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个性化人体模型与肢体协同运动研究

作　者: 黄新
导　师: 郝矿荣
学　校: 东华大学
专　业: 模式识别与智能系统
关键词: 个性化人体肢体协同运动三维服装CAD技术线状骨架多方向协同变形三维图元共形变换
分类号: TP391.41
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

近年来,三维个性化人体生成和肢体的协同运动已经成为虚拟现实领域的重要发展方向,作为三维虚拟服装CAD系统核心的组成部分,它允许用户直接对服装的款式和尺寸进行选择和修改,并通过三维显示的方式呈现给用户。另外,不同人体姿态的三维重构也会给服装的动态展示和舒适性评价打下坚实的基础。个性化生成和肢体协同运动后的三维人体模型能否准确反映人体的体型指标和姿态参数取决于生成原理和重构方法。因此,对个性化人体生成和肢体协同运动理论与方法的研究对于加快虚拟现实和三维服装CAD技术的发展有着重要的理论意义和应用价值。三维个性化人体生成和肢体协同运动包括人体模型数据库的建立、个性化人体生成、线状骨架提取和人体姿态的三维重构理论与方法,整体目标在于构建面向互联网的用户服装个性化定制和展示平台,并在此基础上实现相关算法的研究。提出基于三维图元的多方向协同变形的不同体型生成方法。首先通过现有模型库选择所使用的模板人体模型和目标人体模型,随后利用人体造型设计软件对模型进行了三维图元划分；利用不同图元的共性,抽象得到三维图元的各种参数,提取获得了模板图元的形状特征和目标图元的变化范围,提出图元曲线插值算法以生成图元方向截线；进而提出了最小距离准则的方法得到人体的不同图元,从而获得准确的不同人体体型。提出基于三维图元和多方向轮廓线的个性化人体生成方法。阐述了参照法提取图像像素尺寸的原理和方法；根据不同方向的人体图像轮廓线；将部分分块和人体骨架相结合,提取图元方向尺寸；通过身高和图元方向尺寸分级匹配对人体图元数据库进行搜索,以确定相似的人体图元,从而为模型的变形提供依据；利用定位的人体轮廓线和关键特征点,提出了多方向轮廓线驱动变形的方法,生成了具有目标体型特征的三维人体模型。提出基于改进Hopfield神经网络和方向特征的人体线状骨架提取方法。根据人体模型冠状面的定义,针对模型三角片提出了深度信息的概念,用以定位人体的躯干部位；提出了改进Hopfield神经网络和方向特征相结合的特征点定位方法,实现目标人体的躯干特征点定位；介绍了模型的斜截线原理,并提出利用肢体方向特征获取准确的人体肢体特征点的方法；基于人体的骨架模型,给出了准确的目标人体线状骨架。提出基于共形变换的人体肢体的协同运动方法。提出了颜色直方图和距离分类相结合的方法,实现了对目标人体关节特征点的定位；阐述了人体骨架点和骨架段模型,并通过相互连接骨架点迭代计算尺度因子的方法,得到了骨架点的三维信息；在对运动方向与角度进行计算的基础上,提出了基于共形变换的人体肢体的协同运动方法,从而实现了人体肢体的协同运动以及人体姿态的三维重构。最后,对三维个性化人体生成和肢体的协同运动两个模块进行了实现,并给出了图元方向截线的生成、基于图像的人体轮廓线提取、三维个性化人体生成、三维人体线状骨架提取和重构三维人体姿态等的实例,进一步验证了所提出的方法的正确性和有效性。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-9
目录  9-12
第一章绪论  12-24
  1.1 研究背景及意义  12-13
  1.2 相关工作和研究现状  13-21
    1.2.1 个性化服装定制  13-15
    1.2.2 个性人体模型生成  15-18
    1.2.3 三维人体的肢体运动  18-21
  1.3 论文的研究内容和创新点  21-23
  1.4 论文的章节安排  23-24
第二章基于多方向协同变形的不同体型三维图元库的建立  24-44
  2.1 引言  24
  2.2 背景及相关工作  24-25
  2.3 基于基础图元的体型特征的参数描述  25-30
    2.3.1 基础图元的划分  26
    2.3.2 基础图元的参数描述  26-29
    2.3.3 基于图元曲线插值的体型特征获取  29-30
  2.4 基于目标图元的体型特征的获取  30-34
    2.4.1 目标人体的图元分割  30-31
    2.4.2 目标图元体型特征的估计  31-33
    2.4.3 目标图元的平滑连接  33-34
  2.5 基于多方向协同变形的目标图元生成  34-36
    2.5.1 柱型图元  34-35
    2.5.2 非柱型图元  35-36
  2.6 实验结果分析  36-43
  2.7 小结  43-44
第三章基于人体三维图元和多方向轮廓线的个性化人体生成  44-61
  3.1 引言  44
  3.2 背景及相关工作  44-45
  3.3 人体参数的获取  45-49
    3.3.1 计算单个像素的尺寸  45-46
    3.3.2 提取目标人体的轮廓线信息  46-47
    3.3.3 基于人体骨架段的图元方向尺寸获取  47-49
  3.4 人体躯干的相似图元选择  49-52
    3.4.1 三维人体图元数据库的建立  49-50
    3.4.2 相似躯干图元的搜索  50-52
  3.5 三维个性化人体的生成  52-55
    3.5.1 基于轮廓线特征点的人体部分划分  52-53
    3.5.2 基于不同方向轮廓线的人体图元变形  53-54
    3.5.3 不同人体图元的平滑连接  54-55
  3.6 实验结果分析  55-60
  3.7 小结  60-61
第四章改进Hopfield神经网络和方向特征的人体线状骨架提取  61-79
  4.1 引言  61
  4.2 背景及相关工作  61-62
  4.3 方向特征的抽取  62-67
    4.3.1 深度方向特征  62-65
    4.3.2 局部方向特征  65-66
    4.3.3 肢体方向特征  66-67
  4.4 三维人体线状骨架的抽取  67-72
    4.4.1 人体躯干部分的定位  68-69
    4.4.2 基于改进Hopfield网络和局部方向特征的特征点定位  69-71
    4.4.3 肢体特征点的抽取  71-72
  4.5 实验结果分析  72-78
  4.6 小结  78-79
第五章基于共形变换的人体肢体的协同运动  79-102
  5.1 引言  79
  5.2 背景及相关工作  79-81
  5.3 目标人体的三维信息重建  81-88
    5.3.1 人体骨架模型及肢体部分划分  81-83
    5.3.2 目标人体骨架特征点的定位  83-85
    5.3.3 人体骨架点的三维信息估计  85-88
  5.4 基于共形几何代数的肢体协同变换  88-92
    5.4.1 共形几何代数概述  88-89
    5.4.2 各肢体运动方向和角度的获取  89-91
    5.4.3 基于刚体变换的肢体运动  91-92
  5.5 运动肢体的平滑连接  92-93
  5.6 实验结果分析  93-101
  5.7 小结  101-102
第六章个性化人体生成与肢体协同运动的系统集成  102-112
  6.1 本文整个系统流程  102
  6.2 面向服装设计的个性化人体生成实例  102-107
  6.3 面向三维虚拟服装展示的人体肢体协同运动实现  107-111
  6.4 小结  111-112
第七章总结与展望  112-114
  7.1 总结  112-113
  7.2 展望  113-114
参考文献  114-126
致谢  126-127
附录  127-128
  附录A 攻读博士学位期间完成的学术成果  127-128
  附录B 攻读博士学位期间所参与的项目  128

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