人体三维模型

三维人体建模摘要：对当今广为应用的线框模型、体模型和曲面模型等传统的三维人体建模方法进行了研究和分析,本文通过对三维人体建模的介绍，它的发展现况以及它对服装行业的影响，来阐述三维人体建模。关键词:人体建模,发展，影响目录一：人体（三维）建模定义和内涵1.1.三维模型（定义）1.2.三维模型的构成1.3.构建三维模型的方法1.4.人体三维建模（定义）二：人体建模发展现状2.1.“3D人体扫描仪介绍”2.2.主要人体三维扫描仪3DCaMegaDCS系列（人体数字化系统）三：对服装产业的影响意义3.1.三维服装仿真中的参数化人体建模技术3.2.3D试衣系统中个性化人体建模方法3.3.服装CAD中三维人体建模方法综述四．文献来源一：人体（三维）建模定义和内涵1.1.三维模型（定义）是物体的多边形表示，通常用计算机或者其它视频设备进行显示。显示的物体是可以是现实世界的实体，也可以是虚构的物体。任何物理自然界存在的东西都可以用三维模型表示。1.2.三维模型的构成（1）网格网格是由物体的众多点云组成的，通过点云形成三维模型网格。点云包括三维坐标、激光反射强度和颜色信息，最终绘制成网格。这些网格通常由三角形、四边形或者其它的简单凸多边形组成，这样可以简化渲染过程。但是，网格也可以包括带有空洞的普通多边形组成的物体。（2）纹理纹理既包括通常意义上物体表面的纹理即使物体表面呈现凹凸不平的沟纹,同时也包括在物体的光滑表面上的彩色图案，也称纹理贴图，当把纹理按照特定的方式映射到物体表面上的时候能使物体看上去更真实。纹理映射网格赋予图象数据的技术；通过对物体的拍摄所得到的图像加工后，再各个网格上的纹理映射，最终形成三维模型。1.3.构建三维模型的方法目前物体的建模方法，大体上有三种：第一种方式利用三维软件建模；第二种方式通过仪器设备测量建模；第三种方式利用图像或者视频来建模。三维软件建模目前，在市场上可以看到许多优秀建模软件，比较知名的有3DMAX,SoftImage,Maya,UG以及AutoCAD等等。它们的共同特点是利用一些基本的几何元素，如立方体、球体等，通过一系列几何操作，如平移、旋转、拉伸以及布尔运算等来构建复杂的几何场景。利用建模构建三维模型主要包括几何建模(GeometricModeling)、行为建模(KinematicModeling)、物理建模(PhysicalModeling)、对象特性建模(ObjectBehavior)以及模型切分(ModelSegmentation)等。其中，几何建模的创建与描述，是虚拟场景造型的重点。仪器设备建模三维扫描仪(3DimensionalScanner)又称为三维数字化仪(3DimensionalDigitizer)。它是当前使用的对实际物体三维建模的重要工具之一。它能快速方便的将真实世界的立体彩色信息转换为计算机能直接处理的数字信号，为实物数字化提供了有效的手段。它与传统的平面扫描仪、摄像机、图形采集卡相比有很大不同：首先，其扫描对象不是平面图案，而是立体的实物。其次，通过扫描，可以获得物体表面每个采样点的三维空间坐标，彩色扫描还可以获得每个采样点的色彩。某些扫描设备甚至可以获得物体内部的结构数据。而摄像机只能拍摄物体的某一个侧面，且会丢失大量的深度信息。最后，它输出的不是二维图像，而是包含物体表面每个采样点的三维空间坐标和色彩的数字模型文件。这可以直接用于CAD或三维动画。彩色扫描仪还可以输出物体表面色彩纹理贴图。早期用于三维测量的是坐标测量机(CMM)。它将一个探针装在三自由度(或更多自由度)的伺服装置上，驱动探针沿三个方向移动。当探针接触物体表面时，测量其在三个方向的移动，就可知道物体表面这一点的三维坐标。控制探针在物体表面移动和触碰，可以完成整个表面的三维测量。其优点是测量精度高；其缺点是价格昂贵，物体形状复杂时的控制复杂，速度慢，无色彩信息。人们借助雷达原理，发展了用激光或超声波等媒介代替探针进行深度测量。测距器向被测物体表面发出信号，依据信号的反射时间或相位变化，可以推算物体表面的空间位置，称为“飞点法”或“图像雷达”。根据图像或视频建模基于图像的建模和绘制(Image-BasedModelingandRendering,IBMR)是当前计算机图形学界一个极其活跃的研究领域。同传统的基于几何的建模和绘制相比，IBMR技术具有许多独特的优点。基于图像的建模和绘制技术给我们提供了获得照片真实感的一种最自然的方式，采用IBMR技术，建模变得更快、更方便，可以获得很高的绘制速度和高度的真实感。IBMR的最新研究进展已经取得了许多丰硕的成果，并有可能从根本上改变我们对计算机图形学的认识和理念。由于图像本身包含着丰富的场景信息，自然容易从图像获得照片般逼真的场景模型。基于图像的建模的主要目的是由二维图像恢复景物的三维几何结构。由二维图像恢复景物的三维形体原先属于计算机图形学和计算机视觉方面的内容。由于它的广阔应用前景，如今计算机图形学和计算机视觉方面的研究人员都对这一领域充满兴趣。与传统的利用建模软件或者三维扫描仪得到立体模型的方法相比，基于图像建模的方法成本低廉，真实感强，自动化程度高，因而具有广泛的应用前景。4.人体三维建模（定义）涉及一种基于图像的人体三维建模方法。它针对现有人体三维模型代表皮肤变形的参数过多的不足和缺点，提出了一种新的旋转圆锥曲面建立人肢体三维模型的方法，在技术方案中首先使用双目立体视觉系统拍摄人体摆姿势的图像序列，并从双目图像序列中提取、匹配标记点或图像轮廓，根据标记点和图像轮廓以及体积不变的约束条件，估计人体三维变形和运动参数,最后使用圆球体和旋转圆锥曲面绘制人体模型。本项发明在医学图像、生物医学、手势识别、视频会议、视频游戏、自动新闻播放、电影制作、材料变形、图像压缩等方面都有实际应用价值。二：人体建模发展现状2.1.“3D人体扫描仪介绍”（一种新型科学仪器，用来侦测和分析人类个体的形状与外观数据。）（1）主要特点扫描速度快3秒极速扫描，三维数据自动匹配融合，一分钟后可看到拍摄成果。系统精度高多传感标定精度能够达万分之一，3D彩色打印600万色、精度0.1mm。真实感纹理融合获取高分辨率彩色纹理，纹理融合，获得真实感模型，与真人相似真实度达95%以上。智能化操作人体三维数字化实现一键操作，多套传感设备实现数据交互（2）原理人只要站在3D人体扫描仪的电动旋转盘上缓缓旋转几分钟后，就可以在电脑上建立出三维的数据模型，再使用连接好的3D打印机便可以打印出来，人工上色后连脸上的痘痘等细节都能反映出来。应用领域包含服装设计、虚拟试衣、个性化量身定做。2.2.主要人体三维扫描仪3DCaMegaDCS系列（人体数字化系统）3DCaMegaDCS系列人体全身(半身)扫描系统是国内首套具有自主知识产权的人体三维数字化测量系统。3DCaMegaDCS系列人体全身(半身)扫描系统充分利用光学三维扫描的快速以及白光对人体无害的优点，在3—5秒内对人体全身或半身进行多角度多方位的瞬间扫描。人体全身(半身)扫描系统通过计算机对多台光学三维扫描仪进行联动控制快速扫描，再通过计算机软件实现自动拼接，获得精确完整的人体点云数据。人体全身(半身)扫描系统获取的人体点云数据包含了完整人体各个部位的准确的三维信息（整体精确达到0.5mm）。基于人体点云数据即点云数据模型可生成完整的人体网格模型即面片模型；基于人体点云数据，通过人体参数化数字处理软件可获得不同部位的准确人体参数尺寸。人体三维扫描系统也称三维人体测量系统，人体数字化系统，广泛应用于服装，动画，人机工程以及医学等领域。是发展人体（人脸）模式识别，特种服装设计（如航空航天服，潜水服），人体特殊装备（人体假肢，个性化武器装备），以及开展人机工程研究的理想工具。2.2.1主要特点1、安全可靠采用普通白光光源（非激光），对人体和人眼没有任何伤害，可睁眼测量；2、瞬间测量单次测量时间0.4—0.1秒，多机测量时间3.0—5.0秒，快速扫描能有效避免人体晃动造成的误差；3、自动拼接多机系统从前后不同方向依次自动快速完成人体三维数据的采集，自动拼接完成不同方位的点云数据，形成统一的点云模型；4、真实色彩系统不仅可以获得人体表面精确的空间信息（X、Y、Z），而且同时获得每一个像素点对应的色彩信息(R、G、B)，避免了利用贴图的方式而产生的色彩和位置发生错位的现象；5、多种格式输出ASC,OBJ,WRL,STL,TXT,IGS等，可以和UG,PRO/E,CATIA,Geomagic,Imageware,MAYA等软件接口；2.2.2应用范围1、建立人体尺寸标准库、军队制服型号分析；2、服装设计、虚拟试衣、个性化量身定做；3、美体塑身行业体型分析评价；4、三维影视动画真人建模；5、医学工程、生理解剖；6、人机工效学、工业设计；7、专业人群选材(运动员、特种部队、艺术专业)；2.2.3应用案例案例1——宁波某纺织有限公司该公司看准人们对服装大批量定制的市场，推出服装量身定制车，通过我公司的数字化三维人体测量技术实现了缝前段自动化和缝制段自动化的高科技信息转换及自动排版剪裁，让科技支撑时尚，促成传统行业嫁接现代科技之上。2011年3月27在北京国展的服装展，就是采用我们的设备来进行展示。案例2——2008年中国载人航天中心——神七宇航员的体型数据采集三：对服装产业的影响意义3.1.三维服装仿真中的参数化人体建模技术三维服装仿真中,通常需要以不同体态特征的人体来展示穿着效果,例如服装的立体感以及合体性等。考虑到这一实际应用,提出了一种参数化人体建模的新方法。特征参数的确定依据人体测量学理论,模板和结果模型都表示为空间多边形网格,底层几何处理基于计算机图形学轴变形技术,同时引入了径向变形权重曲线来增加调整的灵活性。该方法具有操作简单,输入直观以及建模速度快的优点,能够有效满足三维服装仿真环境对个性化人体模型的需求。传统人体建模方法主要是利用三维造型软件进行手工交互式编辑,虽然可以得到较为细致的曲面或网格模型,但费时费力,而且一般都由专业技术人员来完成。非接触式三维测量技术的出现使这一情况有所改善,直接对人体进行扫描能够采集到精确的表面信息,但该方法产生的数据量庞大。快速参数化人体建模方法更侧重于特定形态人体的生成而非重建。在特征参数选取方面,该方法结合了人体测量学相关理论,对人体模板的修改则基于图形学轴变形技术,所实现的建模系统操作简单直观,非常适合三维服装仿真应用(例如虚拟服装展示系统)对个性化人体模型的需求。3.2.3D试衣系统中个性化人体建模方法从点云数据中用三角片重建人体曲面的方法.首先对人体的各部位采用基于曲率变化的方法采样,提取和保存了人体的特征点、特征轮廓线,克服了三角片无语义的缺点,并且生成人体骨架,为后期的动态展示服装打下了基础.然后采用轮廓同步前进法绘制三角片,重建3D人体模型.该建模方法数据量小,能快速生成逼真的人体模型,满足3D虚拟试衣的要求.无论是基于网络的虚拟试衣、3D服装CAD还是电子化量身定制,首要的问题都是如何解决在目前计算机软、硬件条件下,快速、方便地生成与客户人体体形相似的虚拟三维人体模型人体的建模方法直接影响后期三维虚拟试衣实现的难易程度和表现效果.重建人体表面常用的有多面体片、有理B样条曲面和NURBS曲面.目前NURBS曲面比较常见.但NURBS曲面不能很好地解决复杂曲面的拼接问题[3,4];而且在后期虚拟试衣过程中采用NURBS曲面很难进行碰撞检测。用于重建人体的数据来自于3D人体点云,首先针对3D扫描仪获得的人体数据点密集散乱的问题,在参考前人算法的基础上对传统的切片采样稀疏法提出改进措施,采用基于曲率的双向采样方法.设计了合理的数据结构,克服三角片只能表达坐标信息,而不包含与人体模型相关的语义信息的缺点,保存了人体的特征点、特征轮廓线,生成了人体骨架,为后期动态展示服装打下了基础.最后,采用相邻轮廓线同步前进法连接三角片重建人体表面.3.3.服装CAD中三维人体建模方法综述三维人体建模方法划分为线框建模