人体模型骨骼自动提取与动画驱动的研究与实现

admin · 发表于 2022-9-25 17:46:54

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作为计算机图形学与人体仿生学结合的产物，三维人体骨骼动画已经发展成为虚拟现实技术研究和应用的重要方向，在游戏、广告、影视及军事仿真等领域都有广泛的应用。但是由于缺乏高效的动画制作工具，在三维人体骨骼动画的制作过程中，需要人工标定人体各主要关节点位置及人体骨架每一关键帧的姿态，工作量十分巨大。本文在认真分析和总结现有工作的基础上，重点研究并实现静态、动态人体网格模型骨骼的自动提取算法；模型皮肤顶点与骨骼的自动绑定方法；以及如何利用运动描述文件驱动人体模型进行运动三个主要方法和题目。本文以“国家863高技术研究发展计划项目”支持的实时三维图形平台BH_GRAPH为背景，开展了研究工作，主要成果如下：（1）研究并实现了一种基于任意姿态静态人体网格模型的骨骼提取算法。该算法首先利用模型各顶点间测地距离的几何关系自动识别人体位于四肢和头顶末端的五个特征点，再以特征点为起点生成等测地距离曲线族，利用等测地距离曲线将人体四肢和躯干区分开来，将这些相邻等测地线中心连接起来生成五条骨骼中心线，最后在中心线上根据中心夹角极小值及等测地距离曲线似圆率来确定人体关节的确切位置。（2）研究并实现了一种基于动态人体网格模型的骨骼提取算法。同一人体多个不同姿态的静态模型组成了一组动态模型，本文首先选取其中任意一个姿态的模型为参考模型，以三角面为基本单位，计算参考模型到其它姿态模型间的变化量和变换矩阵。基于这种变化量和变换矩阵对三角面进行Mean-Shift聚类，再利用人体特征点的位置区分出人体的上臂、下臂、大腿、小腿、躯干、头部等的人体分块。最后根据各分块的邻接关系确定各关节点的位置，实现人体骨骼的自动提取。（3）研究并实现了人体网格模型皮肤顶点权重的自动计算方法，并实现了运动描述文件对人体网格模型的驱动。在人体模型骨骼结构确定后，本文使用线性差值蒙皮（Liner Blend Skinning，LBS）方法利用BVH运动描述文件对人体模型进行驱动。上述工作为BH_GRAPH处理三维人体骨骼动画奠定了良好的技术基础。

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