen vector corresponding to the maximum Eigen value of) has information about the circulant matrix r.
순환 행렬(rotation matrix)(r)은 아래의 [수학식 5]와 같이 표현된다.The rotation matrix (r) is expressed by Equation 5 below.
따라서, 천이 벡터(translation vector)(d)는 아래의 [수학식 6]과 같이 표현하게 된다.Therefore, the translation vector (d) is expressed as Equation 6 below.
다음으로, 가중 최소 제곱방법을 이용한 자유형 모션 추정(Estimation of free-form motion using weighted least square method)에 대하여 설명하기로 한다.Next, an estimation of free-form motion using weighted least square method will be described.
대부분의 메시 변형은 메시의 글로벌 어파인 변환(global affine transform)과 각 정점의 로컬 변위(local displacement)를 이용하여 표현될 수 있다.Most mesh deformations can be represented using the global affine transform of the mesh and the local displacement of each vertex.
이 경우, 글로벌 어파인 변환은 크고 정밀한 움직임(large rigid movement)을 나타내고, 로컬 변위는 작은(small) 자유형 변형을 나타낸다.In this case, the global affine transformation represents a large rigid movement and the local displacement represents a small freeform deformation.
입력 메시의 모든 각 정점에서 정의된 변위 필드(displacement field)를 이용하여 메시의 변형을 표현함에 있어서, 변형되는 메시는 아래의 [수학식 7]과 같이 나타낼 수 있다.In expressing deformation of the mesh by using a displacement field defined at all vertices of the input mesh, the mesh to be deformed may be expressed as in Equation 7 below.
만일, 두 개의 메시가 다른 위상 구조를 가진다고 가정할 때 입력 메시가 참조 메시로 정확히 변형된다면 참조 메시에서의 포인트와 그의 입력 메시에서의 최대 근접 포인트 사이의 거리는 매우 작아질 것이다.If we assume that the two meshes have different phase structures, then the distance between the point in the reference mesh and the maximum proximity point in its input mesh will be very small if the input mesh is correctly transformed into the reference mesh.
이때, 참조 메시에서의 포인트와 입력 메시에서의 최대근접 포인트 사이의 거리는 정확히 '0'이 되기 어려운데, 이는 두 개의 메시가 서로 다른 위상 구조를 갖기 때문이다.At this time, the distance between the point in the reference mesh and the closest point in the input mesh is difficult to be exactly '0', because the two meshes have different phase structures.
따라서, 메시 변형의 추정에 대한 대상 함수(objective function)는 아래의 [수학식 8]과 같이 정의된다.Therefore, the objective function for the estimation of the mesh deformation is defined as in Equation 8 below.
여기서, vi는 입력 메시의 정점이고, di는 입력 메시의 정점(vi)의 변위이며,는 입력 메시에 투영하려는 정점이고,는가 투영된 입력 메시상의 한면에 위치한 점(spot)이다.Where v i is the vertex of the input mesh, d i is the displacement of the vertex v i of the input mesh, Is the vertex you want to project onto the input mesh, Is Is a spot located on one side of the projected input mesh.
그리고,는 정의된 입력 메시의 각 정점에서의 변위 필드이다.And, Is the displacement field at each vertex of the defined input mesh.
이러한 방정식은 conjugated gradient method를 사용하여 풀 수 있다.This equation can be solved using the conjugated gradient method.
이후, 상기와 같은 과정으로 변형 변위를 추정하면 추정된 각 정점에서의 움직임 벡터를 사용하여 입력 메시의 각 정점을 이동시켜서 입력 메시를 변형시킨다.Then, when the deformation displacement is estimated by the above process, the input mesh is deformed by moving each vertex of the input mesh using the estimated motion vector at each vertex.
그런데, 투영(projection)시 최대 근접 포인트를 대응 포인트라고 가정하면대응 포인트()는 아래의 [수학식 9]와 같이 선택된다.However, assuming that the maximum proximity point is the corresponding point during projection, the corresponding point ( ) Is selected as shown in Equation 9 below.
여기서, po는 한 메시에서의 포인트이고, pi,pj는 다른 메시에서의 포인트이다.Where p o is a point in one mesh and pi, pj is a point in another mesh.
이때, 대부분의 정점 변위 추정은 타겟 메시 상의 많은 포인트들이 정점에 연결된 면에 투영되는지에 의존한다.Most vertex displacement estimates then depend on whether many points on the target mesh are projected onto the plane connected to the vertices.
만일, 메시의 일부분이 큰 움직임을 갖는 경우 최대 근접 포인트는 대응 포인트가 아니며 또한, 그 추정은 정확하게 이루어질 수 없다.If a portion of the mesh has a large movement, the maximum proximity point is not the corresponding point and the estimation cannot be made accurately.
따라서, 본 발명에서는 상기 문제를 해결하기 위해 유사성을 갖는 두 개의 대응 포인트의 노멀 벡터(normal vector)를 이용한다.Therefore, the present invention uses a normal vector of two corresponding points having similarities to solve the above problem.
즉, 상기 [수학식 9]를 아래의 [수학식 10]과 같은 특징을 갖도록 수정한다.That is, [Equation 9] is modified to have the same characteristics as [Equation 10] below.
다시 말해서, 참조메시 표면상의 여러 점들을 입력 메시의 표면에 투영(projection)시켜서 일치점(corresponding point)을 찾음에 있어서, 두 메시간의 차이가 적을 때는 가장 가까운 점(a closest point)을 일치점으로 가정할 수 있으나, 두 메시간의 차이가 크고 동시에 메시의 형상이 복잡한 경우에는 가장 가까운 점을 일치점으로 하는 것이 정확하지 않다.In other words, in finding the matching point by projecting several points on the reference mesh surface onto the surface of the input mesh, a closest point is assumed to be the matching point when the difference between the two meshes is small. However, if the difference between the two meshes is large and the shape of the mesh is complicated at the same time, it is not accurate to set the closest point as the coincidence point.
이 경우에는 일치점 간의 두 점에서의 표면에 수직하는 벡터인 접선(normal vector)이 일반적으로 그 방향이 유사하기 때문에 이 정보를 사용한다.In this case, we use this information because a normal vector, a vector perpendicular to the surface at two points between coincidence points, is generally similar in direction.
즉, 참조메시의 한 점()에서의 접선()과 입력메시 상의 일치점()은 입력메시 상의 임의의 점()에 대하여 다음과 같은 [수학식 10]의 조건을 만족하여야 한다.That is, one point of the reference mesh ( Tangent at) ) And the match point in the input message ( ) Is any point on the input mesh ( ), The following Equation 10 must be satisfied.
상기에서는에서의 접선이고,는 주어진 임계값이다.From above Is Is the tangent to Is the given threshold.
한편, 상기와 같은 투영시 올바르지 않게 투영되는 경우가 발생할 수 있으므로 가중 인수(weighting factor)를 적용하여 정확한 투영이 이루어지도록 한다.On the other hand, since the projection may occur incorrectly during the projection as described above by applying a weighting factor (weighting factor) to ensure accurate projection.
만일, 벡터의 변위가 매우 크면 올바르지 못한 투영 때문에 대부분의 포인트들은 대응 포인트에 투영되고 나머지 포인트들은 대응 포인트에 투영되지 않는다.If the displacement of the vector is very large, most points are projected to the corresponding point and the remaining points are not projected to the corresponding point because of incorrect projection.
즉, 올바르지 않은 투영때문에 대부분의 포인트들은 정점과 연결된 일부 면들로 투영이 이루어지지만, 그 나머지 일부 포인트들은 동일한 정점과 연결된 다른 면으로 투영되는 것이다.That is, because of incorrect projection, most points are projected onto some faces connected to the vertices, while some of the other points are projected onto other faces connected to the same vertices.
이는 도1의 예시도에 도시된 바와 같다.This is as shown in the exemplary diagram of FIG.
따라서, 모든 투영이 정점 변위의 추정시 동일하게 가중된다면 일부 투영 점을 갖는 면들은 정확한 변형이 이루어질 수 없으므로 아래의 [수학식 11]과 같은 가중 인수를 사용한다.Therefore, if all projections are equally weighted in estimating vertex displacement, the faces with some projection points cannot be precisely deformed, so the weighting factor as shown in Equation 11 below is used.
또한, 탄성을 가지고 있는 객체의 표면을 변형할 때 메시 표면은 국소지역에서의 기하학적 형태를 유지하려는 특성을 가지고 있다.In addition, when deforming the surface of an elastic object, the mesh surface has the property of maintaining the geometric shape in the local area.
이러한 특성은 이웃한 정점의 움직임 벡터에서 값이 유사한 특성으로 나타난다.This property is represented by similar values in the motion vectors of neighboring vertices.
이러한 조건을 추가하여 전체 에너지 함수를 다음의 [수학식12]와 같이 표현하게 된다.By adding these conditions, the total energy function is expressed as Equation 12 below.
상기에서은 정점()에서의 움직임 벡터이고는 stiffness 상수이다.From above Silver vertex ( Motion vector at) Is the stiffness constant.
그런데, 복잡한 메시의 변형이 매우 큰 경우 stiffness 에너지 함수를 사용하여도 전체 에너지 최소화는 여전히 지역 극점(local mimimum)으로 수렴하는 문제점을 가지고 있다.However, when the deformation of a complex mesh is very large, the total energy minimization still converges to a local mimimum even when using a stiffness energy function.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 다중해상도(multiresolution method) 기법을 사용한다.To solve this problem, a multiresolution method is used.
메시는 다중 해상도 레벨에서 점차적으로 변형시킴으로써 임의의 형태로 변형킬 수 있다.The mesh can be deformed into any shape by gradually deforming at multiple resolution levels.
같은 원리로 메시의 다양한 변화를 신뢰성있고 정교하게 추정하기 위하여 본 발명에서는 다중해상도 기법을 사용하였다.In the same principle, the multi-resolution technique is used in the present invention to reliably and precisely estimate various changes of the mesh.
우선, 최저해상도의 기본 메시(the coarsest base mesh)에서 큰 움직임을 찾고, 점차적으로 해상도를 올려가면서 복잡한 움직임을 정확하게 찾는다.First, it looks for large movements in the coarsest base mesh, and then gradually finds the correct movements with increasing resolution.
저해상도의 메시를 고해상도의 메시로 세분화 하면서 각 정점의 움직임 벡터를 새로이 추정한다.The motion vector of each vertex is newly estimated by subdividing the low resolution mesh into a high resolution mesh.
이때, 저해상도에서 추정한 각 정정의 움직임 벡터로부터 새로이 생성된 고해상도 정점의 움직임 벡터의 초기 값을 예측(prediction)한다.At this time, the initial value of the motion vector of the newly generated high resolution vertex is predicted from the motion vector of each correction estimated at the low resolution.
이 과정에서 다음과 같은 문제점을 해결하여야 한다.In this process, the following problems should be solved.
우선, 저해상도 메시는 고해상도 메시를 단순화(simplification) 과정을 통하여 생성한 것이기 때문에 고해상도 메시는 저해상도 메시를 단순화 과정의 역순 과정(reversal processing)을 통하여 만든다.First, since low resolution meshes are generated through a simplification process, high resolution meshes are created through a reversal processing of the simplification process.
즉, 저해상도의 메시로부터 고해상도의 메시로의 변형을 위한 세분화는 단순화 과정의 역순으로 실행하게 되며 이를 위해 성긴 베이스 메쉬(coarse base mesh)를 입력으로 중간점에 대하여 세분화하는 edge-split 방법을 적용할 수 있다.In other words, the segmentation for the transformation from the low resolution mesh to the high resolution mesh is performed in the reverse order of the simplification process. For this purpose, the edge-split method for subdividing the midpoint with the coarse base mesh is applied. Can be.
그런데, 상기 과정에서의 문제점은 고해상도의 메시가 원래의 형상을 가지고 있는 것이 아니라 움직임 추정 과정을 통하여 변형되었다는 것이다.However, a problem in this process is that the high resolution mesh is not deformed by the motion estimation process but has the original shape.
비록, stiffness constraint을 사용하여 지역적인 기하적 구조(local geometric structure)를 유지하려고 하지만 어느 정도는 변형된 형태이다.Although we try to maintain a local geometric structure using stiffness constraints, they are somewhat deformed.
이러한 이유로 단순화 과정(simplification procedure)의 역순으로 생성된 고해상도의 메시는 표면이 고르지(fairness) 않을 수 있다.For this reason, high-resolution meshes created in the reverse order of the simplification procedure may have uneven surfaces.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 fairness constraint를 추가하였다.To solve this problem, we added a fairness constraint.
즉, 조건을 추가하는 방법은 stiffness constraint와 같은 방법으로 전체 에너지 함수에 fairness energy를 추가하는 것이다.In other words, the way to add a condition is to add fairness energy to the total energy function in the same way as the stiffness constraint.
stiffness energy와 fairness energy를 추가한 전체에너지 함수는 아래의 [수학식 13]과 같이 표현된다.The total energy function that adds stiffness energy and fairness energy is expressed as in [Equation 13] below.
이때, 메시 표면의 상태와 움직임 추정의 정확성은 stiffness energy를 조절하는 stiffness 상수()와 fairness 상수()의 값을 조절하여 결정한다.At this time, the state of the mesh surface and the accuracy of the motion estimation are determined by the stiffness constant ( ) And fairness constant ( Determine by adjusting the value of).
상기 두 값은 다음과 같은 의미에 따라 조절하였다.The two values were adjusted according to the following meanings.
우선, 저해상도에서의 움직임은 지역적인 미묘한 변화보다는 넓은 범위의 움직임을 추정한다.First, movement at low resolution estimates a wide range of motion rather than subtle regional changes.
그리고, 고해상도에서는 저해상도에 찾은 움직임의 오차와 좁은 범위 내에서의 움직임을 찾는다.In the high resolution, the error of the motion found in the low resolution and the motion within the narrow range are found.
이러한 조건을 만족하기 위해서는 저해상도에서 고해상도로 갈수록 stiffness constant 값이 감소되어야 한다.In order to satisfy these conditions, the stiffness constant should decrease from low resolution to high resolution.
만일, stiffness constant이 너무 큰 경우에는 메시의 구조가 변형되기 어렵기 때문에 실제보다 훨씬 작은 움직임 값이 추정되며 반대로, stiffness constant이 너무 작은 경우에는 넓은 범위의 움직임을 찾기 어려울 뿐 아니라 지역적으로 면이 뒤집혀지는(face-flip) 현상이 발생하는 등 신뢰성 있는 움직임을 추정하기 어렵다.If the stiffness constant is too large, the mesh structure is hardly deformed, so a much smaller motion value is estimated. On the contrary, if the stiffness constant is too small, it is difficult to find a wide range of motion and the surface is flipped locally. It is difficult to estimate reliable movement such as face-flip phenomenon.
또한, fairness constant의 경우 한 정점을 주변의 정점으로부터 예측할 때 저해상도에서 오차가 매우 크고 반대로, 고해상도에서는 오차가 매우 작다.In addition, in the case of the fairness constant, when a vertex is predicted from the surrounding vertex, the error is very large at low resolution, and conversely, the error is very small at high resolution.
이러한 이유로 저해상도에서 고해상도로 갈수록 fairness constant 값은 증가하여야 한다.For this reason, the fairness constant should increase from low resolution to high resolution.
그리고, fairness constant의 값이 매우 큰 경우 코, 입, 눈 등의 주변으로부터 급격히 변화하는 메시의 표면 형상을 과도하게 뭉개는(burring) 현상이 발생할 수 있기 때문에 fairness constant 값은 stiffness constant 값보다 작아야 한다.In addition, when the value of the fairness constant is very large, the fairness constant should be smaller than the stiffness constant since excessively burring of the surface shape of the mesh rapidly changing from the vicinity of the nose, mouth, and eyes may occur. .
정점들을 분리하는 것에 의해 메시를 리파인(refine)하는 과정은 도2의 예시도에 도시된 바와 같은데, 도2의 (a)에서의 정점(vc)이 정점(vl,vr)으로 분리됨을 나타낸 것이다.The process of refining the mesh by separating the vertices is shown in the example of FIG. 2, where vertices v c in FIG. 2 (a) are separated into vertices v l and v r . It is shown.
이후, 새로이 생성된 정점의 움직임 벡터는 이전에 추정된 주변 정점들의 움직임을 사용하여 예측한다.The motion vector of the newly created vertex is then predicted using the previously estimated motion of the surrounding vertices.
이때, 정점(vc)에서의 변위 벡터와 거친 메시 내의 이웃하는 정점들은 정점(vl,vr)에서의 변위 벡터를 추정하기 위해 사용된다.At this time, the displacement vector at vertex v c and neighboring vertices in the coarse mesh are used to estimate the displacement vector at vertex v l , v r .
이 경우, 두 개의 분리된 조각 정점(vl,vr)은 거친 메시 상으로 매핑된다.In this case, two separate fragment vertices v l and v r are mapped onto the coarse mesh.
이와 같은 과정을 통해 매핑된 점(spot)은 아래의 [수학식14]와 같이 표현된다.The spots mapped through this process are represented by Equation 14 below.
여기서,는 중심 좌표이다.here, Is the center coordinate.
따라서, 정점(vl)에서의 변위()는 아래의 [수학식 15]와 같이 추정된다.Thus, the displacement at vertex v l ( ) Is estimated as in Equation 15 below.
이에 따라, 상기와 같이 추정된 변위를 참조하여 저해상도의 입력 메시로부터 고해상도의 입력 메시를 생성한다. 이때 생성된 고해상도의 입력 메시는 더 높은 고해상도에서 움직임을 새로이 추정할 때의 초기값이 된다.Accordingly, a high resolution input mesh is generated from the low resolution input mesh with reference to the estimated displacement as described above. In this case, the generated high resolution input mesh becomes an initial value when a new motion is estimated at a higher resolution.
이후, 주어진 조건이 만족될 때까지 메시의 해상도를 점차적으로 증가시키면서 움직임을 계속하여 추정한다.Then, the motion is continuously estimated while gradually increasing the resolution of the mesh until a given condition is satisfied.
한편, 본 발명의 실시예를 도3 내지 도12의 예시도를 참조하여 설명하기로 한다.Meanwhile, an embodiment of the present invention will be described with reference to the exemplary diagrams of FIGS. 3 to 12.
도3 내지 도12의 예시도는 다면체 대상 모델로 노멀 얼굴형에서 다양한 사운드들 "Za","Ze", 그리고 "Zui"들을 발음할때의 얼굴 형태로 변형되는 경우를 설명하기 위한 것이다.3 to 12 illustrate a case in which a polyhedral target model is deformed into a face shape when a variety of sounds “Za”, “Ze”, and “Zui” are pronounced in a normal face shape.
즉, 도3a~도7d는 노말(normal) 상태로 부터 "Za" 소리로 발음될때까지의 형상에 대한 변형 추정을 나타낸 것으로, 각 도면 부호가 커지는 순서대로 순차 동작하게 된다.That is, FIGS. 3A to 7D show deformation estimates of shapes from the normal state until they are pronounced as "Za" sounds, and the respective reference numerals operate in order of increasing order.
우선, 도3a~도3d는 단순화된 입력메시가 300 faces 와 168 vertices 거친정도(coarest level)에서 변위 필드 영역 추정을 나타낸 것으로, 도3a는 노말 상태(Normal), 도3b는 Za를 발음할 때의 형상, 도3c는 추정된 변위 필드(Estimated displacement field), 도3d는 변위 필드를 참조하여 변형된 상태(deformed Normal)를 나타낸다.First, FIGS. 3A to 3D show the displacement field area estimation of the simplified input mesh at 300 faces and 168 vertices coarest levels. FIG. 3A is normal and FIG. 3B is pronounced Za. 3C shows an estimated displacement field, and FIG. 3D shows a deformed normal with reference to the displacement field.
즉, 도3a의 노말 상태에서 'Za'발음할 때의 도3b와 같은 타겟 메시로 변형하고 상기 도3a와 도3b의 메시를 비교하여 도3c와 같은 변위 필드를 추정한 후 그 추정된 변위 필드를 참조하여 도3d와 같은 타겟 메시로 변형하게 된다.In other words, when the 'Za' is pronounced in the normal state of FIG. 3A, the strain is transformed into a target mesh as shown in FIG. 3B, the meshes of FIG. 3A and FIG. Reference will be made to the target mesh as shown in FIG. 3d.
그리고, 도4a~4d는 500 faces 와 275 vertices 레벨에서 변위 필드 영역 추정을 나타낸 것으로, 도4a는 도3a~도3d에서의 결과를 이용하여 추정되는 형상(Prediction using results in the previous level), 도4b는 Za를 발음할때의 형상, 도4c는 추정된 변위 필드, 도4d는 변형된 상태(deformed normal)를 나타낸다.4A to 4D show displacement field area estimations at 500 faces and 275 vertices levels, and FIG. 4A is a shape estimated using the results in FIGS. 3A to 3D. 4b is a shape when Za is pronounced, FIG. 4c is an estimated displacement field, and FIG. 4d is a deformed normal.
도5a~도5d는 1000 faces 와 534 vertices 레벨에서 변위 필드 영역 추정을 나타낸 것으로, 도5a는 도4a~도4d에서의 결과를 이용하여 추정되는 형상, 도5b는 Za를 발음할때의 형상, 도5c는 추정된 변위 필드, 도5d는 변형된 상태를 나타낸다.5a to 5d show displacement field area estimates at 1000 faces and 534 vertices levels, FIG. 5a is a shape estimated using the results in FIGS. 4a to 4d, FIG. 5b is a shape when pronounced Za, Fig. 5C shows the estimated displacement field, and Fig. 5D shows the modified state.
도6a~도6d는 2000 faces 와 1047 vertices 레벨에서 변위 필드 영역 추정을 나타낸 것으로, 도6a는 도5a~도5d에서의 결과를 이용하여 추정되는 형상, 도6b는 Za를 발음할때의 형상, 도 6c는 추정된 변위 필드, 도 6d는 변형된 상태를 나타낸다.6a to 6d show displacement field area estimates at 2000 faces and 1047 vertices levels, FIG. 6a is a shape estimated using the results in FIGS. 5a to 5d, FIG. 6b is a shape when Za is pronounced, FIG. 6C shows an estimated displacement field, and FIG. 6D shows a modified state.
도7a~도7d는 2000 faces 와 1047 vertices 레벨에서 변위 필드 영역 추정결과로 부터 더 세밀한 레벨 5000 faces와 2566 vertices에서의 변위 필드 영역 추정을 나타낸 것으로, 도7a는 도6a~도6d에서의 결과를 이용하여 추정되는 형상, 도7b는 Za를 발음할때의 형상, 도7c는 추정된 변위 필드, 도7d는 변형된 상태에서의 우측형상을 나타낸다.7A-7D show the displacement field area estimate at a finer level 5000 faces and 2566 vertices from the displacement field area estimation results at the 2000 faces and 1047 vertices levels, and FIG. 7A shows the results in FIGS. 6A-6D. Fig. 7B shows a shape when Za is pronounced, Fig. 7C shows an estimated displacement field, and Fig. 7D shows a right shape in a deformed state.
상기에서 도4 내지 도7의 과정은 도3의 과정 이후에 순차적으로 이루어지는 과정을 설명한 것으로 그 각각의 과정은 도3에서의 과정과 동일하게 이루어진다.The process of FIGS. 4 to 7 has been described sequentially after the process of FIG. 3, and each process is the same as the process of FIG. 3.
그리고, 도8a~도12d는 "Ze" 발음에서 "Zui" 발음을 할 때의 형상에 대한 변형 추정을 나타낸 것이다.8A to 12D show deformation estimation of shapes when "Zui" is pronounced in "Ze" pronunciation.
도8a~도8d는 300 faces 와 168 vertices 레벨에서 변위 필드 영역 추정을 나타낸 것으로, 도8a는 Ze를 발음할 때의 형상, 도8b는 Zui를 발음할 때의 형상, 도8c는 추정된 변위 필드(Estimated displacement field), 도8d는 변형된 Ze 상태(deformed Ze)를 나타낸다.8A-8D show displacement field area estimates at 300 faces and 168 vertices levels, FIG. 8A is a shape when pronounced Ze, FIG. 8B is a shape when pronounced Zui, and FIG. 8C is an estimated displacement field (Estimated displacement field), FIG. 8D shows a deformed Ze state.
도9a~도9d는 500 faces 와 275 vertices 레벨에서 변위 필드 영역 추정을 나타낸 것으로, 도9a는 도8a~도8d에서의 결과를 이용하여 추정되는 형상(Prediction using results in the previous level), 도9b는 Zui를 발음할때의 형상, 도9c는 추정된 변위 필드, 도9d는 변형된 상태(deformed Ze)를 나타낸다.9A-9D show displacement field area estimates at 500 faces and 275 vertices levels. FIG. 9A is a representation using results in the previous level in FIGS. 8A-8D, FIG. 9B. Is the shape when pronounced Zui, FIG. 9C shows the estimated displacement field, and FIG. 9D shows the deformed Ze.
도10a~도10d는 1000 faces 와 534 vertices 레벨에서 변위 필드 영역 추정을 나타낸 것으로, 도10a는 도9a~도9d에서의 결과를 이용하여 추정되는 형상, 도10b는 Zui를 발음할때의 형상, 도10c는 추정된 변위 필드, 도10d는 변형된 상태를 나타낸다.10A to 10D show displacement field area estimates at 1000 faces and 534 vertices levels, FIG. 10A is a shape estimated using the results in FIGS. 9A-9D, FIG. 10B is a shape when pronunciation of Zui, Fig. 10C shows an estimated displacement field, and Fig. 10D shows a modified state.
도11a~도11d는 2000 faces 와 1047 vertices 레벨에서 변위 필드 영역 추정을 나타낸 것으로, 도11a는 도10a~도10d에서의 결과를 이용하여 추정되는 형상, 도11b는 Zui를 발음할때의 형상, 도11c는 추정된 변위 필드, 도11d는 변형된 상태(Deformed)를 나타낸다.11A-11D show displacement field area estimates at 2000 faces and 1047 vertices levels, FIG. 11A is a shape estimated using the results in FIGS. 10A-10D, FIG. 11B is a shape when pronunciation of Zui, Fig. 11C shows the estimated displacement field, and Fig. 11D shows the deformed state.
도12a~도12f는 2000 faces 와 1047 vertices 레벨에서 변위 필드 영역 추정결과로 부터 더 세밀한 레벨 5000 faces와 2566 vertices에서의 변위 필드 영역 추정을 나타낸 것으로, 도12a는 도11a~도11d에서의 결과를 이용하여 추정되는 정면형상이고, 도12b는 우측형상을 나타낸 것이며, 도12c는 Zui를 발음할때의 정면형상, 도12d는 우측형상이며, 도12e는 추정되는 변위 필드 정면영역, 도12f는 변위 필드 우측영역을 나타낸다.12A-12F show the displacement field area estimates at a finer level 5000 faces and 2566 vertices from the displacement field area estimation results at the 2000 faces and 1047 vertices levels, and FIG. 12A shows the results in FIGS. 11A-11D. Fig. 12B shows the right shape, Fig. 12C shows the front shape when pronounced Zui, Fig. 12D shows the right shape, Fig. 12E shows the estimated displacement field front region, and Fig. 12F shows the displacement. Indicates the right side of the field.
상기에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명은 복잡하고 세밀한 메시의 움직임을 다중해상도 기법을 통하여 신뢰성있고 정확하게 움직임를 추정할 수 있다.As described in detail above, the present invention can reliably and accurately estimate the motion of a complicated and fine mesh through a multi-resolution technique.
특히, 다중해상도 기법을 적용함에 있어서 stiffness energy와 fairness energy를 조절하기 위한 stiffness constant와 fairness constant를 사용하여 각각의 메시의 해상도 레벨에 적합하게 사용함으로 움직임 추정의 정확도와 신뢰도를 향상시켰다.In particular, the accuracy and reliability of motion estimation are improved by using the stiffness and fairness constants to control the stiffness energy and fairness energy.
따라서, 본 발명은 최종적으로 변형된 메시를 표면의 일그러짐이 없이 정확하게 표현할 수 있는 효과가 있다.Therefore, the present invention has an effect that can accurately represent the finally deformed mesh without distortion of the surface.
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