基于图像的三维人体建模技术研究

论文摘要

目前,三维建模是计算机图形学、计算机视觉和虚拟现实等领域中的研究热点。对场景中实体进行三维建模主要有如下三种方式:传统的几何造型技术、三维扫描技术、基于图像的三维建模技术。传统的几何造型技术使用几何造型软件人工的生成三维模型,该方法要求使用者对几何造型软件有比较高的熟练程度,花费的时间较长,且模型的绘制效果与实体之间仍存在较大的差异;三维扫描技术是目前应用比较广泛的技术,其使用三维扫描设备对实体进行数字化处理,但三维扫描设备成本比较高,扫描出的数据比较多,算法也比较复杂。因此,基于图像的建模技术引起了研究者们极大的兴趣并得到了迅速的发展。基于图像的建模技术是用光学系统对原始的场景进行扫描,然后通过对扫描到的图像进行一系列的处理而自动重构出原始的场景。广义上来说,基于图像的建模技术是指从单幅图像、多幅图像、图像序列(视频)中,通过自动或人工交互的方式,从图像中恢复出三维实体的几何模型、表面纹理、光照条件、反射属性等的技术。该技术最大的优点就在于可直接从图像中为重建的三维模型抽取纹理和光照信息,快速的构建具有高度真实感的三维模型,且在成本上有了很大的节约。本文着重从几何重建展开研究。本文主要的研究工作和贡献如下:对视频图像采集设备摄入的视频图像进行预处理,采用背景差分和帧间差分相结合的运动目标检测算法,从视频中提取运动人体并利用形态学的方法进行后处理。对现有的基于图像的三维重建算法进行了总结,并讨论了这些方法的基本原理和优缺点。实现了一种可见外壳生成算法。该算法将3D锥形的求交问题转换成2D空间中多边形的裁剪问题,避免了复杂的求交过程。同时,该算法中各个平行平面上的多边形求交及平面间轮廓线重构物体表面都可以并行执行,从而提高算法的执行效率。在确定人体模型末端特征点的基础上,结合Pinocchio系统的离散惩罚函数,得到了准确的人体骨架,消除了骨架埋入中拓扑结构混淆的情形。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景及研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 基于单幅图像的几何重建
• 1.2.2 基于立体视觉方法的几何重建
• 1.2.3 基于侧影轮廓线的几何重建
• 1.2.4 基于多幅图像的无需相机定标的几何重建
• 1.3 本文的研究成果
• 1.4 本文的结构安排
• 1.5 本章小结
• 第二章 基于图像建模技术的数学基础
• 2.1 射影几何
• 2.1.1 射影空间
• 2.1.2 射影变换
• 2.2 摄像机几何
• 2.2.1 摄像机模型
• 2.2.2 摄像机矩阵估计
• 2.3 极线几何
• 2.3.1 极线约束
• 2.3.2 基本矩阵
• 2.4 摄像机机标定
• 2.4.1 传统的标定方法
• 2.4.2 自标定方法
• 2.5 本章小结
• 第三章 运动人体检测
• 3.1 运动目标检测
• 3.1.1 图像序列预处理
• 3.1.2 运动目标检测算法简介
• 3.1.3 图像的形态学后处理
• 3.2 本文的运动目标提取方法
• 3.2.1 算法描述
• 3.2.2 阈值的选取
• 3.3 本文运动目标提取的实验结果
• 3.4 本章小结
• 第四章 基于图像的三维人体几何重建
• 4.1 三维人体模型表面点集的生成
• 4.1.1 平行平面族的确定
• 4.1.2 侧影轮廓求解
• 4.1.3 平面上侧影轮廓的交集
• 4.2 三维人体表面重构
• 4.2.1 轮廓间的一对一重建
• 4.2.2 轮廓间的一对多重建
• 4.3 本文三维人体重建的实验结果
• 4.4 本章小结
• 第五章 三维人体骨架的埋入
• 5.1 三维模型骨架的抽取
• 5.2 本文骨架埋入的方法:
• 5.2.1 人体骨架模型
• 5.2.2 特征点的提取
• 5.2.3 关节点提取
• 5.2.4 皮肤自动绑定
• 5.3 本文骨架埋入的实验结果
• 5.4 本章小结
• 结束语
• 本文工作总结
• 未来工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果
• 附录A 构造Delaunary三角剖分