一種基于人體測量學的三維人體快速建模方法研究與實現

摘要：常用的個性化三維人體建模方法存在數據量大，處理過程復雜，不適合Web應用的不足，該文提出一種新的快速進行三維人體建模的方法，該方法根據人體測量學和人體解剖學原理，結合人體表面特征點和特征線分布規律，應用超橢圓仿真人體各截面、采用層次參數驅動設計思想，實現快速創建個性化三維人體模型。該方法具有滿足實時要求、交互參數少，易于控制，誤差小、模型真實感強等優點，并可以準確地提供骨骼關節點和人體特征點，適于三維仿真形象動態設計、人體運動模擬和虛擬服裝試衣等多種應用。

關鍵詞：人體建模；人體測量學；曲面仿真；參數設計

中圖分類號：TP391文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2008)34-1741-03

A Real-time Method for Parameterized Human Body Modeling Based on Anthropometry

ZHANG Hong-ming1，2

(1.Software School， Xiamen University， Xiamen 361005， China; 2.Longyan Cigarette Factory， Xiamen 364021， China)

Abstract: The traditional individual 3D virtual humand modeling method has drawbacks of mass data and complex post-processing. It does not suit the Web application. The research presented in this paper is to propose a novel real-time approach of 3D human parameterized modeling based on anthropometry. According to the principle in Anthropometry and Anatomy， the model surface are divided into several parts.The human cross-section of torso and limbs are simulated by surper-ellipse curvers. Some feature points are selected from supre-ellipse curvers to generate the Nurbs surfaces of torso and limbs. A hiberarchy parameterization driven mechanism based on Anthropometry data is used to calculate parameter values during the humand model generating.The experiment result indicates that the method is flexible， little data quantity， easy-control， realistic and exact， and fit for many Web applications such as virtual image-building， virtual human motio and virtual try-on.

Key words: human modeling; anthropometry; surface fitting; parameterization

1 引言

近年來，隨著網絡技術的發展及服裝銷售模式向網絡個性化消費模式的轉變，個性化的人體建模一直是人們研究的熱點之一。當前獲得個性化人體模型常用的方法是用三維激光掃描儀獲得人體三維點云數據，再對點云數據進行處理 [1-4]。這種方法建立的模型通常有比較高的精度，但建模速度慢、對場地和設備要求較高，無法滿足實時要求的個性化服裝展示及定制的場合。如在網上定購服裝或進行虛擬試衣的環境下，應用激光掃描或其他需要復雜的處理程序的方法明顯是不適合的。在網絡服裝銷售和其他需要個性化形體展示的應用中，快速、低成本的基于特征的個性化建模方法具有很好的發展前景。該文提出一種基于人體測量學數據的方法來創建個性化三維人體模型，不僅使用簡單并且具有快速便捷的優點，非常適合網絡應用。

2 人體測量學在人體建模中的應用研究

人體測量學是一門關于人體測量的生物學科學，它系統的研究人體不同的面貌和身體形態。通過系統地收集人體測量數據，人們可以對不同組群的人體進行多種統計學上的研究。在基于人體測量學參數化建模方面，早期的工作見于Grosso的研究[5]，Grosso用圓柱來表示身體模型。根據關節位置，模型被分成幾個部分，每個部分參數化為三個主要的測量量：高度、寬度和深度。根據預先存放好的人體測量度量改變模型的參數，將產生不同的模型。1994年Azula等人提出了人體測量學數據縮放系統（Spreadsheet Anthropometry Scaling System）[6]，這個系統依據人體測量統計數據生成虛擬人體模型，主要用于人機工效學的應用。用戶可以在這個名為“JACK”的系統中創建適當比例的人體模型，并對模型進行控制調節。H.seo 隨后將類似的方法應用于人臉的生成[7]。DeCarlo [8] 借助變量模型技術，將人臉建模的問題看作是生成一組人體測量學數據的問題，使生成的人臉能盡可能的反映測量數據。王維等在Jack軟件中建立了基于國標人體測量學數據的人體模型動態縮放子系統[9]。這些技術大多需要復雜的計算模型和模板，不適合網絡應用。

3 基于人體測量學的三維人體快速建模技術研究

本方法采用的人體測量學數據來源于采用美國[TC]2 公司的三維人體測量儀測得的78項人體測量項目。該方法可以根據客戶輸入的幾個測量尺寸參數如：胸圍、腰圍、肩寬、等人體特征參數、快速產生滿足規定尺寸條件的人體模型。產生的模型為符合VRML2.0中的H-Anim 標準的人體模型[10]。建模流程如圖1所示：首先用超橢圓或橢圓組合曲線仿真人體各部分橫截面，根據人體測量學和人體解剖學的統計規律推測建模所需的其他參數。然后根據參數和各特征點用多個Nurbs曲面進行擬合，在對多個Nurbs曲面進行拼接后，最終得到個性化的三維人體模型。

3.1 模型分割和參數選取

根據人體不同部位的解剖學的特點，將模型分成6個部分，分別是頭、軀干、上肢、下肢、手、足。其中軀干是體現人體體型特征的主要部分，包括肩部、頸部、胸部、腰部、臀部。根據人體測量學選取 8個代表人體特征的參數，如表1所示。這些參數為人們日常生活中所熟識，不但易于自身測量，而且容易記憶。人體建模將應用這些測量參數通過人體測量學統計數據及人體美學的比例推算出其他建模所需要的測量參數。頭和手、足由于造型結構復雜，用三角網格模型通過變形得到。

3.2 造型曲線設計

人體的水平截面有類似于超橢圓的特點，應用橢圓進行人體建模，可以到很好的效果，本文應用超橢圓仿真人體各橫切面輪廓曲線，超橢圓參數方程：

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超橢圓具有表達式簡單、控制參數少（a，b，s），對稱性強，曲率變化連續，具有較強的覆蓋特性等諸多優點[11]，我們應用超橢圓及超橢圓的組合完成胸圍截面、腰圍截面、臀圍截面、及四肢截面的擬合來達到人體橫截面造型的效果。舉胸部為例。胸部是人體主干部位最為復雜的部分，因為前胸和后背具有二峰性，但峰值是不相等的，如圖2所示，應用4個相切的橢圓A、B、C、D來仿真胸圍截面。選取切點及其他特征點（如圖用黑點表示），用Nurbs曲線擬合胸圍如圖3所示。

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圖2 用橢圓相切仿真胸圍線橫截面 圖3 用Nurbs曲線擬合胸圍

該模型的優點是胸圍線的形狀可以通過簡單的參數靈活控制，如可以調整A、B、D的橫軸來改變胸前乳溝的深度;調整A、B、C的橫軸來改變胸背的平滑度；調整A、B的橫軸來改變胸的寬度;調整A、B的縱軸來改變胸的厚度。與胸部形狀相比，腰部、臀部和四肢截面形狀簡單。根據腰部截面和四肢截面前后弧度不同的特點，采用兩個共橫軸的超橢圓合并，進行仿真。圖4為軀干部分三圍造型曲線與成年女子軀干相應橫截面輪廓對比。圖5為根據軀干各造型曲線特征點用Nurbs曲面擬合的模型。

3.3 參數驅動設計

參數驅動設計目的是根據輸入主要的參數，推測出其余人體建模需要的數據。參數驅動采用參數驅動樹的形式，用層次的方法加以實現。根據人體測量學將建模所需要的參數分成四個層次。

第一層為輸入參數，稱為主動參數。第二層次為整體定位驅動。即由主動參數驅動各造型曲線在人體橫截面中心的高度和位置。第三層次為局部造型驅動，即各造型曲線形狀驅動。在整體定位的基礎上，驅動決定各造型曲線形狀的參數。如根據胸圍長度、年齡、性別計算胸寬、胸厚即超橢圓的長短軸、權值等。第四層次特征點定位驅動，定位人體表面特征點，對模型進行調整。如根據如局部造型計算肩胛股點、髂前上棘點等位置。

以上四個層次的驅動用兩類技術實現。一類為通過人體比例學、美學驅動，如高度方面的參數，一類是通過對人體測量數據庫的數據的分析，應用因子分析、相關分析和回歸分析進行推算。

3.3.1 基于人體解剖學比例的參數驅動

根據人體各部份之間存在固有的比例關系進行整體定位參數驅動。根據“頭高說”，人體各部分水平截面位置如圖6所示。按比例可以迅速推算出胸圍線高、腰圍線高、臀圍線高、肩高、以及上臂長、前臂長、大腿長、小腿長，等參數數值。應用“黃金分割律”可以推測局部關節點的位置。如肘關節是肩峰到中指中點之分割點。通過比例關系驅動可以大大降低參數驅動模型的復雜性，提高建模速度。

3.3.2 基于人體測量數據庫的參數驅動

人體各部位的尺寸變化不是獨立的，而是存在著相互的聯系。通過對人體測量數據庫測量數據的分析，可以確立各參數間的關系和推算規則。局部造型驅動依據這些關系和規則產生其他參數。如胸部的局部造型，給定的年齡段、性別、胸圍長度，通過對數據進行因子分析，相關分析和回歸分析可以推算出其他決定胸部造型的參數，如胸寬、乳間距、上下胸圍長度等。

舉胸部局部造型驅動部分為例：實驗樣本為成年女子200 人，年齡段為20~30歲。測量項目為采用美國[TC]2 公司的三維人體測量儀測得78項人體測量項目，經過因子分析，選取X1胸圍；X2 胸寬；X3上胸圍；X4下胸圍； X7 乳間距為同一參數組。對各參數進行相關分析，選取顯著性α=0.05( 可信度為95%)，相關系數如表2。

從表2中可看出，5個項目間的相關性都很強，相關系數都超過0.5。表3為應用一元回歸分析由胸圍推測胸部其他參數的回歸方程：

S2=S1×0.339+8.268； S3=S1×0.847+0.791

S4=S1×0.740+9.201； S5=S1×0.158+4.422

我們可以應用一元或多元回歸的方法得到更多的推算表達式，前提是人體測量數據庫包含的人體測量記錄必須足夠大。

4 三維人體快速建模方法實現

我們用VC++6.0 OPENGL 在windowXP系統上實現了一個三維人體模型快速定制系統， 測量數據為采用美國[TC]2 公司的三維人體測量儀測得78項人體測量項目（不包括體重）。數據庫為sqlserver2000。如圖7所示，根據用戶輸入的參數值（如表4）創建的三維人體模型。系統運行結果表明，該建模方法具有速度快、數據量小、控制靈活等特點。

5 結論及展望

基于人體測量學的建模方法可以實現快速創建個性化的人體模型，具有以下優點： 1) 數據量小、算法，簡單適合Internet應用。建模前期準備工作主要是人體測量數據的分析，為一次性工作。2) 模型控制性強，大小符合輸入參數量的描述，并且形體美觀的效果，適合于形體展示。3) 模型可以較準確地提供骨骼關節位置（H-Anim 標準）和特征點，有效支持運動模擬和虛擬試衣的碰撞檢測。4)參數驅動機制靈活，通過增加輸入參數項目可以得到更為精確的人體模型。

下一步的研究將在對測量數據的分析基礎上，定位特征點，根據人體表面特征點對人體進行更精細的刻畫，如胸窩、鎖骨等，讓模型更準確地反映不同體型、種族、地域的特點。隨著我國人體測量尺寸數據庫的不斷豐富，基于人體測量學的建模方法的應用將會越來越廣泛，具有對網上服裝展示及其他形體展現的發展具有重要的意義。

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