一種基于多方向約束的頭發(fā)重建方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于多方向約束的頭發(fā)重建方法，利用從圖像中重建的頭發(fā)表面幾何、頭發(fā)表面方向和頭模型幾何，重建出完整的頭發(fā)模型。其步驟為：(1)基于拉普拉斯方程，利用頭發(fā)表面方向求解頭發(fā)的空間網(wǎng)格方向場(chǎng)；(2)基于拉普拉斯方程，利用頭發(fā)表面幾何和頭模型幾何求解頭發(fā)的空間網(wǎng)格距離場(chǎng)；(3)根據(jù)步驟(1)的方向場(chǎng)方向、步驟(2)的距離場(chǎng)梯度方向和已知的頭發(fā)表面方向，從頭皮均勻分布的發(fā)根點(diǎn)重建出各個(gè)發(fā)絲幾何；(4)根據(jù)步驟(3)的得到的初始幾何，利用步驟(2)得到的方向，對(duì)初始頭發(fā)模型進(jìn)行基于能量最小化的優(yōu)化，得到最終頭發(fā)模型。本發(fā)明能夠重建出發(fā)絲生長(zhǎng)分布均勻，外表與采集圖像相似的頭發(fā)模型。
【專利說明】一種基于多方向約束的頭發(fā)重建方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域，具體地說，一種基于多方向約束的頭發(fā)重建。

【背景技術(shù)】
[0002] 在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中，對(duì)虛擬人物的正確建模，一直是研究者的一個(gè)重要的課題。無 論是電影特效，視頻游戲，虛擬現(xiàn)實(shí)或是其他圖形學(xué)相關(guān)的領(lǐng)域，視覺真實(shí)的人物建模技術(shù) 都有廣泛的應(yīng)用。而頭發(fā)則是人物的一個(gè)重要特征，頭發(fā)的形態(tài)因人而異，有時(shí)甚至是區(qū)別 不同人的重要特征。同時(shí)，構(gòu)成頭發(fā)的發(fā)絲非常多，頭發(fā)的造型、運(yùn)動(dòng)及其具有的光學(xué)特性 都十分復(fù)雜，真實(shí)感的頭發(fā)建模成為了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的一個(gè)研究難點(diǎn)。
[0003] 在電影，動(dòng)畫或虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域，三維頭發(fā)模型的幾何建模一直是一件繁瑣的工作。 目前，大部分模型仍然依靠藝術(shù)家利用交互工具手工進(jìn)行頭發(fā)造型與建模的工作。近年來， 不斷開始有研究者嘗試用自動(dòng)化的方法，從圖像數(shù)據(jù)中重建與真實(shí)頭發(fā)相近似的模型。基 于圖像的頭發(fā)建模方法，一般根據(jù)圖像信息得到初步的頭發(fā)幾何約束與方向約束，再從中 重建出完整的頭發(fā)模型。目前基于圖像的三維頭發(fā)重建方法一般均首先獲取頭發(fā)表面幾 何，并通過分析各圖像二維的方向信息重建出頭發(fā)表面的方向。隨后，一類方法，直接將表 面方向場(chǎng)擴(kuò)散到整個(gè)空間，利用該均勻方向場(chǎng)重建頭發(fā)，得到的頭發(fā)足夠均勻但外形與圖 像差別較大；另一類方首先重建外部發(fā)絲，再將其連接至頭皮，得到的頭發(fā)外形與圖像相 似，但無法保證頭發(fā)均勻也無法重建內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
[0004] 相比傳統(tǒng)的兩種方法，本發(fā)明將兩類方法的優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來，使得頭發(fā)的生長(zhǎng)在內(nèi) 部按均勻方向生長(zhǎng)，在外部按表面方向生長(zhǎng)，綜合了兩種方法的優(yōu)勢(shì)。
[0005] 因此，本發(fā)明針對(duì)給予圖像的頭發(fā)建模的工作極具研究意義和應(yīng)用前景。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的技術(shù)解決問題：克服現(xiàn)有技術(shù)的一些局限性，提供一種基于多方向約束 的頭發(fā)重建方法，有效的在獲取初步頭發(fā)表面數(shù)據(jù)后重建頭發(fā)的發(fā)絲幾何，得到視覺真實(shí) 的頭發(fā)模型。
[0007] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案：以頭發(fā)表面幾何、頭發(fā)表面方向、頭模型幾何為輸入，基 于多方向約束的頭發(fā)重建，利用網(wǎng)格化的方向場(chǎng)和頭發(fā)表面方向共同約束發(fā)絲重建，從而 重建頭發(fā)模型。其特征在于如下步驟：
[0008] (1)根據(jù)輸入的頭發(fā)表面方向重建空間網(wǎng)格化的頭發(fā)方向場(chǎng)；
[0009] (2)根據(jù)輸入的頭發(fā)表面幾何和頭模型幾何重建空間網(wǎng)格化的距離場(chǎng)；
[0010] (3)利用（1)所得方向場(chǎng)、輸入的頭發(fā)表面方向和（2)所得距離場(chǎng)重建發(fā)絲幾何；
[0011] (4)利用（1)所得方向場(chǎng)，對(duì)（3)所得的頭發(fā)模型進(jìn)行優(yōu)化；
[0012] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：
[0013] 1、本發(fā)明所設(shè)計(jì)的頭發(fā)發(fā)絲的重建過程，發(fā)絲均勻的從頭皮長(zhǎng)出，逐漸生長(zhǎng)到頭 發(fā)表面，發(fā)絲分布均勻合理，在空間網(wǎng)格方向的約束下發(fā)絲生長(zhǎng)方向自然。
[0014] 2、本發(fā)明所設(shè)計(jì)的頭發(fā)發(fā)絲的重建過程，發(fā)絲生長(zhǎng)接近頭皮時(shí)，將按頭發(fā)表面方 向生長(zhǎng)，頭發(fā)外面接近采集圖像。
[0015] 3、本發(fā)明所設(shè)計(jì)的多方向約束的頭發(fā)重建，使得頭發(fā)生長(zhǎng)分布均勻的同時(shí)保持外 部形態(tài)逼真，便于用于重建模型的重用。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016] 圖1為本發(fā)明方法的數(shù)據(jù)流程圖。

【具體實(shí)施方式】
[0017] 下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0018] 本發(fā)明方法的主要流程圖如圖1所示，在具備頭發(fā)表面幾何，頭發(fā)表面方向，頭模 型幾何為輸入下，具體步驟如下：
[0019] (1)空間網(wǎng)格化頭發(fā)方向場(chǎng)求解。
[0020] 本發(fā)明中空間網(wǎng)格化頭發(fā)方向場(chǎng)求解，為整個(gè)重建區(qū)域提供了連續(xù)分布的網(wǎng)格方 向場(chǎng)。首先根據(jù)輸入的頭發(fā)表面幾何和頭模型幾何中的點(diǎn)，計(jì)算出整個(gè)區(qū)域的包圍盒，設(shè)定 一定的網(wǎng)格單元大小，將整個(gè)區(qū)域均勻分割成立方體網(wǎng)格，實(shí)現(xiàn)空間網(wǎng)格化。隨后，建立拉 普拉斯方程，網(wǎng)格內(nèi)含有頭發(fā)表面幾何的網(wǎng)格方向設(shè)為該頭發(fā)幾何的方向，包圍盒邊界網(wǎng) 格設(shè)為狄利克雷邊界，其余網(wǎng)格為未知方向。最后，求解拉普拉斯方程，得到空間平滑的網(wǎng) 格方向場(chǎng)。
[0021] (2)空間網(wǎng)格化距離場(chǎng)；
[0022] 為了使頭發(fā)生長(zhǎng)從頭皮逐漸向頭發(fā)表面靠攏，本發(fā)明利用距離場(chǎng)提供相關(guān)方向約 束。首先利用所述步驟（1)中的網(wǎng)格化所得到的網(wǎng)格，在空間建立拉普拉斯方程，網(wǎng)格內(nèi)包 含有頭發(fā)表面幾何的的網(wǎng)格距離值設(shè)為〇,包含頭模型幾何表面的網(wǎng)格距離值設(shè)為-1，空 間包圍盒邊界的網(wǎng)格設(shè)置為1。隨后，求解該拉普拉斯方程，得到在空間連續(xù)的頭發(fā)表面距 尚場(chǎng)，頭發(fā)表面為〇,頭發(fā)內(nèi)部為負(fù)，頭發(fā)外部為正。
[0023] (3)基于多方向的發(fā)絲重建。
[0024] 此步驟為本發(fā)明的核心步驟，從頭皮開始重建各發(fā)絲。首先，用戶在頭模型表面 指定頭發(fā)生長(zhǎng)區(qū)域，在區(qū)域中均勻采樣出發(fā)根點(diǎn)，頭發(fā)的發(fā)根的生長(zhǎng)方向設(shè)為改點(diǎn)在頭模 型的方向方向與遠(yuǎn)離頭發(fā)分縫線的切線方向之間一定比例。隨后開始逐點(diǎn)重建出整根發(fā) 絲，用ξ表示一根發(fā)絲，ξ由其上各點(diǎn)ξ(〇)，ξ⑴.....ξ(N)構(gòu)成，發(fā)絲的重建從發(fā)根 ξ(〇)開始，逐點(diǎn)重建，對(duì)每一ξ(i)重建，由公式（1)確定。
[0025] ξ(i) =ξ(?-1) +αιν(ξ(i-l)) +a2V(D(ξ(i-l))) +a30(ξ(i-l)) +a4S(l( i-1)) (I)
[0026] 其中，ξ(i-1)S卩ξ(i)前一點(diǎn)的位置，ν(ξ(i-ι))為ξ(i-ι)所在位置的所述 (1)的方向場(chǎng)值，DK(i-ι))為ξ(i-ι)所在位置的所述⑵的距離場(chǎng)值，▽?duì)?ξ(i-1))) 即該位置的距離梯度方向，〇(ξ(i-1))為ξ(i-1)的生長(zhǎng)方向，根節(jié)點(diǎn)方向由前述確定， 其余則由ξ(i-Ι)-ξ(i-2)確定，SU(i-Ι))為距離ξ(i-Ι)最近的頭發(fā)表面幾何的方向。 公式中Ct1,a2，a3，a4為各方向約束的權(quán)重，Ct1,a2距離頭皮越近權(quán)重越大，a4距離頭 發(fā)表面越近權(quán)重越大，a3為常數(shù)。
[0027]對(duì)于每根發(fā)絲，當(dāng)其新的重建點(diǎn)ξ (i)的距離場(chǎng)值?(ξ (i))大于一定閾值時(shí)，或 發(fā)絲的總長(zhǎng)度大于一定閾值時(shí)，發(fā)絲重建結(jié)束。
[0028] (4)基于能量最小化的頭發(fā)優(yōu)化。
[0029]基于能量最小化的頭發(fā)優(yōu)化對(duì)所述步驟（3)重建得到的所有發(fā)絲進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化 由對(duì)能量E的最小化實(shí)現(xiàn)，E由公式（2)確定。

【權(quán)利要求】
1. 一種基于多方向約束的頭發(fā)重建方法，其輸入為頭發(fā)表面幾何、頭發(fā)表面方向場(chǎng)和 頭模型，其特征在于包括以下步驟： 1) 空間網(wǎng)格化頭發(fā)方向場(chǎng)求解； 2) 空間網(wǎng)格化距離場(chǎng)求解； 3) 基于多方向的發(fā)絲重建； 4) 基于能量最小化的頭發(fā)模型優(yōu)化。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于多方向約束的頭發(fā)重建方法，其特征在于：所述步 驟1)中空間網(wǎng)格化頭發(fā)方向場(chǎng)求解，其步驟為：首先是空間離散化，根據(jù)輸入的頭發(fā)幾何 和頭模型，計(jì)算所重建三維區(qū)域的空間包圍盒，并按統(tǒng)一單元將空間均勻離散化為網(wǎng)格；其 次，建立拉普拉斯方程求解頭發(fā)網(wǎng)格化的方向場(chǎng)，各包含頭發(fā)表面方向的網(wǎng)格方向設(shè)為該 表面方向，空間網(wǎng)格的邊界條件設(shè)為狄利克雷邊界；最后，通過求解該拉普拉斯方程得到各 個(gè)位置方向網(wǎng)格的方向，從而得到頭發(fā)方向場(chǎng)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于多方向約束的頭發(fā)重建方法，其特征在于：所述步 驟2)中，空間網(wǎng)格化距離場(chǎng)求解，其步驟如下：首先，利用所述步驟1)中相同的離散化網(wǎng)格 建立拉普拉斯方程，包含頭發(fā)表面幾何的網(wǎng)格距離設(shè)為0,包含頭表面的網(wǎng)格距離設(shè)為-1， 網(wǎng)格邊界的距離設(shè)為1。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于多方向約束的頭發(fā)重建方法，其特征在于：所述步 驟3)中，基于多方向的發(fā)絲重建，其步驟為：首先，用戶在頭皮指定頭發(fā)生長(zhǎng)區(qū)域；其次，均 勻的在生長(zhǎng)區(qū)域采樣發(fā)根點(diǎn)，每點(diǎn)的初始生長(zhǎng)方向按一定比例取該點(diǎn)法向和切向之間；隨 后，利用多重的方向約束重建各發(fā)絲，發(fā)絲從發(fā)根點(diǎn)位置逐點(diǎn)重建，一個(gè)新的發(fā)絲點(diǎn)的位置 通過前一點(diǎn)的方向，網(wǎng)格方向場(chǎng)方向，網(wǎng)格距離場(chǎng)梯度方向，距離前一點(diǎn)最近的頭發(fā)表面方 向共同約束確定，這一過程利用如下公式實(shí)現(xiàn)： Ui) = Ui-D + ajU (i-l)) + a2 V (D U (i~l))) + a 3〇( Ui~l)) + a 4S U ( i_l)) 其中€表示一根發(fā)絲，€由其上各點(diǎn)U〇)，Ul) ----?UN)構(gòu)成，Ui)即第i個(gè) 點(diǎn)，Ui-1)即€⑴前一點(diǎn)的位置，v(Ui-D)為Ui-1)所在位置的所述步驟1)的方向 場(chǎng)值，D(Ui-l))為Ui-1)所在位置的權(quán)利要求3所述的距離場(chǎng)值，▽ (D(Ui-l)))即 該位置的距離梯度方向，〇aa-i))為Ui-i)的生長(zhǎng)方向，s(ui-i))為距離ui-i) 最近的頭發(fā)表面幾何的方向；最后，當(dāng)各發(fā)絲生長(zhǎng)至最大長(zhǎng)度，或新的發(fā)絲點(diǎn)的距離值超過 一定閾值發(fā)絲停止生長(zhǎng)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于多方向約束的頭發(fā)重建方法，其特征在于：所述步 驟4)中，基于能量最小化的頭發(fā)模型優(yōu)化，其主要步驟如下：以所述步驟4)重建出的各發(fā) 絲點(diǎn)為初始位置進(jìn)行優(yōu)化，各點(diǎn)所受約束為，各點(diǎn)位置與該點(diǎn)初始位置接近，各點(diǎn)方向與該 點(diǎn)初始位置的網(wǎng)格方向場(chǎng)值接近，各點(diǎn)方向與該點(diǎn)初始位置鄰域其他發(fā)絲最近點(diǎn)的加權(quán)方 向接近。
【文檔編號(hào)】G06T17/00GK104376597SQ201410740979
【公開日】2015年2月25日 申請(qǐng)日期:2014年12月5日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月5日
【發(fā)明者】齊越, 徐澤祥 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)