基于數(shù)字化掃描的虛擬人建模合成技術(shù)研究

杜錦繡 高偉

摘 要：在數(shù)字化掃描技術(shù)支持下，虛擬人技術(shù)得到了進(jìn)一步發(fā)展，被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。對數(shù)字化掃描技術(shù)、掃描原理、虛擬人技術(shù)及基于數(shù)字化掃描技術(shù)的建模方式進(jìn)行分析，通過手部建模實(shí)例，利用PolyWorks軟件，以數(shù)據(jù)獲取、模型拼接、空洞修補(bǔ)3個步驟為主介紹了虛擬人手部建模的具體流程。相較于傳統(tǒng)方法，該方法可以在少量樣本的情況下，得到更逼真的人體模型，使虛擬人技術(shù)在醫(yī)學(xué)手術(shù)、影視動畫、游戲設(shè)計(jì)等領(lǐng)域的應(yīng)用更接近于真實(shí)情境。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化掃描;虛擬人建模;PolyWorks軟件

DOI：10. 11907/rjdk. 191527

中圖分類號：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1672-7800（2019）006-0154-04

Abstract：With the development of digital scanning technology， a new modeling method based on digital scanning technology is established. This paper introduces digital scanning technology， scanning principle and virtual human technology， and analyses the significance of the research on the modeling method based on digital scanning technology and the research status at home and abroad. In order to make the modeling method based on digital scanning technology widely and efficiently applied to all walks of life， this paper studies the specific process of virtual human hand modeling through hand modeling example， using PolyWorks software， focusing on three steps： data acquisition， model splicing and hole repairing. Compared with traditional methods， this method can get more realistic human models with a small number of samples. Volume model makes the application of virtual human technology in medical surgery， film and television animation， game design and other fields closer to the real human body.

Key Words： digital scanning; virtual human modeling; PolyWorks software

0 引言

虛擬人技術(shù)已成為當(dāng)前研究熱點(diǎn)，在醫(yī)學(xué)、生物學(xué)、國防軍事、車輛設(shè)計(jì)、電影動畫、游戲開發(fā)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。目前，最常用的虛擬人建模方式有參數(shù)化建模、二維圖像生成法[1]、使用3DMAX等造型軟件繪制等。其中，參數(shù)化建模方法通過給定的人體身高、三維、肩寬、性別等人體特征參數(shù)，結(jié)合人體統(tǒng)計(jì)學(xué)，最終生成能夠代表不同樣本基本特征的個性化三維虛擬人模型。該方法樣本的群體覆蓋率較高，并且模型細(xì)節(jié)更豐富，更接近真實(shí)人體情況，適用于構(gòu)建精確度要求較高的工效虛擬人[2]，但是該技術(shù)需要大量人體數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，還需要提供外部約束條件，所需時(shí)間長;二維圖像生成法具有易用、低成本的優(yōu)勢，可以實(shí)現(xiàn)迅速建模，但無法保證模型質(zhì)量[3];使用軟件繪制可以得到精確的人體模型，但操作復(fù)雜，必須有過硬的專業(yè)建模能力[4]。隨著三維數(shù)字化掃描技術(shù)的出現(xiàn)，利用三維掃描儀自動獲得真實(shí)人體表面的幾何數(shù)據(jù)[5]成為可能，構(gòu)建虛擬人的建模方式開始得到運(yùn)用。該技術(shù)提供了一種高效率、主動式、覆蓋式及高精度的三維空間信息獲取方式[6]，無需外部約束條件，便可得到物體表面精確的細(xì)節(jié)特征，快速獲得更加逼真的人體模型，具有更高的真實(shí)人體相似度。

數(shù)字化掃描技術(shù)起源于國外，最早由美國的CYRA公司和法國的MENSI公司將激光技術(shù)拓展到了三維測量領(lǐng)域[7]，一開始只是應(yīng)用于航空航天，后來逐漸在車輛設(shè)計(jì)、軍事國防、建筑地質(zhì)等領(lǐng)域發(fā)展。在我國，數(shù)字化掃描技術(shù)更多地應(yīng)用于古建筑、古董等文化遺產(chǎn)、復(fù)雜的建筑與地形的勘探與重現(xiàn)。近幾年，我國研究人員將三維激光技術(shù)應(yīng)用于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，出現(xiàn)了三維掃描數(shù)據(jù)與已有常用建模技術(shù)融合的建模方式。

吳秀杰與潘雷[8]利用NextEngine 公司生產(chǎn)的便攜式3D數(shù)字化掃描儀獲取數(shù)據(jù)，通過可視化三維圖像處理軟件Rapidwork在Dell圖像工作站上進(jìn)行三維重建，應(yīng)用于人體頭顱的建模，但是該方法通用性不強(qiáng);何柳[9]利用掃描獲得的數(shù)據(jù)，將之分段，再通過“切片法”獲得人體模型，更為專業(yè)，但是應(yīng)用范圍存在局限性;還有研究者利用數(shù)字化掃描搭配B樣條曲線、小波變換等完成建模，但是存在操作太過復(fù)雜、無法實(shí)現(xiàn)快速建模等問題。本文研究基于數(shù)字化掃描技術(shù)，使用PolyWorks軟件對掃描后的真實(shí)人體數(shù)據(jù)進(jìn)行還原重現(xiàn)，具備適用于大部分人體建模且模型細(xì)節(jié)豐富的特點(diǎn)。另外，利用PolyWorks軟件強(qiáng)大的曲面補(bǔ)洞功能，在復(fù)雜人體表面數(shù)據(jù)的獲取和構(gòu)建方面，可以達(dá)到快速合成高逼真人體模型的目的，避免了模型質(zhì)量無法掌控、建模較慢、范圍較小等缺點(diǎn)，在人體虛擬試衣、虛擬主持人、3D影視動畫制作、游戲人物設(shè)計(jì)等方面有著理論意義和實(shí)際價(jià)值。

1 激光掃描技術(shù)與虛擬人技術(shù)

1.1 數(shù)字化掃描技術(shù)

數(shù)字化掃描技術(shù)起源于1998年，該項(xiàng)技術(shù)具有采樣率高、分辨率高、測量精度高、掃描速度快、非接觸性、數(shù)字化程度高等特點(diǎn)[10-11]，是繼GPS技術(shù)之后的一項(xiàng)高新技術(shù)，它利用激光在方向性、亮度、單色性、相干性方面[12]的優(yōu)勢得到廣泛應(yīng)用和發(fā)展。我國在2003年就已將數(shù)字化掃描技術(shù)應(yīng)用于建筑地質(zhì)領(lǐng)域，后來出現(xiàn)了該技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的融合。目前，該技術(shù)仍是測量應(yīng)用領(lǐng)域的主流工具，主要用于對大型物體或如人體表面一樣復(fù)雜對象的掃描與重現(xiàn)。隨著數(shù)字化掃描技術(shù)的迅速發(fā)展，使其逐漸突破了單點(diǎn)測量，三維數(shù)字化掃描技術(shù)隨之誕生，該技術(shù)被廣泛應(yīng)用于圖形圖像學(xué)、工程建筑學(xué)、地質(zhì)學(xué)等測量領(lǐng)域，為這些領(lǐng)域的發(fā)展作出了極大貢獻(xiàn)。比如采用三維數(shù)字化掃描技術(shù)掃描并建立地下溶洞的3D模型，對溶洞等旅游景點(diǎn)的開發(fā)規(guī)劃設(shè)計(jì)起到重要輔助作用[13];利用三維數(shù)字化掃描技術(shù)對城市地下綜合管廊進(jìn)行測繪和數(shù)據(jù)獲取并建立空間模型，有效地解決了城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的矛盾與問題，便于維修與擴(kuò)建[14];利用三維激光掃描技術(shù)的非接觸式特點(diǎn)對傳統(tǒng)古建筑和古物進(jìn)行數(shù)字化存儲，這種測繪方法避免了對這些珍貴文物的二次傷害，同時(shí)利用這些數(shù)字化三維模型可以再現(xiàn)、記錄、保存和修復(fù)古建筑文化遺產(chǎn)[15]。

本研究使用的是KONICA MINOLTA掃描儀，其原理是對目標(biāo)對象發(fā)出大量高速激光進(jìn)行連續(xù)掃描，從而得到目標(biāo)對象被測點(diǎn)與掃描儀的距離，經(jīng)過計(jì)算可以獲得目標(biāo)對象被測點(diǎn)的三維坐標(biāo)，從而高效獲取目標(biāo)對象表面各點(diǎn)的三維坐標(biāo)、RGB信息，構(gòu)建重現(xiàn)點(diǎn)云模型。如圖1所示，當(dāng)數(shù)字化掃描儀對目標(biāo)物體T進(jìn)行掃描時(shí)，可以獲得兩者之間的距離S和水平角α、垂直角β，此時(shí)可知T的X、Y、Z值。

1.2 虛擬人

虛擬人（Virtual Human或 Computer Synthesized Characters）是人在計(jì)算機(jī)生成的空間即虛擬環(huán)境中的幾何特性與行為特性的表示[16]。虛擬人可用于軍事訓(xùn)練等危險(xiǎn)場地的演示，也可用于模擬醫(yī)療救治等復(fù)雜場景以及影視動畫、裝備設(shè)計(jì)中人的行為，甚至是模擬人的感知能力，概括而言，即模擬特定人群的極限活動范圍[17]。一直以來，虛擬人建模技術(shù)主要采用參數(shù)化建模技術(shù)、二維圖像生成法等，直到數(shù)字化掃描技術(shù)出現(xiàn)，虛擬人的設(shè)計(jì)才跳過繪圖階段，通過掃描就可以得到掃描對象表面的大部分?jǐn)?shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)由三角面片組成，通常稱之為三維點(diǎn)云信息，經(jīng)過對點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接配準(zhǔn)和去噪[18]，可以構(gòu)建與之對應(yīng)的三維點(diǎn)云模型。

2 三維虛擬人手部建模

2.1 三維虛擬人手掌數(shù)據(jù)獲取

選擇人的手部作為掃描對象，鑒于所使用掃描儀技術(shù)較為古老，在掃描過程中，要注意掃描儀的使用，比如，過長的連接線會導(dǎo)致連接不通、信號無法正常傳遞等細(xì)節(jié)問題。使用掃描儀自帶的自動聚焦功能，并進(jìn)行相關(guān)參數(shù)調(diào)整，在多次掃描過程中，盡量保證本次掃描與上一次掃描面有較好的重合，有利于接下來的拼接。由于掃描儀的局限性或光線、掃描對象本身等問題，可能會出現(xiàn)掃描對象的部分掃描效果不佳，產(chǎn)生大面積空洞現(xiàn)象，這時(shí)就需要及時(shí)調(diào)整，在掃描過程中要時(shí)刻關(guān)注光影的影響與環(huán)境適度問題。對掃描對象的頂部和底部進(jìn)行多次掃描保存之后，可以得到人體手部較完整的三維點(diǎn)云信息，以便后續(xù)操作。

2.2 PolyWorks軟件

本研究使用的是InnovMetric 軟件公司的三維掃描數(shù)據(jù)處理軟件平臺PolyWorks，它可以完成表面不規(guī)則物體的快速建模。

PolyWorks是數(shù)字化掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理集成軟件，其為逆向工程而開發(fā)，側(cè)重于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的后處理，主要作用是處理各種途徑下獲得的點(diǎn)云信息。PolyWorks軟件的點(diǎn)云配準(zhǔn)方法包括特征配準(zhǔn)（點(diǎn)線面球柱錐等）、GPS大地控制點(diǎn)配準(zhǔn)、基于后視的配準(zhǔn)、最佳擬合配準(zhǔn)（如ICP等）[19]。利用PolyWorks軟件經(jīng)過點(diǎn)云數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)、去噪等預(yù)處理之后，往往還需要對三維模型進(jìn)行空洞修補(bǔ)、拓?fù)溴e誤修正、簡化、平滑、壓縮等后處理。

PolyWorks軟件的強(qiáng)大之處在于提供了三角網(wǎng)格編輯功能及NURBS曲面建模功能。軟件主要由IMAlign、IMInspect、IMMerge、IMEdit、IMCompress、IMTexture、IMView等模塊組成。

2.3 拼接

將手部目標(biāo)文件，即全部掃描結(jié)果CDM文件導(dǎo)入工作環(huán)境中。PloyWorks軟件有兩種拼接方式，最為常用的是手動拼接，即手動選擇特征點(diǎn)進(jìn)行拼接，但是這種拼接方式常常伴隨著位置的偏差，PloyWorks軟件自帶有自動計(jì)算拼接，兩者方法各有優(yōu)劣，但是可以疊加減小劣勢，因此本次拼接采用兩種方法同時(shí)進(jìn)行。首先選擇手動拼接，分別在兩個目標(biāo)圖像上選擇n個位置對應(yīng)相同的點(diǎn)，選點(diǎn)時(shí)盡量選擇在不同平面上的n個點(diǎn)，依次拼接后選擇自動拼接進(jìn)行優(yōu)化，可以達(dá)到更加完美的拼接效果。將所有文件全部拼接之后，可以顯示掃描記錄顏色，即物體本身顏色（見圖2）。

2.4 空洞修補(bǔ)

拼接后發(fā)現(xiàn)手部模型中有大量空洞，這些復(fù)雜的空洞是因?yàn)閽呙钑r(shí)無法獲取全部數(shù)據(jù)造成的，因此需要進(jìn)行修補(bǔ)。PolyWoks中有如下補(bǔ)洞方法：

（1）自動補(bǔ)洞?；诳斩创笮∵M(jìn)行大范圍的自動補(bǔ)洞，缺點(diǎn)是操作完成后仍有局部細(xì)小部位需要手動調(diào)整。

（2）手動補(bǔ)洞。包括平面補(bǔ)洞和曲面補(bǔ)洞兩種方法，其中曲面補(bǔ)洞運(yùn)用復(fù)合NURBS曲面方法修復(fù)，自動或者手動抽取邊界特征線，生成擬合曲線網(wǎng)格，在此基礎(chǔ)上，于空洞之上構(gòu)建曲面。具體做法：首先在空洞區(qū)域錨定一個m行n列的曲面，從而填補(bǔ)空洞。然后根據(jù)實(shí)際情況選擇優(yōu)化網(wǎng)格、光順頂點(diǎn)等操作，以完善效果。

本實(shí)驗(yàn)中首先選擇自動補(bǔ)洞進(jìn)行大范圍補(bǔ)洞，以縮小工作量，自動補(bǔ)洞至無明顯變化時(shí)，仍然存在許多小洞，此時(shí)選擇手動補(bǔ)洞中的平面補(bǔ)洞和曲面補(bǔ)洞，畫一個矩形區(qū)域?qū)⒖斩窗趦?nèi)，注意在選區(qū)時(shí)，一定要保證所選范圍在對象上，否則沒有像素點(diǎn)將無法選區(qū)。在所選區(qū)域內(nèi)添加橫豎線以錨定曲面，按此補(bǔ)洞至無空洞為止。在本實(shí)驗(yàn)中，主要采用復(fù)合NURBS曲面方法進(jìn)行補(bǔ)洞，最終效果如圖3所示。

在許多復(fù)雜物體的建模過程中，常常會有空洞太大無法補(bǔ)全的問題出現(xiàn)，因此在掃描數(shù)據(jù)時(shí)應(yīng)當(dāng)反復(fù)確定將環(huán)境這一不可抗力的影響降至最低，還要對目標(biāo)對象進(jìn)行全方位多次掃描，使獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)盡可能完善。

3 三維虛擬人建模合成技術(shù)展望

虛擬人技術(shù)是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的分支，也是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的關(guān)鍵應(yīng)用技術(shù)，在數(shù)字化掃描技術(shù)的支持下，該技術(shù)得到了進(jìn)一步發(fā)展。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，利用虛擬人技術(shù)可以模擬不同疾病下病人的情況，構(gòu)建虛擬人后，幾秒時(shí)間的設(shè)定就可以讓一個正常的虛擬人患上疾病，此時(shí)模擬給藥或模擬手術(shù)，對于藥物研發(fā)、治療方案制定和醫(yī)生培養(yǎng)方面都有著指導(dǎo)作用。在影視游戲領(lǐng)域，常用于仿真高風(fēng)險(xiǎn)的動作和虛擬主持人、虛擬角色的開發(fā)設(shè)計(jì)，近年來許多諸如《阿凡達(dá)》《爵跡》等影片為了呈現(xiàn)出3D虛擬的影視效果，使用了動作捕捉技術(shù)，可以清晰地模擬人的外貌、表情、動作等。此外，在各種晚會上也能見到虛擬技術(shù)應(yīng)用的驚艷效果，早在2012年春節(jié)晚會便采用了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，湖南衛(wèi)視的2017中秋晚會更是使用了虛擬主持人“藍(lán)月”，虛擬角色越來越得到重視?？梢灶A(yù)見，不久的將來，可以在春節(jié)晚會上看到虛擬主持人為全國各地的觀眾主持節(jié)目。

三維虛擬試衣同樣是三維虛擬人的重要應(yīng)用，用戶可以創(chuàng)建一個與自身形體完全一樣的虛擬模特，用戶在網(wǎng)絡(luò)平臺購買衣物飾品時(shí)，可以先將物品試用于模擬自身的虛擬模特，與傳統(tǒng)圖片式瀏覽購物相比，避免了尺寸與顏色難以把握的問題[20]。虛擬試衣將成為網(wǎng)絡(luò)購物平臺和網(wǎng)上商家提高競爭實(shí)力的要素。

由于數(shù)字化掃描儀價(jià)格昂貴，且掃描時(shí)經(jīng)常由于設(shè)備原因或者操作不當(dāng)而無法得到符合要求的人體數(shù)據(jù)，基于數(shù)字化掃描的三維虛擬人建模仍未得到很好的發(fā)展，并且，對點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理也較費(fèi)時(shí)費(fèi)力。近年來，人工智能的出現(xiàn)為三維虛擬人建模合成技術(shù)打開了一扇新的大門，智能建模相關(guān)研究受到高度關(guān)注，借助AI實(shí)現(xiàn)幾秒之內(nèi)完成人體建模將成為現(xiàn)實(shí)。

4 結(jié)語

基于數(shù)字化掃描技術(shù)的三維虛擬人建模方法，解決了參數(shù)化建模的欠約束問題，可以達(dá)到更高的仿真度。同時(shí)，本研究使用的PolyWorks軟件具有強(qiáng)大的拼接與補(bǔ)洞功能，在最為繁瑣費(fèi)時(shí)的空洞修補(bǔ)階段可以提供眾多補(bǔ)洞方法，包括基于B樣條曲面建模，可以較快的速度完成模型構(gòu)建合成。本文實(shí)驗(yàn)所采用的虛擬人建模方法可以應(yīng)用于影視動畫領(lǐng)域和虛擬角色、虛擬試衣領(lǐng)域。

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（責(zé)任編輯：孫 娟）