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专利号: 2019106050651
申请人: 杭州同绘科技有限公司
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2026-08-04
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种基于欧拉场形变约束的人体几何重建方法,其特征在于,包括以下三个步骤:

(1)基于特征点驱动骨架变形的人体姿态粗略对齐:以目标人体网格为数据源,使用随机森林回归方法提取人体特征点,再通过这些特征点计算得到目标人体骨架节点;用特征点驱动骨架变形,并用线性混合蒙皮LBS方法驱动网格变形,使模板模型与目标模型的姿态粗略对齐;

(2)基于HRBF局部场约束的姿态调整与区域变形:以HRBF生成的局部场为基础,进行局部形状差异驱动的刚性变换;并进行基于局部形状驱动的区域膨胀与收缩;

(3)基于欧拉场目标能量函数驱动演化的人体重建:以姿态对齐的模板网格生成的SDF为基础,优化欧拉场中以目标数据约束、人体形变约束、水平集特性约束为基础的目标能量函数,计算形变向量场并得到SDF形变结果,依此驱动模板网格与目标模型的形状对齐,实现三维人体重建。

2.根据权利要求1所述的基于欧拉场形变约束的人体几何重建方法,其特征在于,步骤(1)中,模板模型为T型的静止姿态。

3.根据权利要求1所述的基于欧拉场形变约束的人体几何重建方法,其特征在于,步骤(2)具体过程为:局部的姿态调整采用估计局部HRBF场的刚性变换,为估计目标人体局部表面,对目标数据进行空间离散化,得到目标数据的符号距离场φtar,并得到场的梯度用空间场驱动中心点集合,间接驱动HRBF局部场的形变,贴近目标数据的局部形状;在得到目标SDF之后,对于HRBF中心点的驱动向量表达为其中,φtar(vc)表示在点vc处的场函数值,nc表示vc处的场梯度方向,这里使用空间节点值的三线性插值得到中心点处的具体场函数值;用u(vc)对vc进行驱动,通过迭代,使中心点最终落在目标数据表面;在中心点到达终点位置 后,将其法线方向设定为至此,得到HRBF场中心点为核心的表面对齐结果;为使局部HRBF场尽可能与目标的局部进行对齐,姿态调整的能量方程表达为Tp表示模板骨架旋转的变化量,使用中心点运动集合关于局部节点的旋转变换估计旋转轴时,同样利用四元数表达平均,而进行旋转角度的估计时,用局部线性化方法迭代求解;这里添加了目标表面的法线能量约束 且 代表与vc相匹配的中心点,也就是说,在每次迭代结束后,将通过ICP方法,依据法线和位置关系,更新每个中心点的目标匹配点,再进行下一次的迭代;这里的扭曲向量与粗略对齐阶段一致,在到达迭代终点后,得到人体姿态的调整结果;

利用HRBF场的膨胀与收缩,提供一个局部尺度的状态,作为拟合阶段的初始化输入;利用局部场进行姿态调整时,使用HRBF场作为局部形状的估计,故将中心点集合驱动至目标曲面;首先预先估计HRBF的形变终点状态,再通过每次迭代后的中心点驱动拟合,估计出合适的局部场膨胀收缩的γ值;在得知HRBF中心点运动终点集合 后,能量可以表达为:由于未知数仅是一个常量,因此该目标能量函数的解可以直接写作

其中Nc表示除额外附加点外,中心点的个数,在将γ作为膨胀收缩系数应用于局部场时,中心点通过运动到达新的位置,再在中心点到达的新位置处得到欧拉向量场的状态,通过此状态下的欧拉场驱动,使中心点运动到目标表面,得到新的终点集合;通过迭代,即可得到区域的膨胀收缩系数。

4.根据权利要求1所述的基于欧拉场形变约束的人体几何重建方法,其特征在于,步骤(3)具体过程为:使用空间离散化的欧拉场目标能量函数驱动演化,进行形状的重建;将模板与目标人体网格所在空间离散化生成SDF,再使用目标数据约束、人体形变约束及水平集约束,建立基于欧拉空间的目标能量函数,并使用梯度下降的方法估计对齐模板与目标SDF的向量场;SDF对齐后,再利用SDF驱动模板网格至目标形状,完成目标数据的结构化人体重建。

5.根据权利要求4所述的基于欧拉场形变约束的人体几何重建方法,其特征在于,假设模板模型SDF为φtmp,目标模型SDF为φtar,受向量场驱动后的SDF为φtmp(Ψ),则约束模板模型向量场向目标模型向量场对齐的能量表示为这里的求和运算表示对SDF中所有参与运算节点的结果进行求和;

借助该HRBF场的形变驱动,为向量场Ψ提供基于人体形变的平滑能量约束,写为:

其中,JΨ即Ψ的雅克比矩阵,而 则表示Ψbody的雅克比矩阵;此处Ψbody是指可以将φtmp与φHRBF对齐的向量场,而φHRBF是由受目标SDF驱动进行变形到终点的局部HRBF场的组合场生成的,因此Ψbody同样具有平滑的特点及人体局部形变的特征,这些特性反映在中,因此当Ψ向量场局部特性与Ψbody靠近时,能够获得人体局部的形变特征约束,使驱动φtmp演化时更好地体现人体形变特;

为确保SDF场的水平集特性,在每次迭代后满足

即确保其等值面尺度为1。

6.根据权利要求4所述的基于欧拉场形变约束的人体几何重建方法,其特征在于,在生成SDF的同时,记录三角网格点对应于φtmp真实值ψ0,在φtmp于向量场下进行驱动变形时,也将网格点随着SDF变化进行如下驱动其中,vi表示网格点, 表示网格点的驱动后新位置,ψ(vi)表示网格点vi在向量场变化后,在向量场φtmp(Ψ)中的新值,而 则表示向量场中相应位置处φtmp(Ψ)的梯度使用该公式驱动,通过步长η,将vi移动到原来的等值面位置,相当于跟随SDF表面进行运动。

7.根据权利要求4所述的基于欧拉场形变约束的人体几何重建方法,其特征在于,SDF驱动过程中,使用局部的切向弛豫方法,每次迭代中将网格点依权重向其1环邻域点的加权中心移动;在初始状态下,对网格使用均值坐标方法,求出网格点的1环邻域点在其切平面上的投影集合qij,而质心坐标为bij,则初始状态下满足v=∑jbijqij,而在迭代中用如下公式进行修正:其中, 表示切向修正后的顶点位置,权重μ表达为一个随ψ(vi)变化的平滑函数代表的是网格点未被驱动而SDF变化后的初始值,ψ0(vi)表示三角网格点对应于φtmp的真实值;在驱动一开始将进行比较大的切向驰豫,在接近目标等值面时则选择逐渐削减驰豫直至为0。

8.根据权利要求7所述的基于欧拉场形变约束的人体几何重建方法,其特征在于,当有些区域产生尖锐的畸变时,在相应的区域点处使用拉普拉斯平滑(Laplacian smoothing)处理。