[发明专利]一种面向任意姿态的三维人体姿态模型匹配方法

说明书

技术领域

本发明涉及电子信息学科学领域，特别涉及一种面向任意姿态的三维人体姿态模型匹配方法。

背景技术

人体的三维姿态估计是人体运动分析领域的研究热点。人体三维姿态数据在动画、游戏、体育、医疗等领域具有广泛的应用。

当前，获得人体三维姿态的方法主要有基于光学、机械或电磁的动作捕捉技术或基于Kinect等深度摄像机的姿态跟踪技术。前者需要购置昂贵的动作捕捉设备，代价高且应用时需要人体对象穿戴特定的触点设备，不够方便；后者也需要深度摄像机，但一般只能对有限距离的人体对象进行较粗糙的姿态跟踪。在计算机视觉领域，一种获得人体三维姿态的方法的是采用人体模型，使得人体模型与图像序列中人体成像相匹配，以估计出三维人体姿态；这种基于模型的人体姿态估计方法具有的重要意义是无需对人体对象进行接触式测量，仅仅依靠无接触的图像数据，具备代价小、较为便捷等特点。

基于模型的三维人体姿态估计一般需要解决的重要问题是，如何将人体模型与初始的人体姿态相匹配，使得后续姿态跟踪得以进行。姿态初始化一般需要解决两个问题：(1)初始姿态估计，即估计出人体对象的初始姿态，姿态参数一般包括人体各肢体关节角度、驱干位移、旋转角度等；(2)人体尺寸估计，即估计出人体各肢体的三维尺寸，以使得人体模型与人体对象匹配上。初始姿态估计和尺寸估计是后续姿态跟踪的基础。一种常用的姿态初始化方法是要求人体对象以特定姿势(如以“T”字型站立)作为初始的姿态，以省去姿态估计；这种方法虽然简单，但比较笨拙，且无法应用于对于人体对象初始图像数据丢失或要求人体对象以某种姿态呈现的场合。因此，需要一种可以对任意姿态的人体对象进行准确的三维人体模型匹配，以达到更灵活、鲁棒的姿态初始化效果。

发明内容

本发明的目的是针对上述已有技术的不足，提出一种实用性强、鲁棒性好的面向任意姿态的三维人体姿态模型匹配方法。

本发明的技术方案是：

一种面向任意姿态的三维人体姿态模型匹配方法，包括以下步骤：

S1.针对以任意姿态站立的人体对象，采取扫描或者三维重建的方法，获得人体对象的三维人体形体数据；

S2.按照正常人体的标准比例数据，设计一种尺寸、姿态可调的三维虚拟人体模型，所述三维虚拟人体模型通过改变尺寸和姿态参数能够适应于不同身材比例并且能以各种姿态呈现的人体形体；

S3.将三维虚拟人体模型准确的匹配到重建出的三维人体形体数据上，使得三维虚拟人体模型以相同的姿态和相近的形体尺寸呈现。

优选地，在步骤S1中，所述三维人体形体数据以点云、体块或/和多边形表皮的任意组合形式存在。

优选地，在步骤S1中，所述扫描的方法是指采取基于激光或光学照相等技术的三维扫描设备，在要求人体在指定的扫描空间内保持静止状态，通过光学测量的方法获取人体对象表面点云数据。

优选地，在步骤S1中，所述三维重建方法是指采取计算机视觉领域的立体成像或Shape-from-Silhouette技术，重建出人体对象点云或体块数据，通过对点云或体块数据，采取表皮化处理得到多边形表皮的三维形体形式。

优选地，在步骤S2中，所述三维虚拟人体模型为包括头、上身、左右上肢、左右下肢的基于一桶状模型；其中桶状模型由5个参数描述：(l，r_t，r_b，o_t，o_b)；其中l指模型高度，(r_t，r_b)指上下圆形面的半径长，(o_t，o_b)指轴线两端点离上下圆形面的距离。

优选地，在步骤S3中，基于模型的姿态和尺寸估计方法的具体步骤为：

S31、采用分等级优化的方法，先后对上身、左右下肢、左右上肢、头部进行匹配，具体过程如下：首先对躯干的位置和方位参数进行估计，包括三个位置和三个旋转参数；然后对头部、大腿和上臂关节参数进行估计；最后对小腿和下臂的关节参数进行估计；

S32、对整个人体姿态参数进行局部修正。

优选地，在步骤S31中，具体的步骤为，包括对人体躯干的位置(x₀，y₀，z₀)和方位估计、以及对人体某部分匹配时，采用迭代优化的方法，

其中躯干的位置(x₀，y₀，z₀)和方位估计采用如下方法：