一種基于熱核的三維人體網(wǎng)格模型分割方法

李珩 蔣海濱 陳穎玲 胡昊 吳壯志

【摘要】提出了一種基于熱核的三維人體模型分割方法。首先計(jì)算三維人體模型頂點(diǎn)的熱核簽名值；然后采用閥值分割法利用設(shè)定的分割閥值對(duì)模型進(jìn)行初始分割；最后對(duì)閥值分割結(jié)果中大于閥值的部分進(jìn)行凝聚聚類，得到最終的分割結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，分割結(jié)果不僅符合視覺最小值原則，還具有很好的語(yǔ)義信息；同時(shí)分割結(jié)果具有與姿勢(shì)無關(guān)和魯棒性好的特點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】熱核簽名；人體模型；模型分割；譜聚類

1.引言

隨著三維人體掃描技術(shù)的發(fā)展，三維人體模型已經(jīng)無處不在，廣泛應(yīng)用于人機(jī)工程、游戲、動(dòng)畫、服裝等領(lǐng)域。由于人體模型越來越精細(xì)，復(fù)雜度越來越高，為了簡(jiǎn)化人體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，同時(shí)更好地適用于其它應(yīng)用領(lǐng)域的需求，通常要求將三維人體模型分割成頭部、軀干、上肢和下肢等部分，為人體模型的高級(jí)表示和進(jìn)一步的語(yǔ)義特征分析提供基礎(chǔ)。

模型分割是形狀特征分析的基礎(chǔ)[1]。由于人體外形受年齡、性別、姿態(tài)等的影響，人體模型的自動(dòng)分割成為一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的問題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此問題進(jìn)行了比較深入的研究。Nurre等[2]應(yīng)用一種六桿的棒形人體模板，通過整體幾何的匹配來達(dá)到細(xì)節(jié)特征識(shí)別，進(jìn)而把人體分成與模板對(duì)應(yīng)的頭、左臂、軀干、右臂、左腿、右腿六個(gè)功能部分；Wang等[3] 通過對(duì)水平面與人體模型相交的截面形狀，應(yīng)用模糊規(guī)則確定拐點(diǎn)位置來識(shí)別腋窩和胯特征點(diǎn)，然后把人體模型分割為與文獻(xiàn)[2]相同的六部分；Werghi等[4]提出了一種基于Reeb圖的三維人體分割算法。通過選取測(cè)地距離函數(shù)作為莫爾斯函數(shù)建立Reeb圖，該方法對(duì)體形、姿態(tài)等變化具有魯棒性。其缺點(diǎn)是計(jì)算量大，算法效率不高；Katz等[5]提出了一種通用的三維網(wǎng)格模型模糊聚類分割算法，該算法可以處理任意姿態(tài)、不同部件比例的模型，并且應(yīng)用了層次分割的思想，在避免了過分割和邊界鋸齒的同時(shí)，能夠得到不同粒度層次分割結(jié)果。此算法應(yīng)用與人體模型可以得到較好的分割結(jié)果。

本文以三維人體測(cè)量為背景，采用坐標(biāo)無關(guān)、幾何不變的模型特征描述子，實(shí)現(xiàn)一種基于熱核的人體模型分割方法。該方法的魯棒性高，不受體型、姿態(tài)變化等的影響；同時(shí)能推廣到分割其它種類的模型。

2.熱核簽名

根據(jù)物理學(xué)中的熱傳導(dǎo)公式，利用拉普拉斯算子求解得到的核函數(shù)稱為熱核函數(shù)。設(shè)M是具有邊界的緊致黎曼流形，則在M上的熱擴(kuò)散過程可以寫成如下式：

4.3 與已有算法的比較

目前，已有的基于熱核的分割算法有Heat Walk[8]方法。該方法根據(jù)熱核簽名與曲率的關(guān)系[8]，通過不斷的迭代聚類獲得分割結(jié)果。該方法同樣具有熱核的等距不變和魯棒性的特征，但是由于缺乏有效的監(jiān)督信息，分割獲得的模型語(yǔ)義信息并不明確。如圖6a所示，在對(duì)人體模型進(jìn)行分割時(shí)，無法實(shí)現(xiàn)將頭部與軀干的分離。從圖6b可以看出，本文的分割方法具有更好的語(yǔ)義信息。

5.結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種基于熱核的三維人體網(wǎng)格分割的方法，通過閥值分割與凝聚聚類相結(jié)合的方法，實(shí)現(xiàn)三維人體模型的部件分割。由于采用的熱核簽名是基于Laplace-Beltrami算子和熱擴(kuò)散理論定義在三維模型上的特征描述子，所獲取的分割結(jié)果與人類視覺認(rèn)知相一致，對(duì)噪聲具有較好的魯棒性，并且與人體姿勢(shì)無關(guān)。實(shí)驗(yàn)還驗(yàn)證了算法具有普適性，通過用來分割不同種類的三維網(wǎng)格模型。

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作者簡(jiǎn)介：李珩（1971—），男，大學(xué)本科，高級(jí)工程師，現(xiàn)供職于航宇救生裝備有限公司，研究方向：航空救生。