利用三维扫描技术进行人体建模优化方案

利用三维人体扫描设备扫描人体获得人体表面的点云数据，通过对点云数据进行降噪、精简、孔洞修补、表面重建等构建个性化的三维人体模型。应用该方法构建的三维人体模型精确，应用场合广泛，但数据处理算法复杂、建模耗时。由于扫描获得的数据量庞大，需经过一系列的数据处理才能对其进行表面重建。重建方法包括构建人体曲面模型、构建实体模型和基于物理的人体模型等。

（1）曲面模型

曲面模型是用顶点、边、表面三种拓扑元素及其相互间的拓扑关系来表示和建立人体，是计算机图形学中最活跃、最关键的学科之一。与线框模型相比，人体曲面模型中的几何拓扑关系更加完备一些，它能提供三维人体的表面信息，可以进行消隐和真实感三维人体模型的显示。由于曲面模型没有定义人体模型的实心部分，所以不能对其进行剖面操作。

目前，对曲面模型的研究主要分为两个方面：一是曲线曲面的设计方法、表示和建模显示等；二是与曲线曲面相关的研究，如多视拼接、光顺去噪、孔洞修补、求交、过渡等。常用的曲面建模方法主要有三角曲面片逼近法、参数曲面建模等。

①三角曲面片逼近法

该方法将人体表面用多个小三角片来表示，能有效解决表面复杂、形状和边界不规则的人体几何造型问题，简化了三维人体模型的显示、分析和计算。三角曲面片划分得越多，精度就越高，人体表面越平滑。

②参数曲面建模

1971年法国学者P.Bezier提出了贝塞尔（Bezier）曲面的概念，使得由控制点及控制多边形生成曲面成为可能，设计者只需移动控制顶点就可以方便地修改曲面的形状，并且形状变化完全在预料之中，但是控制点位置的移动也对其他部分的曲面产生了影响，不具有局部控制的特性，在复杂的人体曲面建模过程中，存在着拼接方面的困难。

为了解决Bezier曲面的局部修改的问题，1972年De Boor提出了B样条曲面算法，与构造Bezier曲面的方法类似，只是基函数采用了B样条基函数。B样条不但继承了Bezier方法的优点，而且还具有独特的局部特性，能方便地对B样条曲面进行局部修改，但是B样条曲面也存在不足之处，当顶点分布不均匀时，难以获得理想的曲面。

非均匀有理B样条（NURBS）曲面克服了B样条曲面的缺点，获得了较快的发展和应用，它通过调整控制顶点和权因子来改变曲面的形状，可以精确地表示规则曲面，更有利于曲面形状的控制和修改。1991年，国际标准化组织（ISO）颁布的工业产品数据交换标准STEP中，把NURBS作为定义工业产品几何形状的唯一数学方法。

（2）实体模型(www.xing528.com)

20世纪70年代末发展起来的实体建模技术增加了三维人体模型实心部分的表达，使信息更加完备，得到无二义性的人体描述。实体模型提供了人体的几何和拓扑信息，具有局部控制效应，可以实现人体的消隐、真实感人体模型的显示等。但此模型的数据量大，计算耗时，对硬件的要求比较高。目前，实体建模方法中对人体的表达主要有以下3种方式：

①基于体素分解的方式

该方法将人体层层分解，将其表示成一簇基本体素的集合。该方法简单易行，但它是人体的近似表达，不能反映人体的宏观几何特征。由于体素间的集合运算涉及面与面之间的交运算，再加上计算精度带来的误差等，容易造成体素之间拓扑关系的混乱而出现奇异情况。

②构造实体几何

该方法通过简单形体，如圆柱体、椭球体、球体等的交、差、并等集合的运算来表达人体外形。该方法能清晰地表达人体的构造过程，直观地描述人体的几何特征。但是该方法存在着多种构造人体的表达方案，并且表达的人体模型不够逼真，很难表示人体动态特征。同时，该方法也存在计算量大、稳定性差等问题。

③多面体建模

该方法首先构造一个多面体，然后对多面体的顶点、边、面进行局部修改而构造出与实体外形相似的多面体，通过类似于磨光处理来生成自由曲面的控制顶点，并用参数曲面进行拟合，拼接成所需的形状。根据设计者的构思，可以灵活地进行人体形状的设计。

（3）基于物理的建模

线框模型、曲面模型和实体模型主要描述的是人体的外部几何特征，而对人体本身所具有的物理特征和人体所处的外部环境因素缺乏描述。基于物理建模方法弥补了以上三种建模方法的不足，在建模过程中引入人体自身的物理信息和人体所处的外部环境因素及时间变量，能获得更加真实的建模效果，并对人体的动态过程进行有效的描述。但是在该建模过程中，多采用微分方程组的形式表达，与前三种方法相比，计算要复杂得多。三种表面重建方法如下表所示。