CN101216957A - 一种基于混合插值参数化的人体模型设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于混合插值参数化的人体模型设计方法，主要是以特征层上的点作为控制点，非特征层上的点作为插值点，通过计算特征层的缩放因子，再计算非特征层的缩放因子，从而求得垂直方向插值点的高度h以及水平方向的变化率s，最后得出变化后的坐标。本发明数学原理简要明晰，参数易于控制，结合垂直方向及横向而采用混合插值参数化设计，利用样条拼接原理使得模型作全局参数化后保持C1连续性，而且具备整体缩放与局部细微调整效果，从而解决了模型参数化后的光滑问题。由于直接对特征层进行参数化操作，使得参数化后的人体模型能够直接应用于虚拟服装模拟。

Description

一种基于混合插值参数化的人体模型设计方法

技术领域

本发明涉及计算机辅助几何设计(CAGD)领域，尤其涉及一种人体模型设计方法。

背景技术

参数化设计是计算机辅助设计(CAD)技术在实际应用中提出的课题，它可使CAD***具有交互式或者自动绘图功能，使得模型设计变得相当灵活。在CAD领域内，参数化设计的适用范围相当广泛，大至复杂模具小至简单几何形状的设计，均可体现其思想。利用参数化设计手段对模型产品进行设计，可提高设计速度、减少信息储存量，并且能够大幅度提高模型设计的灵活性和多样性。鉴于上述原因，利用参数化设计人体模型引起了人们极大的兴趣。

迄今为止，人们进行了许多关于参数化设计人体模型的研究。样条(Spline)曲线、曲面技术与细分方法等促使计算机辅助几何设计(CAGD)逐步走向成熟。实际应用中，样条技术可以解决大部分的造型问题，其不能解决的一些问题，例如非张量积形式、光滑拼接和曲面拼接的缝隙问题等，可由细分方法解决。通过区分曲线、曲面是否过控制顶点的不同，样条与细分方法可分为插值型和逼近型两种。前者能够被直接精确测量，而后者不能。在样条中，自然样条、Hermite、Cardinal曲线属于插值型，Beziér、B样条曲线、曲面属于逼近型。在细分方法中，Loop、Catmull-Clark、Doo-Sabin属于逼近型，Bufferfly、Kobbelt四边形属于插值型。以上的样条与细分方法均可设计为参数化形式。

在参数化人体表面模型的研究中，模具参数化设计是其中的基础环节。而现有技术中的模具参数化设计方法一般为带几何约束的线性缩放方法。这些方法在规则的以及能用数学公式生成的模具上快捷有效，但并未解决模型参数化后的光滑问题。而在服装行业需求驱动下，通过输入特征尺寸得到对应尺寸的光滑人体表面模型已成为目前急需解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于混合插值参数化的人体模型设计方法，使得人体模型作全局参数化后保持C1连续性，并使得模型可作细微的局部调整，从而解决了模型参数化后的光滑问题，并使得参数化后的人体模型能够直接应用于虚拟服装模拟。

本发明的目的通过以下技术方案予以实现：

本发明提供的一种基于混合插值参数化的人体模型设计方法，包括以下步骤：

(1)测量人体的特征尺寸，分围度与长度两类

围度位于水平方向，其测量通过计算某一高度水平轮廓外凸包周长求得；长度位于垂直方向，其测量通过计算点到点的距离求得；

(2)提取人体模型特征层

特征层为包含特征点的水平层，由特征点所在高度的水平截面与模型求交所得；

(3)根据人体模版本身的特征尺寸以及对应输入的人体参数尺寸，计算出各相应特征层的缩放因子S；

(4)以特征层上的点作为控制点，非特征层上的点作为插值点，计算模型非特征层的缩放因子s；

(5)根据非特征层的缩放因子，计算插值点新的坐标值，从而实现人体模型的设计。

本发明在基于特征的参数化设计中使用插值型曲线，主要是对三维模型作整体变形，即将模型模版作正规化变换后分解为垂直方向(纵向对应Y轴)与水平方向(横向对应XOZ平面)。考虑对整体光滑性的影响，垂直方向通过定义高度的线性插值函数，横向通过定义围度的非线性插值函数来实现对模型参数化设计。

本发明可采取如下进一步措施：

所述步骤(1)中围度包括颈围、胸围、下胸围、腰围、臀围；长度包括身高、颈高、胸高、下胸高、腰高、臀高、跨高、肩宽、臂长；

所述步骤(3)中各相应特征层的缩放因子 $S=\frac{D_{\mathrm{Input}}}{D_{\mathrm{Template}}}$ ，其中D_Template为模版本身尺寸，D_Input为对应输入的人体参数尺寸；

所述步骤(4)中非特征层的缩放因子s，在水平方向表现为水平方向的变化率s，采用Cardinal样条函数定义为s＝Card(S₁，S₂，S₂，S₄，p，u，t)，其中u为Cardinal样条参数(0≤u≤1)，t为张力因子，S₁，…，S₄为样条函数的四个控制顶点，即特征层缩放因子，p为插值点垂直高度与模型高度的百分比；

所述步骤(5)中结合垂直方向插值点的高度h以及水平方向的变化率s，得出变化后新的坐标值，其中垂直方向插值点的高度h＝S(H_High-H_Low)+H_Low，其中的S为特征层的缩放因子，H_High、H_Low为插值区域的边界高度。

本发明主要是通过计算特征层的缩放因子，再计算非特征层的缩放因子，从而求得垂直方向插值点的高度h以及水平方向的变化率s，最后求得变化后的坐标。

本发明所述人体模版可以采用由POSER6导出的三角面与四边面混合模型。

本发明具有以下有益效果：本发明方法数学原理简要明晰，参数易于控制，结合垂直方向及横向而采用混合插值参数化设计，利用样条拼接原理使得模型作全局参数化后保持C1连续性，而且具备整体缩放与局部细微调整效果，从而解决了模型参数化后的光滑问题。由于直接对特征层进行参数化操作，使得参数化后的人体模型能够直接应用于虚拟服装模拟。

附图说明

下面将结合实施例和附图对本发明作进一步的详细描述：

图1是本发明实施例的工作流程框图；

图2是本发明实施例普通三次样条的示意图；

图3是本发明实施例Cardinal样条与正切向量的示意图；

图4是本发明实施例Cardinal样条的张力因子t示意图；

图5是本发明实施例根据输入的人体参数尺寸所生成的人体模型示意图。

具体实施方式

图1～图5所示为本发明的实施例。本实施例基于混合插值参数化的人体模型设计方法，如图1所示，包括以下步骤：

(1)测量人体的特征尺寸，分围度与长度两类

围度位于水平方向，包括颈围、胸围、下胸围、腰围、臀围，其测量通过计算某一高度水平轮廓外凸包周长求得；长度位于垂直方向，包括身高、颈高、胸高、下胸高、腰高、臀高、跨高、肩宽、臂长，其测量通过计算点到点距离求得；

(2)提取人体模型特征层

特征层为包含特征点的水平层，由特征点所在高度的水平截面与模型求交所得；

(3)根据人体模版本身的特征尺寸以及对应输入的人体参数尺寸，计算出各相应特征层的缩放因子 $S=\frac{D_{\mathrm{Input}}}{D_{\mathrm{Template}}}$ ，其中D_Template为模版本身尺寸，D_Input为对应输入的人体参数尺寸；

(4)以特征层上的点作为控制点，非特征层上的点作为插值点，计算模型非特征层的缩放因子s，其在水平方向表现为水平方向的变化率s

采用Cardinal样条函数定义为s＝Card(S₁，S₂，S₃，S₄，p，u，t)，其中u为Cardinal样条参数(0≤u≤1)，t为张力因子(见图4)，S₁，…，S₄为样条函数的四个控制顶点，即特征层缩放因子，p为插值点垂直高度与模型高度的百分比。在样条函数中间两个控制点S₂、S₃之间的插值点用上述函数求得，例如当s是腰部和臀部间的缩放因子时，则s＝Card(S_Underbreast，S_Waist，S_Hip，S_Crotch，p，u，t)；当s是头部和颈部间的缩放因子时，则s＝Card(1，1，S_Neck，S_Shoulder，p，u，t)。

以下定义Cardinal函数的具体计算方式。如图2所示，普通三次样条函数定义为：

P(u)＝au³+bu²+cu+d，0≤u≤1    1)

指定Cardinal样条的边界条件(见图3)：

P(0)＝P_k

P(1)＝P_k+1

$P^{\′}\left(0\right)=\frac{1}{2}(1-t)(P_{k+1}-P_{k-1})---2)$

$P^{\′}\left(1\right)=\frac{1}{2}(1-t)(P_{k+2}-P_k)$

则P(u)的向量及导数形式为：

$P\left(u\right)=\left[\begin{array}{cccc}{u}^3& u^2& u& 1\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}a\\ b\\ c\\ d\end{array}\right]$           3)

$P^{\′}\left(u\right)=\left[\begin{array}{cccc}3u^2& 2u& 1& 0\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}a\\ b\\ c\\ d\end{array}\right]$

令 $r=\frac{1}{2}(1-t)$ ，由2)、3)式得：

$\left[\begin{array}{c}P\left(0\right)\\ P\left(1\right)\\ P^{\′}\left(0\right)\\ P^{\′}\left(1\right)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{P}_k\\ P_{k+1}\\ r(P_{k+1}-P_{k-1})\\ r(P_{k+2}-P_k)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}0& 0& 0& 1\\ 1& 1& 1& 1\\ 0& 0& 1& 0\\ 3& 2& 1& 0\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}a\\ b\\ c\\ d\end{array}\right]$

求得系数

$\left[\begin{array}{c}a\\ b\\ c\\ d\end{array}\right]{\left[\begin{array}{cccc}0& 0& 0& 1\\ 1& 1& 1& 1\\ 0& 0& 1& 0\\ 3& 2& 1& 0\end{array}\right]}^{-1}\·\left[\begin{array}{c}{P}_k\\ P_{k+1}\\ r(P_{k+1}-P_{k-1})\\ r(P_{k+2}-P_k)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}2& -2& 1& 1\\ -3& 3& -2& 1\\ 0& 0& 1& 0\\ 1& 0& 0& 0\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{P}_k\\ P_{k+1}\\ r(P_{k+1}-P_{k-1})\\ r(P_{k+2}-P_k)\end{array}\right]$

$=\left[\begin{array}{cccc}-r& 2-r& r-2& r\\ 2r& r-3& 3-2r& -r\\ -r& 0& r& 0\\ 0& 1& 0& 0\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{P}_{k-1}\\ P_k\\ P_{k+1}\\ P_{k+2}\end{array}\right]$

因此，将求得的系数代入3)式，Cardinal样条函数可表示为以下形式：

$P\left(u\right)=\left[\begin{array}{cccc}{u}^3& u^2& u& 1\end{array}\right]\·M_c\·\left[\begin{array}{c}{P}_{k-1}\\ P_k\\ P_{k+1}\\ P_{k+2}\end{array}\right]---4)$

其中M_c为Cardinal矩阵

$M_c=\left[\begin{array}{cccc}-r& 2-r& r-2& r\\ 2r& r-3& 3-2r& -r\\ -r& 0& r& 0\\ 0& 1& 0& 0\end{array}\right]$

通过4)式求出的P(u)即为非特征层水平方向的变化率s；

(5)垂直方向插值点的高度定义为：

h＝S(H_High-H_Low)+H_Low   5)

其中S为特征层的缩放因子，H_High、H_Low为插值区域的边界高度

结合以上水平方向和垂直方向的插值点的计算方式4)、5)所得出的水平方向变化率s以及垂直方向插值点的高度h，根据以下坐标行列式6)计算得出变化后新的坐标值：

$\left[\begin{array}{c}{x}^{\′}\\ y^{\′}\\ z^{\′}\\ 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}s& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& h\\ 0& 0& s& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ z\\ 1\end{array}\right]---6)$

左边为模型顶点参数化后的新坐标，从而实现人体模型的设计。

本实施例作为参数化设计的人体模版采用由POSER6导出的三角面与四边面混合模型，利用Visual C++和OpenGL开发应用程序实施。表1所示为对应输入的人体参数尺寸，根据表1的输入参数制作的人体模型如图5所示。

表1对应输入的人体参数尺寸

模型	身高(cm)	颈		胸		下胸		腰		臀
												高	围	高	围	高	围	高	围	高	围
		(a)(b)(c)(d)(e)(f)	191174182161198176	166151161140174155	494350494659	142130136120147131	11113191111140151	137125131115142126	1011218799127141	11610611198120107	83817211881120											9990948310291	96937698114113

本发明方法与模型的拓扑结构无关，参数易于控制，利用样条拼接原理使得参数化后的模型保持样条原有的C1连续性，并具备整体缩放与局部调整效果，参数化后的人体模型能够直接应用于虚拟服装模拟。本发明方法也可应用于人体模型以外的其他模型。

Claims (3)

1.一种基于混合插值参数化的人体模型设计方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)测量人体的特征尺寸，分围度与长度两类

围度位于水平方向，其测量通过计算某一高度水平轮廓外凸包周长求得；长度位于垂直方向，其测量通过计算点到点的距离求得；

(2)提取人体模型特征层

特征层为包含特征点的水平层，由特征点所在高度的水平截面与模型求交所得；

(3)根据人体模版本身的特征尺寸以及对应输入的人体参数尺寸，计算出各相应特征层的缩放因子S；

(4)以特征层上的点作为控制点，非特征层上的点作为插值点，计算模型非特征层的缩放因子s；

(5)根据非特征层的缩放因子，计算插值点新的坐标值，从而实现人体模型的设计。

2.根据权利要求1所述的基于混合插值参数化的人体模型设计方法，其特征在于：

所述步骤(1)中围度包括颈围、胸围、下胸围、腰围、臀围；长度包括身高、颈高、胸高、下胸高、腰高、臀高、跨高、肩宽、臂长；

所述步骤(3)中各相应特征层的缩放因子 $S=\frac{D_{\mathrm{Input}}}{D_{\mathrm{Template}}}$ ，其中D_Template为模版本身尺寸，D_Input为对应输入的人体参数尺寸；

所述步骤(4)中非特征层的缩放因子s，在水平方向表现为水平方向的变化率s，采用Cardinal样条函数定义为s＝Card(S₁，S₂，S₃，S₄，p，u，t)，其中u为Cardinal样条参数(0≤u≤1)，t为张力因子，S₁，…，S₄为样条函数的四个控制顶点，即特征层缩放因子，p为插值点垂直高度与模型高度的百分比；

所述步骤(5)中结合垂直方向插值点的高度h以及水平方向的变化率s，得出变化后新的坐标值，其中垂直方向插值点的高度h＝S(H_High-H_Low)+H_Low，其中的S为特征层的缩放因子，H_High、H_Low为插值区域的边界高度。

3.根据权利要求1或2所述的基于混合插值参数化的人体模型设计方法，其特征在于：所述人体模版采用由POSER6导出的三角面与四边面混合模型。

Images