專利名稱：一種三維人體模型的網(wǎng)格簡化約束方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)領(lǐng)域，特別涉及一種三維人體模型的網(wǎng)格簡化約束。
背景技術(shù)：
對計(jì)算機(jī)生成空間的三維表面模型進(jìn)行簡化，是視頻游戲等領(lǐng)域廣泛使用的技術(shù)之一，可以降低模型的幾何復(fù)雜度、提高場景繪制的速度。對三維表面模型進(jìn)行連續(xù)簡化，還可以以很少的存儲量構(gòu)造出復(fù)雜度連續(xù)變化的一系列簡化模型，方便模型根據(jù)需要在不同復(fù)雜度之間平滑過渡，簡化結(jié)果還可以在網(wǎng)絡(luò)上以漸進(jìn)的方式進(jìn)行傳輸。三維人體模型作為安全預(yù)演、影視制作、視頻游戲等領(lǐng)域的要素之一，其簡化還有利于減少人體模型處理占用的硬件資源，提高場景中虛擬人的規(guī)模，具有廣泛的應(yīng)用范圍和很高的使用價(jià)值。
目前，驅(qū)動三維人體表面模型運(yùn)動一般采用骨骼蒙皮方法，即認(rèn)為表面模型上每個(gè)頂點(diǎn)的運(yùn)動會受到附近多個(gè)人體骨骼不同程度的影響，在各骨骼做不同旋轉(zhuǎn)運(yùn)動情況下形成人體的各個(gè)運(yùn)動姿態(tài)，使用這種方法可以模擬各種運(yùn)動中人體皮膚的變形效果，逼真性和計(jì)算效率都很高，但這種方法給人體模型的簡化處理帶來了麻煩?，F(xiàn)有技術(shù)在處理骨骼蒙皮人體模型的簡化時(shí)存在如下局限(1)、在參考文獻(xiàn)1“A.Mohr and M.Gleicher.Deformation sensitive decimation.TR.University of Wisconsin Graphics Group，2003.http//www.cs.wisc.edu/graphics/Gallery/DSD/”；參考文獻(xiàn)2“A.Shamir，C.Bajaj，andV.Pascucci.Multiresolution dynamic meshes with arbitrary deformations.In Proceedingsof the conference on Visualization 2000423-430”；參考文獻(xiàn)3“A.Shamir andV.Pascucci.Temporal and spatial level of details for dynamic meshes.In Proceedings ofVirtual Reality Systems and Techniques，2001423-430”和參考文獻(xiàn)4“S.Kircher andM.Garland.Progressive multiresolution meshes for deforming surfaces.InACM/Eurographics Symposium on Computer Animation，2005191-200.”中所描述的方法中都存在簡化結(jié)果與具體的運(yùn)動姿態(tài)耦合度高，簡化結(jié)果不具有通用性的缺陷。利用上述方法得到的簡化結(jié)果中，一個(gè)姿態(tài)通常只能對應(yīng)一個(gè)簡化結(jié)果，當(dāng)前幀的簡化結(jié)果不能應(yīng)用到下一幀。
(2)、在參考文獻(xiàn)5“J.Houle and P.Poulin.Simplification and real-time smoothtransitions of articulated meshes.In Graphics Interface 200155-60.”；參考文獻(xiàn)6“D.Schmalstieg and A.Fuhrmann.Coarse view-dependent levels of detail forhierarchical and deformable models.Technical Report TR-186-2-99-20，ViennaUniversity of Technology，1999.”中所描述的方法則存在耦合度低，但逼真性和實(shí)時(shí)性較低等缺陷。如何以低耦合度，完成逼真的、實(shí)時(shí)性高的骨骼蒙皮人體模型的簡化，從而應(yīng)用于規(guī)模人群的驅(qū)動，是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)之一。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)對骨骼蒙皮人體模型做簡化時(shí)，所存在的簡化結(jié)果與具體的運(yùn)動姿態(tài)耦合度高，簡化結(jié)果不具有通用性或者耦合度低，但逼真性和實(shí)時(shí)性較低的缺陷，從而提供一種低耦合、逼真性高的網(wǎng)格簡化約束方法。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種三維人體模型的網(wǎng)格簡化約束方法，包括以下步驟1)、在人體模型的標(biāo)準(zhǔn)姿態(tài)模型上選擇需要添加支撐環(huán)約束的地方；2)、為標(biāo)準(zhǔn)姿態(tài)模型中每處添加支撐環(huán)的地方，選中模型上的三個(gè)頂點(diǎn)，惟一確定一個(gè)支撐環(huán)所在的平面；3)、從步驟2)中所選定的三個(gè)頂點(diǎn)中選擇其中的一個(gè)頂點(diǎn)，作為支撐環(huán)的第一個(gè)組成頂點(diǎn)，并在該頂點(diǎn)的鄰域頂點(diǎn)集合內(nèi)搜索新的頂點(diǎn)，所述的新的頂點(diǎn)位于支撐環(huán)所在平面或到此平面的距離在設(shè)定閾值范圍內(nèi)；4)、以步驟3)中所搜索到的新的頂點(diǎn)為起點(diǎn)，重復(fù)執(zhí)行步驟3)中的搜索，直到滿足搜索終止條件；5)、根據(jù)人體模型上的邊與步驟1中所添加的支撐環(huán)間的關(guān)系，為所述人體模型上的邊分類；6)、根據(jù)步驟5)中對邊的不同分類，對不同類型的邊采用不同的方法計(jì)算邊的折合權(quán)值和邊的折合位置，將計(jì)算結(jié)果存放在一個(gè)堆中；7)、根據(jù)步驟6)的計(jì)算結(jié)果，從堆中選取具有最小折合權(quán)值的邊，準(zhǔn)備進(jìn)行折合；如果已經(jīng)沒有可供折疊的邊，或者簡化的結(jié)果已經(jīng)達(dá)到用戶的要求，則簡化完成，結(jié)束操作；8)、判斷步驟7)中所選擇的具有最小折合權(quán)值的邊是否具備折合資格，若不具備折合資格，且當(dāng)前的具有最小折合權(quán)值的邊的折合權(quán)值為無窮大，則所有邊都不可簡化，簡化過程結(jié)束；若屬于不具備折合資格的其他情況，則將當(dāng)前邊的折合權(quán)值設(shè)為無窮大，并保存到存放邊的堆中，然后跳轉(zhuǎn)到步驟7)，若具備折合資格，則執(zhí)行下一步；9)、根據(jù)步驟6)得到的邊的折合位置，對當(dāng)前邊進(jìn)行折合；10)、進(jìn)行折合后的更新操作，包括邊的更新操作，即對折合位置附近的其它邊，如果其有端點(diǎn)連接到當(dāng)前折合邊上，則這些邊因折合發(fā)生改變，依據(jù)步驟6)，重新計(jì)算折合權(quán)值和折合位置；支撐環(huán)的更新操作，即若折合后的邊的兩個(gè)端點(diǎn)屬于同一支撐環(huán)，則從環(huán)中刪除因折合而消失的環(huán)內(nèi)頂點(diǎn)及相關(guān)信息。
上述技術(shù)方案中，在所述的步驟1)中，為所述的人體模型的標(biāo)準(zhǔn)姿態(tài)模型上添加支撐環(huán)約束時(shí)，所添加的位置包括2-1)、對于腕，肘，肩，頸，頭，胸，腰，髖，膝，踝關(guān)節(jié)，每個(gè)關(guān)節(jié)添加一個(gè)支撐環(huán)；2-2)、在相鄰關(guān)節(jié)之間、模型表面曲率變化大的地方，主要指胸關(guān)節(jié)以上、肩關(guān)節(jié)和經(jīng)關(guān)節(jié)以下、處于人體腋部附近的部位，每個(gè)部位添加一個(gè)支撐環(huán)；2-3)、為人體模型上的每個(gè)環(huán)形邊界添加一個(gè)支撐環(huán)。
在所述的步驟2)中，所述的選中模型上的三個(gè)頂點(diǎn)時(shí)，所述三個(gè)頂點(diǎn)的選擇原則如下3-1)三個(gè)頂點(diǎn)形成的平面，其周圍應(yīng)分布著較多的頂點(diǎn)；3-2)若支撐環(huán)所在的位置屬于2-1)的情況，則環(huán)平面的法向需要考慮當(dāng)前關(guān)節(jié)的直接父親關(guān)節(jié)和直接孩子關(guān)節(jié)，如果當(dāng)前關(guān)節(jié)僅有一個(gè)直接孩子關(guān)節(jié)，則環(huán)平面的法向所在直線應(yīng)該介于直接父親關(guān)節(jié)中心到當(dāng)前關(guān)節(jié)中心的連線和當(dāng)前關(guān)節(jié)中心到其直接子關(guān)節(jié)中心的連線中間；如果當(dāng)前關(guān)節(jié)有多個(gè)直接孩子關(guān)節(jié)或無孩子關(guān)節(jié)時(shí)，可將直接父親關(guān)節(jié)中心到當(dāng)前關(guān)節(jié)中心的連線作為環(huán)面的法向；3-3)若支撐環(huán)所在的位置屬于2-2)的情況，則支撐環(huán)應(yīng)該環(huán)繞模型表面相應(yīng)位置曲率較大的地方；3-4)若支撐環(huán)所在的位置屬于2-3)的情況，則將邊界上的所有頂點(diǎn)都容納到環(huán)當(dāng)中；3-5)若支撐環(huán)所在的位置屬于2-1)的情況，則當(dāng)前關(guān)節(jié)中心到環(huán)平面的距離應(yīng)該盡可能小。
上述技術(shù)方案中，在所述的步驟3)中，所述的在當(dāng)前頂點(diǎn)的鄰域頂點(diǎn)集合內(nèi)搜索新的頂點(diǎn)時(shí)，應(yīng)同時(shí)滿足以下條件4-1)、新頂點(diǎn)不屬于任何已構(gòu)造支撐環(huán)；4-2)、新頂點(diǎn)到當(dāng)前支撐環(huán)環(huán)面的距離在用戶設(shè)定的閾值范圍內(nèi)；4-3)、新頂點(diǎn)與環(huán)內(nèi)已有頂點(diǎn)形成的部分環(huán)構(gòu)成一個(gè)準(zhǔn)凸多邊形弧，此弧中相鄰邊的夾角為直角或鈍角；4-4)、新頂點(diǎn)和環(huán)內(nèi)除當(dāng)前頂點(diǎn)外的其它頂點(diǎn)之間都不存在連接當(dāng)新頂點(diǎn)是當(dāng)前支撐環(huán)上找到的最后一個(gè)頂點(diǎn)時(shí)，除同當(dāng)前頂點(diǎn)相連外，還必須同當(dāng)前支撐環(huán)上第一個(gè)確定的頂點(diǎn)相連接。
在所述的步驟4)中，所述的搜索終止條件為5-1)當(dāng)前支撐環(huán)上的頂點(diǎn)數(shù)目已經(jīng)超過4；5-2)當(dāng)前點(diǎn)的前一個(gè)頂點(diǎn)、當(dāng)前點(diǎn)、搜索開始時(shí)的第一個(gè)頂點(diǎn)之間的夾角為直角或鈍角；5-3)步驟2)中尋找到的三個(gè)頂點(diǎn)都已經(jīng)添加到當(dāng)前支撐環(huán)中。
上述技術(shù)方案中，在所述的步驟5)中，為所述人體模型上的邊分類的分類標(biāo)準(zhǔn)為6-1)、邊的兩個(gè)端點(diǎn)都不屬于任何支撐環(huán)；6-2)、邊的一個(gè)端點(diǎn)屬于某個(gè)支撐環(huán)，而另一個(gè)端點(diǎn)不屬于任何支撐環(huán)；6-3)、邊的兩個(gè)端點(diǎn)分別屬于不同的支撐環(huán)；6-4)、邊的兩個(gè)端點(diǎn)屬于相同的支撐環(huán)。
在所述的步驟6)中，所述的對不同類型的邊采用不同的方法計(jì)算邊的新合權(quán)值和邊的折合位置是指7-1)對于6-1)中的類別，使用基本簡化算法計(jì)算邊的權(quán)值和折合位置；7-2)對于6-2)中的類別，邊的折合位置為邊中屬于某支撐環(huán)的端點(diǎn)，折合權(quán)值使用基本簡化算法計(jì)算；7-3)對于6-3)中的類別，不允許此邊進(jìn)行折合，設(shè)定其折合權(quán)值為無窮大，無需計(jì)算折合位置；
7-4)對于6-4)中的類別，以折合后的位置必須在環(huán)面上為約束，使用基本簡化算法計(jì)算折合權(quán)值和折合位置。
所述的基本簡化算法為基于邊折合的算法，包括Qslim算法。
在所述的步驟8)中，所述的折合資格的判斷標(biāo)準(zhǔn)為9-1)、如果邊的折合權(quán)值為無窮大，則該邊不具備折合資格；9-2)、判斷若此邊被折合，模型的拓?fù)涫欠駮l(fā)生改變，如果是，則不具備折合資格；9-3)、判斷若此邊被折合，是否會導(dǎo)致任何支撐環(huán)被破壞，若是，則不具備折合資格，否則具備折合資格。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于(a)、使用該約束進(jìn)行簡化，其簡化過程不依賴于任何具體人體運(yùn)動姿態(tài)而只依賴于接受簡化的人體模型本身，而同一簡化結(jié)果可經(jīng)過骨骼蒙皮驅(qū)動方法生成不同的運(yùn)動姿態(tài)，因此實(shí)現(xiàn)了簡化結(jié)果與運(yùn)動姿態(tài)的低耦合；(b)、簡化中該約束在關(guān)節(jié)附近保留了必要模型細(xì)節(jié)，保證了簡化模型經(jīng)骨骼蒙皮方法驅(qū)動后的運(yùn)動姿態(tài)具有低復(fù)雜度和高逼真度；(c)、本發(fā)明所描述的骨骼蒙皮人體模型簡化約束，能夠生成低耦合、高質(zhì)量的簡化結(jié)果，滿足各種實(shí)時(shí)應(yīng)用的需要。


圖1為支撐環(huán)的示意圖；圖2為在膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)添加了支撐環(huán)約束的示意圖；圖3為在胸關(guān)節(jié)和肩關(guān)節(jié)之間添加支撐環(huán)約束的示意圖；圖4為在人體模型上衣袖口處添加支撐環(huán)約束的示意圖；圖5為單父親單子孫關(guān)節(jié)處的支撐環(huán)的環(huán)面示意圖；圖6為單父親多子孫關(guān)節(jié)處的支撐環(huán)的環(huán)面示意圖；圖7為添加好支撐環(huán)約束的人體模型的示意圖；圖8為一個(gè)頂點(diǎn)與其鄰域頂點(diǎn)的示意圖；圖9為Qslim算法的流程圖；圖10為Qslim算法結(jié)合本發(fā)明時(shí)，三維人體模型的網(wǎng)格簡化流程圖；圖11為人體模型中一個(gè)膝關(guān)節(jié)及其支撐環(huán)平面的示意圖；
圖12為一個(gè)實(shí)施例中在膝關(guān)節(jié)附近選擇三個(gè)頂點(diǎn)的示意圖；圖13為頂點(diǎn)A的鄰域頂點(diǎn)的示意圖；圖14為從頂點(diǎn)A的鄰域頂點(diǎn)中選中A5作為支撐環(huán)的頂點(diǎn)后膝關(guān)節(jié)的示意圖；圖15為A5的鄰域頂點(diǎn)的示意圖；圖16為從頂點(diǎn)A5的鄰域頂點(diǎn)中選中B4作為支撐環(huán)所作面的頂點(diǎn)后膝關(guān)節(jié)的示意圖；圖17為頂點(diǎn)M的鄰域頂點(diǎn)的示意圖；圖18為膝關(guān)節(jié)最后形成的支撐環(huán)的示意圖；圖19A為不屬于任何支撐環(huán)的頂點(diǎn)集合的邊的兩個(gè)端點(diǎn)在折合前的示意圖；圖19B為不屬于任何支撐環(huán)的頂點(diǎn)集合的邊的兩個(gè)端點(diǎn)在折合后的示意圖；圖20A為一個(gè)端點(diǎn)屬于某個(gè)支撐環(huán)，而另一個(gè)端點(diǎn)不屬于任何支撐環(huán)的邊在折合前的示意圖；圖20B為一個(gè)端點(diǎn)屬于某個(gè)支撐環(huán)，而另一個(gè)端點(diǎn)不屬于任何支撐環(huán)的邊在折合后的示意圖；圖21為邊的兩個(gè)端點(diǎn)分別屬于不同的支撐環(huán)的情況時(shí)不允許折合的示意圖；圖22A為兩個(gè)端點(diǎn)屬于相同的支撐環(huán)的邊在折合前的示意圖；圖22B為兩個(gè)端點(diǎn)屬于相同的支撐環(huán)的邊在折合后的示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對本發(fā)明的方法做進(jìn)一步的說明。
本發(fā)明的三維人體模型的網(wǎng)格簡化約束方法與網(wǎng)格簡化算法相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)骨骼蒙皮人體模型的簡化。本發(fā)明的網(wǎng)格簡化約束方法可以與多種網(wǎng)格簡化算法相結(jié)合，在本實(shí)施例中，假設(shè)所述的網(wǎng)格簡化算法是基于邊的折合來實(shí)現(xiàn)模型的簡化。Qslim算法是一種典型的基于邊的折合的網(wǎng)格簡化算法，在以下的描述中將本發(fā)明的網(wǎng)格簡化約束方法與Qslim算法相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對人體模型的簡化。
首先對Qslim算法進(jìn)行說明。Qslim算法為模型中的每條邊計(jì)算權(quán)值，用以估計(jì)和表示折合每條邊時(shí)帶來的誤差，并按權(quán)值的大小對每條邊進(jìn)行堆排序；簡化時(shí)，按照貪婪法從當(dāng)前堆中選取權(quán)值最小的邊進(jìn)行折合，重復(fù)此操作直到滿足用戶要求或所有邊都已經(jīng)折合完畢。但Qslim算法只能夠?qū)崿F(xiàn)對靜物模型的簡化。如果單獨(dú)使用Qslim算法簡化人體的每個(gè)姿態(tài)，簡化結(jié)果只與具體姿態(tài)一一對應(yīng)，不但存儲量大，而且不能為其它姿態(tài)所用(耦合度高)；如果使用Qslim算法簡化標(biāo)準(zhǔn)姿態(tài)的人體模型，再借助骨骼帶動皮膚運(yùn)動的骨骼蒙皮驅(qū)動方式從標(biāo)準(zhǔn)姿態(tài)的簡化結(jié)果生成其它姿態(tài)的簡化結(jié)果(耦合度低)，會導(dǎo)致走樣現(xiàn)象。因此，對骨骼蒙皮人體模型的簡化不能直接采用Qslim算法。
結(jié)合Qslim算法和本發(fā)明提出的網(wǎng)格簡化約束方法，則可以在保持簡化結(jié)果與具體運(yùn)動姿態(tài)相對獨(dú)立的前提下，減少走樣現(xiàn)象的發(fā)生，提高簡化結(jié)果的質(zhì)量。
結(jié)合本發(fā)明的網(wǎng)格簡化約束方法和Qslim算法實(shí)現(xiàn)骨骼蒙皮人體模型簡化包括兩個(gè)步驟首先，在簡化之前，根據(jù)需要為模型表面多處添加支撐環(huán)約束；其次，在簡化過程中，通過判斷當(dāng)前需要進(jìn)行折合的邊與支撐環(huán)約束的關(guān)系，確定具體的簡化策略并進(jìn)行簡化。下面結(jié)合Qslim簡化算法對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步的實(shí)施描述。
在人體模型的標(biāo)準(zhǔn)姿態(tài)模型上添加“支撐環(huán)”約束，“支撐環(huán)”約束在簡化模型前添加，添加“支撐環(huán)”約束包括以下步驟步驟1)確定支撐環(huán)約束的個(gè)數(shù)和位置，一般包括三部分，即a)、對于腕，肘，肩，頸，頭，胸，腰，髖，膝，踝等關(guān)節(jié)，每個(gè)關(guān)節(jié)添加一個(gè)支撐環(huán)，在圖2中，在人體模型的膝、踝關(guān)節(jié)上添加了支撐環(huán)；b)、在相鄰關(guān)節(jié)之間、模型表面曲率變化大的地方，主要指胸關(guān)節(jié)以上、肩關(guān)節(jié)和經(jīng)關(guān)節(jié)以下、處于人體腋部附近的部位，每個(gè)部位添加一個(gè)支撐環(huán)，如圖3中，在人體的胸關(guān)節(jié)以上添加了一個(gè)支撐環(huán)；c)、對于人體模型上的環(huán)形邊界，如附著在模型上的上衣袖口，為每個(gè)邊界添加一個(gè)支撐環(huán)，在圖4中，為人體模型的上衣袖口添加一個(gè)支撐環(huán)。
步驟2)為每處添加支撐環(huán)的地方，通過交互方式，選中模型上的三個(gè)頂點(diǎn)，從而惟一確定一個(gè)平面即支撐環(huán)所在的平面，其中，三個(gè)頂點(diǎn)的選擇依據(jù)如下原則a)三個(gè)頂點(diǎn)形成的平面，其周圍應(yīng)分布較多的頂點(diǎn)，否則難以確定環(huán)內(nèi)其它頂點(diǎn)；b)若支撐環(huán)所在的位置屬于步驟1)中的a)情況，則平面的法向需要考慮當(dāng)前關(guān)節(jié)的直接父親關(guān)節(jié)和直接孩子關(guān)節(jié)。由于人體模型中每個(gè)關(guān)節(jié)僅有一個(gè)直接父親關(guān)節(jié)，如果當(dāng)前關(guān)節(jié)僅有一個(gè)直接孩子關(guān)節(jié)，如圖5所示，環(huán)面的法向所在直線應(yīng)該介于直接父親關(guān)節(jié)中心(j0)到當(dāng)前關(guān)節(jié)中心(j1)的連線和當(dāng)前關(guān)節(jié)中心(j1)到其直接子關(guān)節(jié)中心(j2)的連線中間；如果當(dāng)前關(guān)節(jié)有多個(gè)孩子關(guān)節(jié)時(shí)，如圖6，可將直接父親關(guān)節(jié)中心(j0)到當(dāng)前關(guān)節(jié)中心(j1)的連線作為環(huán)面的法向；
c)若支撐環(huán)所在的位置屬于步驟1)中b)情況，則支撐環(huán)應(yīng)該環(huán)繞模型表面相應(yīng)位置曲率較大的地方，環(huán)面的法向因此確定；d)若支撐環(huán)所在的位置屬于步驟1)中c)情況，則應(yīng)當(dāng)考慮將邊界上的所有頂點(diǎn)都容納到環(huán)當(dāng)中，環(huán)面的法向因此確定；e)若支撐環(huán)所在的位置屬于步驟1)中a)情況，則當(dāng)前關(guān)節(jié)中心到環(huán)平面的距離應(yīng)該盡可能小。
步驟3)任意選取三個(gè)頂點(diǎn)中的一個(gè)作為支撐環(huán)的第一個(gè)組成頂點(diǎn)，記為P1，在此頂點(diǎn)的所有模型表面上的鄰域頂點(diǎn)中搜索，如果遇到的一個(gè)頂點(diǎn)P2滿足以下條件，則認(rèn)為該頂點(diǎn)基本上在環(huán)面上，按先后順序添加到支撐環(huán)當(dāng)中，具體條件如下a)、P2不屬于任何已構(gòu)造支撐環(huán)；b)、P2到當(dāng)前支撐環(huán)環(huán)面的距離在用戶設(shè)定的閾值范圍內(nèi)；c)、P2與環(huán)內(nèi)已有頂點(diǎn)形成的部分環(huán)構(gòu)成一個(gè)準(zhǔn)凸多邊形弧，此弧中相鄰邊的夾角為非銳角；d)、P2和環(huán)內(nèi)除P1外的其它頂點(diǎn)之間都不存在連接。
在上述說明中，所述的領(lǐng)域頂點(diǎn)是指一個(gè)頂點(diǎn)在模型表面上與其相鄰接的頂點(diǎn)。如圖8所示，頂點(diǎn)V有8個(gè)領(lǐng)域頂點(diǎn)，分別用1、2、3、4、5、6、7、8標(biāo)記。
步驟4)以新添加的頂點(diǎn)Pi為起點(diǎn)，重復(fù)使用步驟3)中的方式繼續(xù)尋找其它頂點(diǎn)；如果在Pi的領(lǐng)域頂點(diǎn)中發(fā)現(xiàn)頂點(diǎn)P1，并且滿足以下條件，則認(rèn)為支撐環(huán)尋找結(jié)束，具體條件如下a)當(dāng)前支撐環(huán)上的頂點(diǎn)數(shù)目已經(jīng)超過4；b)Pi-1，Pi，P1之間的夾角為直角或鈍角；c)步驟2)中尋找到的三個(gè)頂點(diǎn)都已經(jīng)添加到當(dāng)前支撐環(huán)中。
通過上述的操作，可確定人體模型中支撐環(huán)的個(gè)數(shù)和位置，以及每個(gè)支撐環(huán)所在的平面和支撐環(huán)上的頂點(diǎn)。求得人體模型上的支撐環(huán)后，開始對人體模型進(jìn)行簡化。
圖1就是一個(gè)支撐環(huán)的示意圖，在該圖中，從頂點(diǎn)V0開始，可依次尋找支撐環(huán)中的其他頂點(diǎn)V1、V2、V3至Vn。
結(jié)合“支撐環(huán)”約束實(shí)現(xiàn)骨骼蒙皮人體模型的簡化，所有支撐環(huán)都已經(jīng)確定后，如圖7所示，開始模型的簡化，在模型進(jìn)行簡化時(shí)，主要是要實(shí)現(xiàn)對邊的折合，具體簡化步驟如下
步驟5)對人體模型上的邊與支撐環(huán)的關(guān)系進(jìn)行分類，有四種類別a)兩個(gè)端點(diǎn)都不屬于任何支撐環(huán)的頂點(diǎn)集合；b)一個(gè)端點(diǎn)屬于某個(gè)支撐環(huán)，而另一個(gè)端點(diǎn)不屬于任何支撐環(huán)；c)兩個(gè)端點(diǎn)分別屬于不同的支撐環(huán)；d)兩個(gè)端點(diǎn)屬于相同的支撐環(huán)。
在上述說明中，所述的邊是指兩個(gè)頂點(diǎn)間的連線，如圖8所示，頂點(diǎn)V和頂點(diǎn)1之間的連線就是所述的邊，頂點(diǎn)V與其他的鄰域頂點(diǎn)2、3、4、5、6、7、8間都存在邊。
步驟6)根據(jù)分類，使用不同的方法計(jì)算邊的權(quán)值，具體如下a)對應(yīng)步驟5)中a)類別，使用標(biāo)準(zhǔn)Qslim算法計(jì)算方法計(jì)算邊的權(quán)值和折合位置；b)對應(yīng)步驟5)中b)類別，邊的折合位置為邊中屬于某支撐環(huán)的端點(diǎn)，折合權(quán)值使用標(biāo)準(zhǔn)Qslim算法計(jì)算；c)對應(yīng)步驟5)中c)類別，不允許此邊進(jìn)行折合，設(shè)定其折合權(quán)值為∞，無需計(jì)算折合位置；d)對應(yīng)步驟5)中d)類別，以折合后的位置必須在環(huán)面上為約束，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)Qslim算法求得新的優(yōu)化解析式，據(jù)此計(jì)算折合權(quán)值和折合位置；步驟7)選取具有最小折合權(quán)值的邊，準(zhǔn)備進(jìn)行折合；如果堆中已經(jīng)沒有可供折疊的邊，或者已經(jīng)達(dá)到用戶的要求(如模型的最低復(fù)雜度)，則簡化完成，程序退出；步驟8)依據(jù)以下條件，判斷所選擇的具有最小折合權(quán)值的邊是否具備折合資格a)如果邊的折合權(quán)值為∞，則該邊不具備折合資格，b)判斷若此邊被折合，模型的拓?fù)涫欠駮l(fā)生改變，如果是，則不具備折合資格，c)判斷若此邊被折合，是否會導(dǎo)致任何支撐環(huán)被破壞，即不再遵循步驟1)中所設(shè)定的支撐環(huán)的定義，若是，則不具備折合資格，否則具備折合資格；如果不具備折合資格，且屬于a)的情況，則可判斷出當(dāng)前堆中的所有邊都不可簡化，因此簡化結(jié)束；若屬于除a)之外的其它情況，則設(shè)置其折合權(quán)值為∞，將其放回保存邊的堆中，并轉(zhuǎn)到步驟7)；
步驟9)按標(biāo)準(zhǔn)邊折合步驟和預(yù)先計(jì)算好的邊折合位置，對此邊進(jìn)行折合；步驟10)對一些因折合而改變的邊，需要按照步驟5)和步驟6)中的分類和計(jì)算方法，重新計(jì)算折合權(quán)值和折合位置；如果邊與支撐環(huán)的關(guān)系分類屬于步驟5)中的d)，則從環(huán)中刪除因折合而消失的環(huán)內(nèi)頂點(diǎn)及相關(guān)信息；最后轉(zhuǎn)到步驟7)進(jìn)行下一條邊的選取和簡化。
從上述實(shí)施方案可以看出，骨骼蒙皮人體模型的簡化，可分為添加支撐環(huán)約束和結(jié)合支撐環(huán)約束和基本簡化算法對原始模型進(jìn)行簡化兩個(gè)主要步驟。本實(shí)施方法通過交互方式完成支撐環(huán)約束的添加。對標(biāo)準(zhǔn)姿態(tài)的人體模型進(jìn)行簡化的結(jié)果具有通用性，即可以經(jīng)過骨骼蒙皮皮膚變形方法，以較高的逼真度生成復(fù)雜度低的其它姿態(tài)。使用本發(fā)明增加的空間復(fù)雜度為O(n)，n為模型中頂點(diǎn)的個(gè)數(shù)；增加的時(shí)間復(fù)雜度依賴于具體的簡化算法，在本實(shí)施方案中，使用支撐環(huán)約束后，時(shí)間復(fù)雜度不變，仍為O(nlog(n))，n為模型的邊數(shù)。
以膝關(guān)節(jié)為例，對其添加支撐環(huán)的過程進(jìn)行說明。
如圖11所示，為人體模型中一個(gè)膝關(guān)節(jié)的示意圖，在人體模型上布滿了由頂點(diǎn)和邊組成的三角形。在圖12中，在膝關(guān)節(jié)附近選擇三個(gè)頂點(diǎn)，分別標(biāo)記為A、B、C。這三個(gè)頂點(diǎn)構(gòu)成了一個(gè)平面，該平面的法向符合圖11中肢體的基本走向。
然后，以三個(gè)頂點(diǎn)中的A點(diǎn)開始，搜索支撐環(huán)所在平面內(nèi)的點(diǎn)。如圖13所示，頂點(diǎn)A有6個(gè)鄰域頂點(diǎn)，用A1～A6表示，對6個(gè)鄰域頂點(diǎn)到支撐環(huán)平面的距離分別進(jìn)行計(jì)算，假設(shè)其中的A5到環(huán)平面的距離最小，選中A5作為支撐環(huán)所在平面內(nèi)的點(diǎn)，選中A5后膝關(guān)節(jié)如圖14所示。選定A5作為支撐環(huán)面內(nèi)的頂點(diǎn)后，再從從A5出發(fā)，作進(jìn)一步搜索。如圖15所示，A5的鄰域頂點(diǎn)有A、B1～B5，A離環(huán)平面最近，但是A已經(jīng)在環(huán)平面上，因此，選擇頂點(diǎn)B4。選中B4后的膝關(guān)節(jié)如圖16所示。重復(fù)上述的搜索過程，直到選中B點(diǎn)的鄰接頂點(diǎn)M后，如圖17所示，此時(shí)M的鄰域頂點(diǎn)有A、B、M1～M4，其中，B、A離環(huán)平面最近，由于B已經(jīng)選中；若選擇A，則一個(gè)環(huán)形連接已經(jīng)形成，此時(shí)，檢查此環(huán)形連接，符合支撐環(huán)的條件，因此，此環(huán)尋找結(jié)束，最后形成的支撐環(huán)如圖18所示。
下面根據(jù)步驟5)中所描述的邊與支撐環(huán)間的四種關(guān)系，對折合情況進(jìn)行舉例說明。
圖19是對邊的兩個(gè)端點(diǎn)都不屬于任何支撐環(huán)的頂點(diǎn)集合的情況進(jìn)行折合的示意圖，其中的圖19A是折合前的圖像，圖19B是折合后的圖像，對于這種情況只需要使用基本簡化算法進(jìn)行折合即可。
圖20是對邊的一個(gè)端點(diǎn)屬于某個(gè)支撐環(huán)，而另一個(gè)端點(diǎn)不屬于任何支撐環(huán)的情況進(jìn)行折合的示意圖，其中的圖20A是折合前的圖像，圖20B是折合后的圖像，對這種情況的邊進(jìn)行折合時(shí)，點(diǎn)的折合位置為在環(huán)上的端點(diǎn)。
圖21是對邊的兩個(gè)端點(diǎn)分別屬于不同的支撐環(huán)的情況進(jìn)行折合的示意圖，待折合邊的兩個(gè)端點(diǎn)分布在不同的環(huán)上，則禁止簡化。
圖22是對邊的兩個(gè)端點(diǎn)屬于相同的支撐環(huán)的情況進(jìn)行折合的示意圖，其中22A是折合前的圖像，圖22B是折合后的圖像。對這種情況的邊進(jìn)行折合時(shí)，使用帶平面約束的簡化方法進(jìn)行簡化。
權(quán)利要求
1.一種三維人體模型的網(wǎng)格簡化約束方法，包括以下步驟1)、在人體模型的標(biāo)準(zhǔn)姿態(tài)模型上選擇需要添加支撐環(huán)約束的地方；2)、為標(biāo)準(zhǔn)姿態(tài)模型中每處添加支撐環(huán)的地方，選中模型上的三個(gè)頂點(diǎn)，惟一確定一個(gè)支撐環(huán)所在的平面；3)、從步驟2)中所選定的三個(gè)頂點(diǎn)中選擇其中的一個(gè)頂點(diǎn)，作為支撐環(huán)的第一個(gè)組成頂點(diǎn)，并在該頂點(diǎn)的鄰域頂點(diǎn)集合內(nèi)搜索新的頂點(diǎn)，所述的新的頂點(diǎn)位于支撐環(huán)所在平面或到此平面的距離在設(shè)定閾值范圍內(nèi)；4)、以步驟3)中所搜索到的新的頂點(diǎn)為起點(diǎn)，重復(fù)執(zhí)行步驟3)中的搜索，直到滿足搜索終止條件；5)、根據(jù)人體模型上的邊與所添加的支撐環(huán)間的關(guān)系，為所述人體模型上的邊分類；6)、根據(jù)步驟5)中對邊的不同分類，對不同類型的邊采用不同的方法計(jì)算邊的折合權(quán)值和邊的折合位置，將計(jì)算結(jié)果存放在一個(gè)堆中；7)、根據(jù)步驟6)的計(jì)算結(jié)果，從堆中選取具有最小折合權(quán)值的邊，準(zhǔn)備進(jìn)行折合；如果已經(jīng)沒有可供折疊的邊，或者簡化的結(jié)果已經(jīng)達(dá)到用戶的要求，則簡化完成，結(jié)束操作；8)、判斷步驟7)中所選擇的具有最小折合權(quán)值的邊是否具備折合資格，若不具備折合資格，且當(dāng)前的具有最小折合權(quán)值的邊的折合權(quán)值為無窮大，則所有邊都不可簡化，簡化過程結(jié)束；若屬于不具備折合資格的其他情況，則將當(dāng)前邊的折合權(quán)值設(shè)為無窮大，并保存到存放邊的堆中，然后跳轉(zhuǎn)到步驟7)，若具備折合資格，則執(zhí)行下一步；9)、根據(jù)步驟6)得到的邊的折合位置，對當(dāng)前邊進(jìn)行折合；10)、進(jìn)行折合后的更新操作，包括邊的更新操作，即對折合位置附近的其它邊，如果其有端點(diǎn)連接到當(dāng)前折合邊上，則這些邊因折合發(fā)生改變，依據(jù)步驟6)，重新計(jì)算折合權(quán)值和折合位置；支撐環(huán)的更新操作，即若折合后的邊的兩個(gè)端點(diǎn)屬于同一支撐環(huán)，則從環(huán)中刪除因折合而消失的環(huán)內(nèi)頂點(diǎn)及相關(guān)信息。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維人體模型的網(wǎng)格簡化約束方法，其特征在于，在所述的步驟1)中，所述的在人體模型的標(biāo)準(zhǔn)姿態(tài)模型上選擇需要添加支撐環(huán)約束的地方，所選擇的位置包括2-1)、對于腕，肘，肩，頸，頭，胸，腰，髖，膝，踝關(guān)節(jié)，每個(gè)關(guān)節(jié)添加一個(gè)支撐環(huán)；2-2)、在相鄰關(guān)節(jié)之間、模型表面曲率變化大的地方，主要指胸關(guān)節(jié)以上、肩關(guān)節(jié)和經(jīng)關(guān)節(jié)以下、處于人體腋部附近的部位，每個(gè)部位添加一個(gè)支撐環(huán)；2-3)、為人體模型上的每個(gè)環(huán)形邊界添加一個(gè)支撐環(huán)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的三維人體模型的網(wǎng)格簡化約束方法，其特征在于，在所述的步驟2)中，所述的選中模型上的三個(gè)頂點(diǎn)時(shí)，所述三個(gè)頂點(diǎn)的選擇原則如下3-1)三個(gè)頂點(diǎn)形成的平面，其周圍應(yīng)分布著較多的頂點(diǎn)；3-2)若支撐環(huán)所在的位置屬于2-1)的情況，則環(huán)平面的法向需要考慮當(dāng)前關(guān)節(jié)的直接父親關(guān)節(jié)和直接孩子關(guān)節(jié)，如果當(dāng)前關(guān)節(jié)僅有一個(gè)直接孩子關(guān)節(jié)，則環(huán)平面的法向所在直線應(yīng)該介于直接父親關(guān)節(jié)中心到當(dāng)前關(guān)節(jié)中心的連線和當(dāng)前關(guān)節(jié)中心到其直接子關(guān)節(jié)中心的連線中間；如果當(dāng)前關(guān)節(jié)有多個(gè)直接孩子關(guān)節(jié)或無孩子關(guān)節(jié)，可將直接父親關(guān)節(jié)中心到當(dāng)前關(guān)節(jié)中心的連線作為環(huán)面的法向；3-3)若支撐環(huán)所在的位置屬于2-2)的情況，則支撐環(huán)應(yīng)該環(huán)繞模型表面相應(yīng)位置曲率較大的地方；3-4)若支撐環(huán)所在的位置屬于2-3)的情況，則將邊界上的所有頂點(diǎn)都容納到環(huán)當(dāng)中；3-5)若支撐環(huán)所在的位置屬于2-1)的情況，則當(dāng)前關(guān)節(jié)中心到環(huán)平面的距離應(yīng)該盡可能小。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維人體模型的網(wǎng)格簡化約束方法，其特征在于，在所述的步驟3)中，所述的在當(dāng)前頂點(diǎn)的鄰域頂點(diǎn)集合內(nèi)搜索新的頂點(diǎn)時(shí)，應(yīng)同時(shí)滿足以下條件4-1)、新頂點(diǎn)不屬于任何已構(gòu)造支撐環(huán)；4-2)、新頂點(diǎn)到當(dāng)前支撐環(huán)環(huán)面的距離在用戶設(shè)定的閾值范圍內(nèi)；4-3)、新頂點(diǎn)與環(huán)內(nèi)已有頂點(diǎn)形成的部分環(huán)構(gòu)成一個(gè)準(zhǔn)凸多邊形弧，此弧中相鄰邊的夾角為直角或鈍角；4-4)、新頂點(diǎn)和環(huán)內(nèi)除當(dāng)前頂點(diǎn)外的其它頂點(diǎn)之間都不存在連接，當(dāng)新頂點(diǎn)是當(dāng)前支撐環(huán)上找到的最后一個(gè)頂點(diǎn)時(shí)，除同當(dāng)前頂點(diǎn)相連外，還必須同當(dāng)前支撐環(huán)上第一個(gè)確定的頂點(diǎn)相連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的三維人體模型的網(wǎng)格簡化約束方法，其特征在于，在所述的步驟4)中，所述的搜索終止條件為5-1)當(dāng)前支撐環(huán)上的頂點(diǎn)數(shù)目已經(jīng)超過4；5-2)當(dāng)前點(diǎn)的前一個(gè)頂點(diǎn)、當(dāng)前點(diǎn)、搜索開始時(shí)的第一個(gè)頂點(diǎn)之間的夾角為直角或鈍角；5-3)步驟2)中尋找到的三個(gè)頂點(diǎn)都已經(jīng)添加到當(dāng)前支撐環(huán)中。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維人體模型的網(wǎng)格簡化約束方法，其特征在于，在所述的步驟5)中，為所述人體模型上的邊分類的分類標(biāo)準(zhǔn)為6-1)、邊的兩個(gè)端點(diǎn)都不屬于任何支撐環(huán)；6-2)、邊的一個(gè)端點(diǎn)屬于某個(gè)支撐環(huán)，而另一個(gè)端點(diǎn)不屬于任何支撐環(huán)；6-3)、邊的兩個(gè)端點(diǎn)分別屬于不同的支撐環(huán)；6-4)、邊的兩個(gè)端點(diǎn)屬于相同的支撐環(huán)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的三維人體模型的網(wǎng)格簡化約束方法，其特征在于，在所述的步驟6)中，所述的對不同類型的邊采用不同的方法計(jì)算邊的折合權(quán)值和邊的折合位置是指7-1)對于6-1)中的類別，使用基本簡化算法計(jì)算邊的權(quán)值和折合位置；7-2)對于6-2)中的類別，邊的折合位置為邊中屬于某支撐環(huán)的端點(diǎn)，折合權(quán)值使用基本簡化算法計(jì)算；7-3)對于6-3)中的類別，不允許此邊進(jìn)行折合，設(shè)定其折合權(quán)值為無窮大，無需計(jì)算折合位置；7-4)對于6-4)中的類別，以折合后的位置必須在環(huán)面上為約束，使用基本簡化算法計(jì)算折合權(quán)值和折合位置。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的三維人體模型的網(wǎng)格簡化約束方法，其特征在于，所述的基本簡化算法為基于邊折合的算法，包括Qslim算法。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維人體模型的網(wǎng)格簡化約束方法，其特征在于，在所述的步驟8)中，所述的折合資格的判斷標(biāo)準(zhǔn)為9-1)、如果邊的折合權(quán)值為無窮大，則該邊不具備折合資格；9-2)、判斷若此邊被折合，模型的拓?fù)涫欠駮l(fā)生改變，如果是，則不具備折合資格；9-3)、判斷若此邊被折合，是否會導(dǎo)致任何支撐環(huán)被破壞，若是，則不具備折合資格，否則具備折合資格。
全文摘要
本發(fā)明公開了三維人體網(wǎng)格模型的一種簡化約束及其使用方法，包括在人體網(wǎng)格模型上尋找需要添加支撐環(huán)約束的地方；為每處添加支撐環(huán)的地方，選中模型上的三個(gè)頂點(diǎn)，確定支撐環(huán)所在的平面；在支撐環(huán)附近的網(wǎng)格模型表面上搜索支撐環(huán)上的其它組成頂點(diǎn)，確定支撐環(huán)；根據(jù)人體模型上的邊與支撐環(huán)間的關(guān)系，為邊分類；根據(jù)邊的不同分類，對不同類型的邊采用不同的方法計(jì)算邊的折合權(quán)值和邊的折合位置，并采用不同的簡化策略進(jìn)行簡化。本發(fā)明的方法具有低耦合、高質(zhì)量、低復(fù)雜度的簡化效果，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。
文檔編號G06T15/00GK1908985SQ20061011251
公開日2007年2月7日 申請日期2006年8月22日 優(yōu)先權(quán)日2006年8月22日
發(fā)明者王兆其, 徐文彬, 毛天露, 夏時(shí)洪 申請人:中國科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所