个性化三维人体OBJ模型文件的构建.pdf

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1、第2 9 卷第1 0 期 2 0 0 8 年1 0 月 纺织学报 J o u r n a lo fT e x t i l eR e s e a r c h V 0 1 2 9N o 1 0 0 c 1 2 0 0 8 文章编号：0 2 5 3 9 7 2 1 ( 2 0 0 8 ) 1 0 - 0 1 2 7 0 5 个性化三维人体O B J 模型文件的构建 李雪飞，周毅灵 ( 北京服装学院计算机信息中心，北京1 0 0 0 2 9 ) 摘要针对三维人体扫描数据，通过分析数据文件的结构，对其进行格式化处理，然后从中提取每个高度层面的 关键数据点。在D e l a u n a y 三角剖分算法的

2、基础上，对其进行改进，利用改进的D e l a u n a y 三角剖分算法，将这些关键 点构成三角平面并确定关键点的关系，构造出可以被三维建模软件识别的O B J 模型格式的文件，得到相应人体的 三维模型。实验结果表明，利用此方法处理数据简单、快速，适用于建立大量个性化的人体模型。 关键词关键点；提取；三角剖分；人体模型；O B J 模型 中图分类号：“ I S9 4 1 2 6文献标识码：A B u i l d i n gi n d i v i d u a l i t y3 - Dm a n i k i nO B Jm o d e ld o c u m e n t L IX u e f e

3、 i ，Z H O UY i l i n g ( C o m p u t e rI n f o r m a t i o nC e l l t 6 r ft B e i j i n gI n s t i t u t eo fF a s h i o nT e c h n o l o g y ，B e i j i n g 1 0 0 0 2 9 ，C h i n a ) A b s t r a c tF o r m a tp r o c e s s i n go f3 - Db o d ys c a nd a t ai sc a r r i e do u tt h r o u g ha n a l

4、y z i n gt h ed a t af i l es t r u c t u r e a n dt h e nk e yd a t ap o i n t so fe a c hh i e r a r c h i c a ll e v e la r ee x t r a c t e d T h ei m p r o v e d D e l a u n a yt r i a n g u l a t i o n a l g o r i t h mi su s e d t ot h e s ek e yp o i n t sc o n s t r u c tt h e s ek e yp o i

5、 n t si n t ot r i a n g u l a rp l a n ea n dd e t e r m i n et h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ek e yp o i n t s ，a n dc o n s t r u c tt h eO B Jf i l ef o r m a tm o d e lw h i c hc a nb er e c o g n i z e db y c o m m o n l yu s e d3 一Dm o d e l i n gs o f t w a r e t h u st h ec o

6、r r e s p o n d i n gh u m a nb o d yv i r t u a lm o d e li so b t a i n e d T h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h i sd a t ap r o c e s s i n gm e t h o di ss i m p l e ，r a p i da n ds u i t a b l et ot h ee s t a b l i s h m e n to f m a s s i v ei n d i v i d u a l i t ym

7、a n i k i nm o d e l s K e yw o r d sk e yp o i n t ；e x t r a c t ；d i v i d i n gt r i a n g u l a rp l a n e s ；m a n i k i n ；O B Jm o d e l 三维人体模型在游戏、服装设计、舞台表演、传 统工业等领域有极其广泛的应用，建立人体的计算 机虚拟仿真模型主要有以下2 种方法：1 ) 利用通用 建模软件M a y a ，3 D m a x ，P o s e r 等绘制人体的三维模 型；2 ) 利用三维扫描仪获得真实人体表面的几何数 据，将这些数据重建得到人体

8、模型。但是利用三 维软件建立人体模型一般都是标准化人体，需要专 业的三维建模师，特别是在服装领域，不仅增加了产 品的成本，且多数设计师难以掌握其操作，尤其是在 定制服装方面，第1 种方法有很大的局限性。利用 三维扫描仪虽然可以获得最符合个性人体的三维模 型，但是获得的真实人体表面的几何数据往往非常 庞大，后期处理非常复杂，目前仍没有找到一种高 效、简洁的方法，耗时耗力。本文利用三维扫描数 据，重构O B J 模型三维人体，以满足建立大量个性化 人体三维模型的需求，在定制服装、舞台表演，游戏 等领域有一定的应用前景。 1O B J 模型文件简介 经常见到的* o b j 文件有2 种：第1 种是

9、基于 C O F F ( c o m m o no b j e c tf i l ef o r m a t ) 格式的O B J 文件( 也 称目标文件) ，这种格式用于编译应用程序；第2 种 是W a v e f r o n t 公司推出的O B J 模型文件。O B J 模型文 件是W a v e f r o n t 公司为基于工作站的3 D 建模和动 画软件A d v a n c e dV i s u a l i z e r 开发的一种文件格式，是 一种标准的3 D 模型文件格式，很适合用于3 D 软 件模型之间的互导，目前几乎所有知名的3 D 软件 都支持O B J 文件的读写，O B

10、 J 3 0 格式支持多边形 ( p o l y g o n ) ，直线( 1 i n e s ) ，表面( s u r f a c e s ) 和自由形态曲 收稿日期：2 0 0 8 0 4 1 4 修回日期：2 0 0 8 0 6 0 2 作者简介：李雪飞( 1 9 6 8 一) ，男。副教授，学士。研究领域为服装C A D 及管理信息系统。E - m a i l ：l i x f 2 0 0 5 1 2 6 c o r n 。 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the w

11、atermark 1 2 8 纺织学报 第2 9 卷 线( f r e e f o r mc u r v e s ) 。直线和多角形通过它们的点来 描述，曲线和表面则根据它们的控制点和依附于曲 线类型的额外信息来定义。这些信息支持规则和不 规则的曲线，包括那些基于贝塞尔( B e z i e r ) 曲线，B 样条( B s p l i n e ) 和泰勒方程( T a y l o re q u a t i o n s ) 等的 曲线。 2 三维扫描数据的存储及处理 2 1 扫描数据文件结构特征 使用三维扫描仪采集人体表面的几何数据可以 得到1 个文本类型的数据文件，扫描时以身高为基 准，定步

12、长的选取若干高度面，在同一高度面上测量 若干个数据点。最终得到包含1 ；个点的三维坐标 并，Y ，z ，每个点坐标逐行排列，构成n 行3 列的数据 文件。通常1 个人体扫描数据的文件在1 0M B 左右， 数据点量在2 0 多万，因此在建立人体前，需要对原 始扫描数据进行处理，提取关键点( 用于构造O B J 模 型时三角面片的顶点) ，压缩处理数据。 2 2 格式化原始数据存储结构 为了方便使用数据，首先将数据文件进行格式 化处理，建立一种数据结构存储原始数据。由于人 体各部分的横截面大小不同，因此每个高度面上扫 描数据点的个数亦不相同，而且随着人体身高的不 同，高度层数也不定，所以可以将原

13、始数据的存储采 用面型链表来完成。数据结构如图1 所示。其中 横、纵2 个方向上都是链表。纵向为高度索引项，用 来存储高度信息和横向链表的头。横向链表是1 个 循环链表，用来存储该高度层上所有点的三维 坐标。 第1 高度层数掘链表 第2 高度层数掘链袁 第似一1 ) 高度层数据链表 第n 高度层数槲链表 图1 数据结构图 F i g 1 S t r u c t u r eo fd a t as t o r a g e 2 3 关键点提取 2 3 1 前后片的分割 在构造三角平面时，为了确保所构三角面是人 体表面，避免穿越人体内部，首先要将人体分成前后 2 个部分分别构造，分界点作为前后2 部分

14、的连接 结点。因为人体扫描数据是从上到下，在同一高度 层面上选取距离最大的2 个点，这2 个点作为人体 前后片的分界点，因此在提取关键数据点时，需要判 断该数据点在人体前、后哪个表面上，以便构造三 角面。 2 3 2 关键点的提取 关键点提取的数量过多，虽然能较准确地描述 曲线形状，但在构造人体曲面以及人体模型旋转时 处理速度较慢；关键点提取数量过少，构造的人体曲 面不够光滑，人体模型失真严重。逆向工程C A D 中 有很多关键点提取方法，常见的有：利用专业的逆向 软件来处理点云数据心。】、基于迭代法提取关键 点【4 j 、利用取样法、弦差分法、包围盒法b 1 等，利用上 述方法，虽然可以得到

15、少而精细的关键点，但处理过 程较为复杂，速度较慢，不适用于处理大量的人体扫 描数据。本文首先设定一个距离艿，作为提取关键 点的最小点距。同一高度层上，以一个前后分界点 作为基础关键点，在同一高度层上按一定方向寻找 距该关键点距离大于艿的第1 个点，接着以该点为 新的基础关键点，寻找下一关键点，直到判断完该层 前片( 或后片) 的所有扫描点，就提取出该高度层上 前片( 或后片) 所有的关键点( 关键点的存储结构仍 采用储存原始数据的数据结构) 。以此类推，提取出 前后片所有高度层上的关键点，就得到重构人体所 需的数据。 用该方法处理数据可有效提高速度，完整地保 存了坐标变化量大的数据点，最大限度

16、的符合人体 特征。当然使用变化量处理扫描数据，遇到变化量 小的一片数据时( 身体曲线变化较小) ，都会删除这 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 第1 0 期李雪飞等：个性化三维人体o B J 模型文件的构建 1 2 9 些数据，会导致较严重失真，所以需要限制2 个关键 点之间删除数据点的最多个数( 。) ，这样既可以 删除大量不重要点，又能保证最终构造曲面的光 滑度。 3 人体O B J 模型建立 3 1理论依据 要得到人体O B J 模型，需要对提

17、取的关键点进 行三角面片重构。本文根据提取到的数据特征，简 化逆向工程C A D 与建立矿床地质模型。o 中常用 的D e l a u n a y 三角剖分法来生成三角面片。 D e l a u n a y 三角剖分算法是一种常用的算法，它 的特点是剖分结果的每个三角形都尽可能接近等边 三角形捕1 ，该方法是目前研究领域应用较为广泛的 一种剖分方法。在构造三角平面时，只需考虑相邻 2 个高度层面上的点，若照搬逆向工程中的三角剖 分法，在空间任意选点，将重复处理一些原本与这2 个点没有关系的数据，浪费时间和系统资源，所以， 本文将逆向工程中的三角剖分方法进行简化处理， 在构造三角平面时，选取上层

18、相邻2 点，在选取 第3 点时，限定其在该层相邻的下一高度层上，这样 可以节约大量的时间和系统资源，快速得到关键数 据点的相互关系，构成三角面片。 3 2 三角面片生成 首先引入最优顶点定义，设点P 为下一层点集 中任意一点，若点P 与该层界边A B 构成的三角形 最接近正三角形( 三角形最小内角值最大，理想状态 为6 0 。) ，则称点P 为与边A B 所构成三角形的最优 顶点，见图2 三角划分示意图，其中P 。、P 。分别为 连接点( P 。，P ：) 、( P ：，P ，) 边的最优顶点。构造三角 面片算法的流程图见图3 。 图2 三角划分示意图 F i g 2T r i a n g l

19、 ed i v i s i o ns c h e m a t i cd r a w i n g 图3 三角面片算法的流程图 F i g 3 F l o wc h a r to ft r i a n g l e $ 1 1 i f a c ep i e c ea l g o r i t h m 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 1 3 0 纺织学报 第2 9 卷 根据该算法，利用关键点构造三角平面，将点面 关系制作成人体的O B J 模型文件，利用常见

20、三维建 模软件得到三维人体模型。 4 实验结果说明 4 1 关键点提取 关键点数量与关键点的最小点距、最多删除点 个数的关系表示为 N = M ( 艿，一) ( 1 ) 式中：N 为关键点数；艿为关键点的最小点距；一 为最多删除点个数。 表1 为分别取( 艿= 0 ，一= 0 ) ，( 艿= 8 ，一= 5 ) ，( 艿= 8 ，一= 1 0 ) ，( 艿= 1 6 ，J I 、r 一= 5 ) ，( 艿= 1 6 ， 。= 1 0 ) 得到的关键点数与压缩比率对照表。图4 为对应表l 条件得到关键点点云描绘图。通过实验 发现，当变化量艿大约为8 ，最多删除点个数。大 约为1 0 时，即N =

21、 M ( 8 ，1 0 ) ，此时，通过测量，胸围 由原来的8 5 7m m 变为8 3 9m i t t ，相差1 8m m ，腰围由原 来的6 4 3m m 变为6 3 1 舢，相差1 2m m ，得到结果基本 能满足需求。 表1 关键点数对照表 T a b 1 C o m p a r a t i v et a b l eo fk e yp o i n t s 图4 实体扫描点描绘图 F i g 4D r a w i n go fk e yp o i n t s 利用变化量大小来提取关键点，只要变化量大 小以及最大间隔点数控制适当，得到结果效果良好， 缩减数据量大，消耗时f a l l “

22、 ，可以满足建立人体模型 的要求。 4 2 人台模型结果 图5 为不同条件提取的关键点构成的人体胸前 片图。可以看到，如关键点提取条件适当，通过三角 划分得到的虚拟人体模型就能较好地反映人体特征。 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 第1 0 期李雪飞等：个性化三维人体O B J 模型文件的构建 ( c ) 胸前片网格图M 8 ，1 0 ) ( d ) 胸前片网格I l I M 0 6 ，1 0 ) 三维计算机人体模型。实验表明，本文的处理过程 有效，

23、便捷，能快速得到符合要求的计算机人体模 型，可满足处理大量真实人体扫描数据得到个性化 人体模型的需求，适用于建立大量个性化的人体模 型，应用到不同的领域。恻 参考文献： 2 3 4 图5 胸前片渲染图和网格图 F i g 5D r a w i n go fm n g e ra n d df o rb r e a s t ( a ) R a n g e rf o r b r e a s tM ( 8 ，1 0 ) ；( b ) R a n g e rf o rb r e a s tM ( 1 6 ，1 0 ) ；( c ) G r i d 5 f o rb r e a s tM ( 8 ，1 0

24、 ) ；( d ) G r i df o rb r e a s tM ( 1 6 ，1 0 ) 5结论 通过变化量大小来提取关键点，可以按照需求 对实际人体三维扫描数据进行处理，提取到少量的 关键点，再利用简化D e l a u n a y 三角剖分算法得到三 角面片和关键点的关系，最后将生成的O B J 模型文 件导入常用的三维建模软件，得到基于真实人体的 6 7 8 P e t r o vM ，T a l a p o vA ，R o b e r t s o nT ，e ta 1 O p t i c a l3 D d i g i t i z e r s ：b r i n g l i f et

25、 ot h ev i r t u a lw o r l d J I E E E C o m p u t e rG r a p h i c sa n dA p p l i c a t i o n 1 9 9 8 。1 8 ( 3 ) ：2 8 3 7 刘正，张欣，陈翔基于逆向工程技术的虚拟个性化 人台的制作 J 天津工业大学学报。2 0 0 5 ( 6 ) ：3 8 4 0 夏链，李小伟，张栋栋。等基于C AT I A 的逆向工程 的曲面重建 J 合肥工业大学学报：自然科学版， 2 0 0 7 ( 7 ) ：8 0 5 8 0 8 荆晶，刘玉兰，葛庆平一种基于迭代提取关键点的 曲线拟合新算法 J

26、 首都师范大学学报：自然科学 版，2 0 0 4 ( 1 2 ) ：2 2 2 5 刘军强，高建民，李言，等基于逆向工程的点云数据 预处理技术研究 J 现代制造工程，2 0 0 5 ( 7 ) ：7 3 7 5 杨耀权，于希宁，施仁煤场存煤量测量中煤堆三维 立体图生成方法研究 J 计算机应用，1 9 9 9 ( 4 ) ： 7 6 8 2 肖双九，邱泽阳。张树生，等成多连通曲面离散点集 的3 D 三角划分算法研究 J 软件学报，2 0 0 2 ( 4 ) ： 6 5 9 6 6 3 高亮，李伟波基于O p e n G L 实现三位散乱点集的 D e l a u n a y 三角剖分 J 软件导刊，2 0 0 6 ( 1 1 ) ：2 4 2 6 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark