具有真实感的三维人体模型简化方法研究

摘要

计算机群体动画中人物模型的真实感对于仿真运动具有越来越重要的意义，随着关注度的提高，相关领域的技术研究也得到了快速的发展。计算机动画仿真具有准确、形象、生动等特点，逼真的人群动画仿真可以有效的吸引人们的注意，人们对人群动画仿真运动中人物模型的真实感要求也越来越高。通常人物模型越逼真对模型的精度要求越高，人物模型也就越复杂，这样高精度的模型应用在群体仿真中无疑会增加系统的开销，因而研究具有真实感的三维人体模型简化方法对于群体仿真来说具有非常重要的意义。
　　目前，人群动画仿真运动中人物模型的设计大多较为粗糙，细节过于简单，模型之间多样性不足，而且模型过程花费大量人力以及财力。在模型简化方面很多学者针对不同的模型特点提出了很多不同的简化方法，但是在简化人物模型方面，尤其是人物头部，不能再简化模型的同时保持模型的真实感。针对传统建模方面的问题本文采用Kinect深度摄像机获得具有真实感的人物模型，但是使用Kinect直接获得的人物整体模型非常复杂且点比较密集，所以本文只使用Kinect获得具有人物特征的头部，采用头部与躯干分开建模的方式减少模型复杂度及点密度。本文针对此人物建模中的特点，尤其是简化人物模型方面展开了研究，并最终获得了具有真实感的人物模型。主要工作及创新点如下：
　　(1)使用Kinect获得具有真实感的人体头部三维数据，对人物模型的头部及躯干分别建模。针对头部模型的特点提出一种预处理方法及简化方法，获得具有真实感的头部模型，并分别建立头部模型与躯干模型数据库。然后选择相匹配的模型融合，通过此建模方式可以快速获得具有真实感的多样化人物模型。
　　(2)针对头部模型的特点，采用基于边曲率与面积变化的局部特征保留的方法简化头部模型，得到逼真的简化模型。虽然采用头部与躯干分开建模的方式可以减少模型复杂度及系统开销，但是使用Kinect获得的头部模型仍然非常复杂、点非常密集，需要进一步简化。本文提出的简化方法不仅可以减少模型复杂度而且还可以保留模型的真实感。
　　(3)针对头部与躯干模型融合的特点，在基于局部3D形变的交互式网格融合方法基础上提出一种基于边界边的模型融合方法，实现模型之间的自动融合。实验表明，该方法不仅可以快速重建具有多样性的模型，而且保证了模型的真实感。
　　结合相应的科研项目，将上述研究成果应用于人群仿真运动系统中。该系统主要包括首选项、仿真控制、摄像机控制和渲染输出四个模块。将人物模型导入已经搭建好的该仿真平台，可以观察到具有真实感的人群运动场景，并且能够分析人物模型真实感对系统效率的影响。

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第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 三维人体建模中存在的问题

1.4 本文主要研究内容和创新点

1.5 论文组织结构

第二章 基于隐式曲面建模方法

2.1 模型去噪

2.2 隐式曲面算法

2.3 实验和分析

2.4 本章小结

第三章 考虑保留模型特征的简化方法

3.1 边界边优化方法

3.2 基于边曲率与面积的网格简化方法

3.3 实验和分析

3.4 本章小结

第四章 基于边界边的模型融合方法研究

4.1 基于局部3D形变的交互式网格融合方法

4.2 基于边界边的融合算法

4.3 实验与分析

4.4 本章小结

第五章 具有真实感人物建模与仿真系统的实现

5.1 系统结构

5.2 系统工作流程

5.3 人群运动仿真设计实例

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 下一步研究工作

参考文献

攻读硕士学位期间的主要成果

致谢