基于图像三维虚拟人建模技术的研究.pdf

摘要基于图像的三维虚拟人建模技术研究摘要三维虚拟人建模是虚拟现实领域的关键技术之一。本文提出了一种基于二维图像创建三维虚拟人模型的方法,该方法可以在较短时间内,利用普通的摄像设备重建个性化三维虚拟人。重建的三维虚拟人有着与真人相近的形体特征,并获得和真人相似的纹理特性。具有高度的逼真性。这种虚拟人可以直接用数据驱动,再现真实人体的运动过程。本文主要的研究内容和成果包括: (1)借鉴人体测量学的相关原理,提出了在三维虚拟人表面模型上提取人体特征点和计算虚拟人相关人体尺寸的新方法。首先利用三维虚拟人分块和提取边界的算法筛选出特征点,并提出了用求解围度平面和三角网格交线的方法来计算虚拟人体围度的算法。该方法的独创性在于它可以精确地计算出三维虚拟人的各项基本人体尺寸,并为评价三维虚拟人模型的逼真度建立了新的量化标准。(2)利用图像处理技术,建立了新的在真人的二维***图像(正面和侧面)和标准三维虚拟人二维正交投影(正视雨f侧视)中分别提取人体二维轮廓和确定轮廓上人体特征点的算法,并实现了两者对应特征点的匹配和坐标转换。将图像处理技术应用于三维虚拟人建模是目前尚未解决的技术难题, 本论文提出的方法不仅拓展了图像处理的应用领域,而且明显地提高了确定人体特征点的速度,使得快速建立特定对象的虚拟人模型成为可能。(3)利州FFD(Extended Free—Form Deformation)自由变形技术,基于二维图像特征点的对比结果,对三维标准虚拟人模型分别进行局部变形和整体变形,获得针对特定人体的三维虚拟人的静态模型。变形后的三维虚拟人表面模型具有和真入近似的形体特征,在主要入体尺寸比例和特征点位置方面也和真人相同,从根本上改变了以前所创建的虚拟人只是简单地更换模型的纹理来模拟真人的局面,向实现三维虚拟人模型的真人化的方向更进一步。(4)提出并实现了从真实人体的止面和背面二维图像上提取纹理,根据虚拟人三角网格的法线方向分别获得l[面和背面的纹理映射,并对正面和反面的交界处的纹理进行纹理融合处理的新方法。这种纹理映射方法较为简单快捷,使得所创建的三维静态模型更加逼真。(5)根据静态模型的特征点计算关节点位置,然后连接关节点形成骨骼系统,最后建立骨骼系统的坐标系,分析运动:状态下骨骼系统的坐标变换利运动控制方法,创建了基于二维图像的三维虚拟人动态模型。该方法创建的三维虚拟人动态模型,不仅具有真实人体的形体特征,而且有和真实人体相近的骨骼系统,这是刚传统方法建立的表面虚拟人所不能实现的,它为模拟真人的运动过程提供了具有创新和借鉴作川的算法。(6)研究并建立了二维虚拟人动态模型在运动状态下皮肤的变形方法,演示了刚性变形方法、局部算子变形方法、骨架驱动变形算法、基于交叉截面的变形方法和基于FFD的变形方法的具体算法,给出了每种算法的步骤和变形实例,分析了每种方法的优缺点。利用皮肤变形算法,才能克服利用简单的棒状模删机械地模拟人体骨骼运动的缺陷,使得所建立的三维虚拟人无论在静态还是在运动过程中都保持逼真性,具有反映人体的JfL何雨l运动双重特性的能力。(7)本文作者认为基于真人的三维虚拟人运动再现是一个新的研究方向,并且是提高虚拟环境的个性化、逼真度和沉浸感的可行途径。所以,本论文分别研究了利用动作捕捉器和从视频图像序列中获取人体运动参数的方法,研究结果表明,通过获得的运动参数来驱动创建的三维虚拟人模型, 可以有效地实现基丁真人对象的三维虚拟人模型的运动再现过程,从而验证了本文提出的基于图像的三维虚拟人建模的准确性和实川性。关键词:虚拟现实,虚拟人建模,三维重建,自由变形,纹理映射,骨骼系统,皮肤变形,静态模型,动态模型,运动再现 Abstract Modeling 3D VirtualHumans from Images Abstract Modeling 3D virtualhumans one ofthekeytechnologies of thesisdocuments theresearch intotheconstruction of a3Dhumanmodel based on 2D images,via which,it possible to model individualhumans inshortcycle and with inexpensive reconstructed models have high fidelity oforiginalhuman inshapes and textures,and can bedriven directly byanimation mainresearch work can behighlighted