三维人体建模综述

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1、焦作工学院学报(自然科学版),第20卷,第3期,2001年5月JournalofJiaozuoInstituteofTechnology(NaturalScience),Vol120,No13,May2001三维人体建模综述112胡敏,李勇,张新民(1.中原工学院CAD中心,河南郑州450007;2.焦作工学院,河南焦作454000)摘要:在参阅和分析大量有关文献的基础上,对现有的各种三维人体建模方法进行了总结,特别是对当前广泛使用的线框模型、实体模型和曲面模型,从理论到具体的实现等各个方面都作了详尽的剖析.并对各种方法的优缺点进行了分析,

2、可为深入研究开发三维人体建模提供有益的参考.关键词:三维人体建模;线框模型;实体模型;曲面模型中图分类号:TP391141文献标识码:A文章编号:1007O7332(2001)03O0233O040引言计算机人体建模技术发展到现在,已经出现了大量的不同实现方法,且随着时间的推移,还可能不断地有一些新方法出现,而一些老方法也可能会得到进一步完善和发展,现有的缺点,明天也许就不存在,所以企图对所有的建模方法进行精确的分类是相当困难的,有的人体建模方法很难将其划入某一类型之中,而某些方法则可能跨越多种类型.本文将人体建模划分为线框建模(WireF

3、rameModeling)、实体建模(SolidModeling)、曲面建模(SurfaceModeling)等,对它们的各个方面都作了详尽的剖析,分析了各种方法的优缺点.这将有助更清晰地区别和了解各种方法的特点.1线框建模线框建模是采用点、直线、圆弧、样条曲线等构造三维物体的图形表示技术.它是计算机图形学CAD/CAM领域中最早用来表示形体的模型,并且至今仍在广泛应用.线框建模只用点、线的信息表示一个形体,数据量少,定义过程简单,符合人们打样的习惯.很多复杂的形体设计往往先用样条勾画出基本轮廓,然后逐步细化.线框建模的数据存储量少,对其编

4、辑、修改非常快.使用线框建模的方法对人体建模时,它是将人体轮廓用线框图形和关节表示,由于包含的信息有限,因此该建模方法在对人体建模时存在着如下严重的缺陷:(1)有模糊性和歧义性:不能够无二义性地表达三维人体;(2)无法实现三维人体模型的自动消隐及真实感人体模型显示;(3)无法进行剖面操作.2实体建模[1]实体建模的概念尽管早在20世纪60年代就已提出,但到20世纪70年代才出现简单且有一定实用意义的实体建模系统.到20世纪70年代后期,实体建模技术在理论、算法、和应用方面才比较成熟.使用实体建模的方法对人体建模时,由于它增加了三维人体的实心

5、部分表达,使其信息更加完收稿日期:2001O01O17;修回日期:2001O02O19基金项目:河南省自然科学基金(004061000)作者简介:胡敏(1975O),女,重庆荣昌人,硕士研究生,从事机械制造及自动化研究.234焦作工学院学报(自然科学版)2001年第20卷备,从而使得三维人体得到无二义性描述.并且实体建模方法提供了人体几乎所有的几何和拓扑信息,因此它可以支持对表达人体的消隐、真实感图形显示.目前,实体建模系统中对人体的表达方式主要有3种.211基于体素分解的表达方法体素分解表达方法是将复杂的人体层层分解,并将其逼近表示成为一

6、簇基本体素的集合,分解后的复杂人体表示成一棵八叉树.该方法简单易行,但对人体的表达是近似,因而很难反映出人体的宏观几何特征,并且由于体素间的集合运算涉及大量面与面之间的交贯运算,难免出现奇异的情况,有时计算精度有限带来的几何数据误差,还会造成体素之间拓扑关系的紊乱,从而使运算不能进行下去.因此在实际应用中会受到很大的限制.212构造实体几何构造实体几何方法是通过简单形体(如圆柱体、椭球体、球体等)的交、并、差集合运算来表达复杂人体外形,该表达方法可以用一棵二叉树描述.构造几何表达方法的特点如下:(1)能够清晰地表达复杂人体的构造过程;(2)

7、能直观地描述人体的宏观几何特点.但是该表达方法存在着多种构造人体的表达方案,表示的人体模型也不够逼真,很难表示人体的动态特性.同样,由于存在集合运算,因此其计算量大,计算稳定性差.213多面体建模[2]多面体建模是从构造多面体开始,对多面体的任意一个面、棱边、顶点进行局部修改,从而构造一个与实体外形相似的多面体(即基本立体),然后通过类似于磨光的处理,自动产生自由曲面的控制顶点,并拼接成所需的形状.它是一种根据设计者的构思来进行局部处理并生成人体模型的方法.用多面体建模可以灵活地进行人体形状设计.多面体人体建模的步骤如下:(1)首先它将产生

8、一个由直线和平面所组成的基本立体,作为人体形状的原型.(2)由基本立体产生曲线模型.(3)曲面的产生:在曲线模型的基础上,用参数曲面进行拟合.3人体建模的曲面模型曲面模型是CAD