一種根據(jù)人體動作驅(qū)動的雕塑三維模型生成方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種根據(jù)人體動作驅(qū)動的雕塑三維模型生成方法，對任意給定的虛擬雕塑，該方法利用改進(jìn)的Kinect動作識別技術(shù)識別用戶關(guān)節(jié)點(diǎn)信息并捕獲其運(yùn)動參數(shù)，通過關(guān)節(jié)點(diǎn)與用戶選擇的控制點(diǎn)之間的關(guān)聯(lián)方式，引導(dǎo)虛擬雕塑調(diào)整姿態(tài)實(shí)現(xiàn)雕塑三維模型創(chuàng)意設(shè)計，其中虛擬雕塑姿態(tài)的改變通過虛擬雕塑編輯算法實(shí)現(xiàn)，能夠?qū)μ摂M雕塑實(shí)時操作。該方法充分考慮到虛擬雕塑與一般三維模型在生成時的不同約束，能夠很好保存雕塑的風(fēng)格特征。
【專利說明】一種根據(jù)人體動作驅(qū)動的雕塑三維模型生成方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種根據(jù)人體動作驅(qū)動的雕塑三維模型生成方法，特別是將改進(jìn)的Kinect動作識別技術(shù)與能夠保存虛擬雕塑三維模型風(fēng)格特征的網(wǎng)格編輯方法相結(jié)合實(shí)現(xiàn)雕塑三維模型創(chuàng)意生成方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著數(shù)字雕塑軟件迅猛的發(fā)展，不但在軟件的數(shù)量和功能上有突飛猛進(jìn)的提高，在行業(yè)的應(yīng)用上也有很大的拓展，從游戲行業(yè)到影視動畫再到玩具手辦制作，我們都越來越多的看到數(shù)字雕塑軟件的身影。并且，數(shù)字雕塑軟件的出現(xiàn)也改變了很多設(shè)計師的工作流程，強(qiáng)大的雕塑建模功能和顏色繪制功能解放了藝術(shù)家的靈感，可以讓設(shè)計師把更多的精力關(guān)注在設(shè)計和創(chuàng)作上，將軟件的操作難度降到最低。
[0003]到目前為止，數(shù)字雕塑軟件主要有三個類別，第一類是以ZBrush為代表的數(shù)字雕塑軟件，這類軟件的主要功能是雕塑建模，它制作模型的功能強(qiáng)大，并且對多邊形面數(shù)的支持高。第二類是帶有數(shù)字雕塑功能的三維軟件。例如M0d0、Sil0等，這類軟件的功能更多，由于雕塑模型并不是它們的主要功能，所以在雕塑功能和面數(shù)支持上都比不上前一類軟件，但使用這類軟件可以避免在不同的軟件中頻繁切換。另外現(xiàn)在也有越來越多的三維軟件集成了數(shù)字雕塑功能，例如3D Max和Maya。第三類是一些工業(yè)設(shè)計方面的軟件，比較著名的有FreeForm等，一些浮雕軟件也可以歸在這個類別里，這些軟件相對于前兩類軟件應(yīng)用的范圍更專一，使用的用戶也少很多。
[0004]我們應(yīng)該看到，雖然這些軟件為專業(yè)用戶(雕塑工作者)和非專業(yè)用戶提供了強(qiáng)大建模功能，但沒有提供用于藝術(shù)創(chuàng)新的平臺和合理便捷的交互方式，這讓許多傳統(tǒng)雕塑家對這些優(yōu)秀的軟件不屑一顧。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]發(fā)明目的:本發(fā)明所要解決的問題是針對雕塑創(chuàng)作過程當(dāng)中實(shí)體雕塑后期修改費(fèi)時費(fèi)力以及雕塑創(chuàng)新過程中創(chuàng)新思想難以具體呈現(xiàn)的問題，提供一種新穎的利用Kinect動作識別技術(shù)和網(wǎng)格編輯技術(shù)，為雕塑姿態(tài)調(diào)整提供可視化方法并能保存雕塑的風(fēng)格特征。
[0006]為了解決上述問題，本發(fā)明公開了一種根據(jù)人體動作驅(qū)動的雕塑三維模型生成方法，包括以下步驟:
[0007]步驟1:輸入虛擬雕塑三維模型，該雕塑模型由一組三角面片構(gòu)成(虛擬雕塑文件只需滿足能夠提取頂點(diǎn)信息和三角面片信息，類型可以任意給定);
[0008]步驟2:分析虛擬雕塑三維模型，保存其頂點(diǎn)信息V，邊信息E以及三角面片信息Triangle，然后計算頂點(diǎn)，邊和三角面片之間的拓?fù)潢P(guān)系，包括每個頂點(diǎn)的鄰接頂點(diǎn)，鄰接面，鄰接邊，每個三角面片的鄰接面以及每條邊的鄰接面；
[0009]步驟3:根據(jù)步驟2中得到的頂點(diǎn)，邊和三角面片信息以及它們之間的拓?fù)潢P(guān)系，構(gòu)造虛擬雕塑中頂點(diǎn)之間的測地距離矩陣Dnverxn.;
[0010]步驟4:選擇驅(qū)動虛擬雕塑三維模型的控制點(diǎn)，所選擇的控制點(diǎn)分為兩類:視覺引導(dǎo)點(diǎn)IvgUidJ和雕塑骨架點(diǎn)(vSkelcton1I vskclcton2>-1vSkelctonnskeL這兩類控制點(diǎn)在雕塑姿態(tài)
調(diào)整的過程中所起的作用不同，視覺引導(dǎo)點(diǎn)用來引導(dǎo)雕塑姿態(tài)改變，雕塑骨架點(diǎn)根據(jù)用戶的需要用來約束雕塑姿態(tài)的改變，保存形態(tài)特征。
[0011]其中n ske表示 雕塑 骨架 點(diǎn)的 數(shù)目，
1≤ guide, Skeleton1, skeleton^,…Skeletontlske < nvcr且 ncontrol=nske+l，ncontrol 表示兩類控制
點(diǎn)的總數(shù)目，；
[0012]步驟5:計算由控制點(diǎn)形成的特征空間，特征空間由視覺引導(dǎo)點(diǎn)生成，同時受到雕塑骨架點(diǎn)的影響，在最終的特征空間中，每個頂點(diǎn)的特征值與該頂點(diǎn)到視覺引導(dǎo)點(diǎn)的距離成正比，與該頂點(diǎn)到雕塑骨架點(diǎn)的距離成反比，在極端情況下，視覺引導(dǎo)點(diǎn)位置處的特征值為I，雕塑骨架點(diǎn)位置處的特征值為O ;
[0013]步驟6:啟動Kinect攝像頭,用戶處于攝像頭能夠識別的區(qū)域,利用Kinect提供的骨架追蹤技術(shù)，獲取用戶的骨架圖像和深度圖像；
[0014]步驟7:保存用戶關(guān)節(jié)點(diǎn)信息J，由于存在Kinect攝像頭受到遮擋或用戶沒有完全處于攝像頭所能識別的區(qū)域這種情況，用戶關(guān)節(jié)點(diǎn)有時并不能全部被識別出來，保存已識別的關(guān)節(jié)點(diǎn)信息對后續(xù)步驟有參考價值；
[0015]步驟8:選擇引導(dǎo)虛擬雕塑姿態(tài)調(diào)整的關(guān)節(jié)點(diǎn)并計算關(guān)節(jié)點(diǎn)與控制點(diǎn)的關(guān)聯(lián)矩陣M，在選擇關(guān)節(jié)點(diǎn)的時候，對于跟雕塑骨架點(diǎn)關(guān)聯(lián)的關(guān)節(jié)點(diǎn)可以滿足一個關(guān)節(jié)點(diǎn)對應(yīng)多個雕塑骨架點(diǎn)的關(guān)系；
[0016]步驟9:上述步驟完成之后，該步驟利用Kinect持續(xù)捕獲的用戶關(guān)節(jié)點(diǎn)位置信息，計算關(guān)節(jié)點(diǎn)位置的改變并將關(guān)節(jié)點(diǎn)位置的改變信息傳遞給相應(yīng)的控制點(diǎn)。由于Kinect能夠捕捉關(guān)節(jié)點(diǎn)在空間中的位置改變，將三維空間中關(guān)節(jié)點(diǎn)位置的改變傳送給對應(yīng)的控制點(diǎn)，這樣可以為用戶提供更加自然的交互方式，這也是選擇Kinect作為交互工具的主要原因。但直接捕獲到的位置信息，會存在突變或丟失的情況，因此加入關(guān)節(jié)點(diǎn)位置的修正操作是很有必要的，可以提高整個系統(tǒng)的魯棒性；
[0017]步驟10:根據(jù)步驟9控制點(diǎn)收到的三維空間中關(guān)節(jié)點(diǎn)位置的改變信息計算相應(yīng)的視覺引導(dǎo)點(diǎn)的變化信息并根據(jù)變化信息構(gòu)造變換矩陣T ；
[0018]步驟11:根據(jù)步驟5計算得到的特征空間和步驟10得到的視覺引導(dǎo)點(diǎn)變換矩陣，計算每個頂點(diǎn)的轉(zhuǎn)換矩陣Tj;
[0019]步驟12:根據(jù)步驟11計算得到的每個頂點(diǎn)的轉(zhuǎn)換矩陣，計算更新后的頂點(diǎn)坐標(biāo)
V ；
[0020]步驟13:更新顯示虛擬雕塑三維模型；
[0021]本發(fā)明步驟3中，計算任意兩個頂點(diǎn)V1, Vj的測地距離&包括以下步驟:
[0022]計算頂點(diǎn)Vi到頂點(diǎn)Vj的單位向量I:
【權(quán)利要求】
1.一種根據(jù)人體動作驅(qū)動的雕塑三維模型生成方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟1:輸入虛擬雕塑三維模型，該虛擬雕塑三維模型由一組三角面片構(gòu)成； 步驟2:分析虛擬雕塑三維模型，保存其頂點(diǎn)信息、邊信息和三角面片信息，計算頂點(diǎn)、邊和三角面片之間的拓?fù)潢P(guān)系，包括每個頂點(diǎn)的鄰接頂點(diǎn)、鄰接面、鄰接邊，每個三角面片的鄰接面以及每條邊的鄰接面； 步驟3:根據(jù)步驟2中得到的頂點(diǎn)、邊和三角面片信息以及它們之間的拓?fù)潢P(guān)系，構(gòu)造虛擬雕塑三維模型中頂點(diǎn)之間的測地距離矩陣； 步驟4:選擇控制虛擬雕塑三維模型的控制點(diǎn)，所選擇的控制點(diǎn)分為兩類:人工設(shè)置視覺引導(dǎo)點(diǎn) IvgUidfJ 和雕塑骨架點(diǎn)(vSkeletonlIvSkeleton2M^vSkeletonnske),其中I < guide, Skeleton1, skeleton^,…Skeletonnske < nvcr，nske 表示雕塑骨架點(diǎn)的數(shù)目，nver 表示虛擬雕塑三維模型頂點(diǎn)的數(shù)目，視覺引導(dǎo)點(diǎn)用來引導(dǎo)虛擬雕塑姿態(tài)的改變，雕塑骨架點(diǎn)用來約束虛擬雕塑姿態(tài)的改變； 步驟5:計算由控制點(diǎn)形成的特征空間:特征空間由視覺引導(dǎo)點(diǎn)生成，同時受到雕塑骨架點(diǎn)的影響，在最終的特征空間中，每個頂點(diǎn)的特征值與頂點(diǎn)到視覺引導(dǎo)點(diǎn)的距離成正比，與頂點(diǎn)到雕塑骨架點(diǎn)的距離成反比； 步驟6:啟動Kinect攝像頭，用戶處于攝像頭能夠識別的區(qū)域，根據(jù)Kinect提供的骨架識別技術(shù)，獲取用戶的骨架圖像和深度圖像； 步驟7:保存用戶關(guān)節(jié)點(diǎn)信息； 步驟8:選擇引導(dǎo)虛擬雕塑三維模型姿態(tài)調(diào)整的關(guān)節(jié)點(diǎn)并計算關(guān)節(jié)點(diǎn)與控制點(diǎn)的關(guān)聯(lián)矩陣； 步驟9:利用Kinect持續(xù)捕獲用戶關(guān)節(jié)點(diǎn)的位置信息，計算關(guān)節(jié)點(diǎn)位置的改變并將三維空間中關(guān)節(jié)點(diǎn)位置的改變信息傳送給對應(yīng)的控制點(diǎn)； 步驟10:根據(jù)步驟9控制點(diǎn)收到的三維空間中關(guān)節(jié)點(diǎn)位置的改變信息計算相應(yīng)的視覺引導(dǎo)點(diǎn)的變化信息，并根據(jù)視覺引導(dǎo)點(diǎn)的變化信息構(gòu)造視覺引導(dǎo)點(diǎn)的變換矩陣； 步驟11:根據(jù)步驟5計算得到的特征空間和步驟10得到的視覺引導(dǎo)點(diǎn)變換矩陣，計算每個頂點(diǎn)的轉(zhuǎn)換矩陣； 步驟12:根據(jù)步驟11計算得到的每個頂點(diǎn)的轉(zhuǎn)換矩陣，迭代更新每個頂點(diǎn)的坐標(biāo)； 步驟13:更新顯示虛擬雕塑三維模型。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種根據(jù)人體動作驅(qū)動的雕塑三維模型生成方法，其特征在于，步驟2和步驟3中， 步驟2中，計算頂點(diǎn)Vi的鄰接面集合[fu.fiy Λ'}和對應(yīng)的鄰接面向外法向量集合ihl' fii,2fii,nfi}，其中nfi表示頂點(diǎn)Vi的鄰接面?zhèn)€數(shù)。 步驟3中，計算任意兩個頂點(diǎn)Vi, Vj的測地距離di，J包括以下步驟: 計算頂點(diǎn)Vi到頂點(diǎn)Vj的單位向量r1::
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種根據(jù)人體動作驅(qū)動的雕塑三維模型生成方法，其特征在于，步驟5包括以下步驟: 計算由視覺引導(dǎo)點(diǎn)產(chǎn)生的特征空間下，頂點(diǎn)Vi的特征值A(chǔ)(C^guide):
fi(di,guide) = e-^guwe， 其中，屯，81^表示頂點(diǎn)Vi到視覺引導(dǎo)點(diǎn)Vsuide的測地距離,且I ( guide ( nver, μ是參數(shù)，用來控制特征值隨測地距離改變的速率，設(shè)置μ等于其他頂點(diǎn)到視覺引導(dǎo)點(diǎn)的最大距離: μ μ Hiaxj U, 其中，dj,guide表示頂點(diǎn)Vj到視覺引導(dǎo)點(diǎn)Vguide的測地距離且nver ;計算雕塑骨架點(diǎn)Vskeletoni對由視覺引導(dǎo)點(diǎn)產(chǎn)生的特征空間中頂點(diǎn)Vi的特征值的影響Si(C^skeletoni):


【文檔編號】G06T19/00GK103914873SQ201410093523
【公開日】2014年7月9日 申請日期:2014年3月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月13日
【發(fā)明者】路通, 秦龍飛, 邢潤, 王昊, 巫義銳, 胡煒 申請人:南京大學(xué)