CN119229011A - 数字化人体皮肤模型的生成方法和生成系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及人体模型重建技术领域，具体而言涉及数字化人体皮肤模型的生成方法和生成系统，包括以下步骤：步骤1、获得被扫描对象的三维点云数据，建立三维人体扫描模型点云数据；步骤2、将步骤1获得的三维人体扫描模型点云数据导入到模型数据处理模块中，为修改所述三维人体扫描模型点云数据提供操作环境。本发明通过高精度的三维扫描设备和专业的三维软件，本发明能够生成更为完整和逼真的数字化人体皮肤模型。修复了先前方法中由于扫描不完整而导致的缺陷，特别是在眼球和口腔等关键部位的详细结构获取上有了显著的改进。优化的面数和性能：通过面数优化的步骤，本发明提高了模型的性能和逼真度。

Description

数字化人体皮肤模型的生成方法和生成系统

技术领域

本发明涉及人体模型重建技术领域，具体而言涉及数字化人体皮肤模型的生成方法和生成系统。

背景技术

目前已经存在一些生成数字化人体皮肤模型的方法，包括皮肤表面重建技术、皮肤断层扫描技术、三维重建技术等，皮肤表面重建技术是利用结构光扫描、激光扫描等，获取皮肤表面的形态和纹理信息，为皮肤重建提供数据支持。直接从真实人体获取数据，能够较准确地还原真实的人体形态和细节。可能由于扫描设备的限制，无法捕捉到一些细微的部分，如眼球和口腔。皮肤断层扫描技术可以获取皮肤不同层次的断层图像，用于分析皮肤内部的病理特征和病变情况。三维重建技术利用获取的皮肤形态和纹理信息，建立三维的皮肤模型，以模拟皮肤受到外力作用时的行为和变形，并实现更加精细和个性化的模型调整。但此算法存在处理数据量大、绘制速度慢等不足，且依赖人工干预，不够自动化。

因此，本申请的目的是进一步改进和完善高度自动化的方法，以提高所生成的数字化人体皮肤模型的完整性和逼真度。致力于确保所生成的模型更符合实际人体的形态特征，使其在医学、模拟训练等领域的应用更为准确和可靠。

发明内容

针对现有技术中数字化人体皮肤模型重建存在的技术问题，本发明的第一方面提出一种技术方案，一种数字化人体皮肤模型的生成方法，包括以下步骤：

步骤1、获得被扫描对象的三维点云数据，建立三维人体扫描模型点云数据；

步骤2、将步骤1获得的三维人体扫描模型点云数据导入到模型数据处理模块中，为修改所述三维人体扫描模型点云数据提供操作环境；

步骤3、对导入的三维人体扫描模型点云数据进行优化处理；

步骤4、对优化处理后的三维人体扫描模型进行减面处理；

步骤5、对减面处理后的三维人体扫描模型进行皮肤纹理添加，得到可以导出为预定格式的人体皮肤模型；

其中，在步骤1中，分两次对被扫描对象进行扫描，第一次扫描获得扫描对象表面的三维点云数据，第二次扫描获得被扫描对象细节部分的三维点云数据，并且在对三维人体扫描模型点云数据进行优化处理之前，将细节部分的点云数据添加到所述三维人体扫描模型点云数据中。

优选的，所述高精度扫描设备包括12台深度相机，第一相机位于目标对象的正前方0°位置，第二相机位于目标前方的30°位置，第三相机位于目标对象的左侧90°位置，第四相机位于左后方150°的位置，第五相机位于目标对象的正后方180°位置，第六相机位于目标对象的右后方210°位置，第七相机位于目标对象的右侧270°位置，第八相机位于目标对象的右前方330°位置，第九相机位于目标对象的正上方，第十相机位于目标对象的正下方，第十一相机位于目标对象的左上方位置，第十二相机位于目标对象的右下方位置。

优选的，在步骤2中，所述模型数据处理模块包括逆向工程软件，用于将三维扫描数据自动生成高精度的数字模型。

优选的，在步骤1中，被扫描对象细节部分包括口腔和眼球部分。

优选的，在步骤3中，对三维人体扫描模型点云数据进行优化处理的步骤包括剔除噪声、填补孔洞和点云封装；

其中，剔除噪声通过手动删除的方式将人体模型轮廓以外的数据点删除；

其中，填补孔洞根据人体表面点云数据是否连续对空洞部位进行填补；

其中，点云封装用于将三维人体扫描模型点云数据转换为三维曲面模型。

优选的，在步骤4中，通过调整减面强度百分比的方式达到多边形减面的效果。

优选的，在步骤5中，通过纹理映射或几何纹理添加的方式在三维人体扫描模型的表面添加皮肤纹理。

本发明第二方面提出一种技术方案，一种数字化人体皮肤模型的生成系统，包括：

高精度扫描设备，用于获取被扫描对象的三维点云数据，并建立三维人体扫描模型点云数据；

模型数据处理模块，用于储存和修改被所述高精度扫描设备导入的三维人体扫描模型数据；

细节扫描设备，用于获取口腔内和眼球的点云数据；

其中，所述模型数据处理模块包括数据优化单元、细节添加单元、面数优化单元、皮肤纹理添加单元和模型导出单元，所述细节添加单元用于将所述细节扫描设备获取的口腔内和眼球的点云数据添加到所述三维人体扫描模型点云数据中，增加三维人体扫描模型点云数据的细节，所述数据优化单元用于对所述三维人体扫描模型点云数据进行噪声剔除和点云封装，使三维人体扫描模型数据由三维点云数据转换为三维曲面形态，所述面数优化单元用于对所述三维曲面形态的模型面数进行减面，所述皮肤纹理添加单元用于在三维曲面形态的模型表面形成皮肤纹理，所述模型导出单元用于将优化后的模型导出为预定格式。

优选的，所述细节扫描设备包括口内扫描仪和RGBD深度相机。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

更完整和逼真的人体皮肤模型：通过高精度的三维扫描设备和专业的三维软件，本发明能够生成更为完整和逼真的数字化人体皮肤模型。修复了先前方法中由于扫描不完整而导致的缺陷，特别是在眼球和口腔等关键部位的详细结构获取上有了显著的改进。

优化的面数和性能：通过面数优化的步骤，本发明提高了模型的性能和逼真度。减少冗余的面、合并相邻的面，以及修复破洞等操作，使得生成的数字化人体皮肤模型更加高效和真实。

专门处理眼球和口腔等关键细微部位：本发明针对眼球和口腔等关键细微部位进行了专门的加固和细节添加，以确保这些部位的结构和特征得到充分的呈现。这有助于提高模型的生理准确性。

灵活的皮肤纹理添加：通过添加皮肤纹理的步骤，本发明提供了对模型外观的更灵活的控制。这包括选择纹理并添加、调整纹理的位置和大小等操作，使得生成的人体皮肤模型在视觉上更加逼真。

广泛的应用领域：由于生成的模型在医学模拟、手术计划、康复训练等领域具有高度逼真性，本发明在医学领域和虚拟现实领域等方面有着广泛的应用潜力。

自动化程度高：本发明在一定程度上减少了对人工干预的依赖，提高了生成数字化人体皮肤模型的效率和一致性。

附图说明

附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：

图1是本发明实施例所示的12台相机所处的位置示意图；

图2a是本发明实施例所示的填补孔洞前的三维人体模型；

图2b是本发明实施例所示的填补孔洞后的三维人体模型；

图3是本发明实施例所示的将三维人体模型导入到减面工具的示意图；

图4是本发明实施例所示的三维人体模型局部被减面处理后的示意图；

图5a是本发明实施例所示的未进行皮肤纹理添加前的脸部示意图；

图5b是本发明实施例所示的进行皮肤纹理添加后的脸部示意图。

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

本发明的第一方面提出一种技术方案，一种数字化人体皮肤模型的生成方法，包括以下步骤：

步骤1、获得被扫描对象的三维点云数据，建立三维人体扫描模型点云数据。

在步骤1中，使用高精度扫描设备来获得人体的三维扫描数据。

可选的，扫描设备为Kinect相机，相机的主要原理就是红外测量，使用普通的相机可以获得扫描对象颜色信息，结合红外测量就可以获得图像上不同点的深度信息，从而获得被扫描对象的三维点云数据。

具体的，本申请采用12台固定位置的Kinect相机对目标对象进行12个角度的拍摄，把不同角度的位置信息进行融合拼接得到全面的三维人体扫描数据。

可选的，如图1所示，第一相机位于目标对象的正前方0°位置，第二相机位于目标前方的30°位置，第三相机位于目标对象的左侧90°位置，第四相机位于左后方150°的位置，第五相机位于目标对象的正后方180°位置，第六相机位于目标对象的右后方210°位置，第七相机位于目标对象的右侧270°位置，第八相机位于目标对象的右前方330°位置，第九相机位于目标对象的正上方，第十相机位于目标对象的正下方，第十一相机位于目标对象的左上方位置，第十二相机位于目标对象的右下方位置。

如此，通过扫描所获得的模型数据将包含身体各个部位的基本形状和结构，但可能不包括完整的眼球、口腔等细节部分。

需要进行进一步的细节部分扫描。

例如，对眼球、口腔进行再一次的扫描，由于口腔是软体组织并且具有相对封闭的环境，在不加辅助光的情况下，难以用普通RGBD相机或者激光雷达扫描得到细节正确纹理清晰的数据，故其主要通过专业的口内扫描仪和面部扫描仪获取。眼球及其他细节的点云数据可以基于RGBD相机或SAR系统获取。

步骤2、将步骤1获得的三维人体扫描模型点云数据导入到模型数据处理模块中，为修改所述三维人体扫描模型点云数据提供操作环境。

具体的，可以将扫描得到的初步模型数据导入到Geomagic studio软件。Geomagicstudio软件将为后续的修补、优化和细节添加提供操作环境。

容易理解的，在使用多机扫描设备对人体进行扫描时，由于受扫描环境的影响，得到的扫描数据含有点云噪声，并不能满足实际的需要，需要对得到的点云数据作进一步的优化。进一步的，步骤3、对导入的三维人体扫描模型点云数据进行优化处理；

可选的，对三维人体扫描模型点云数据进行优化处理的步骤包括剔除噪声、填补孔洞和点云封装。

具体的，剔除噪声：由于通过扫描获得的人体点云数据并不仅仅是人体表面的信息，附着在人体表面的物体和存在于人体扫描环境中的杂物也会影响人体扫描的效果，异常点云数据会对后续的处理有不利的影响，需要手动删除明显不属于人体表面的数据点。

填补孔洞：把扫描得到的三维人体扫描数据导入Geomagic Studio，可以观察扫描得到的人体表面点云数据是否连续。三维扫描得到的人体会出现人体空洞的异常现象，可以使用Geomagic的相关命令来完成网格的修补和优化操作。

点云封装：由于扫描得到的人体数据点云往往比较密集，很难通过人眼去判断这些点云是否连续。点云封装的目的就是把三维点云数据转换为三维曲面形态。

结合图2a和2b所示，通过对点云数据进行优化处理，可得到更完整的三维曲面形态的人体模型。

为了提高模型的性能和逼真度，需要对模型的面数进行优化。

进一步的，步骤4、对优化处理后的三维人体扫描模型进行减面处理。

在可选的实施例中，对三维人体扫描模型可以通过Cinema 4D软件进行处理，Cinema 4D是一款由德国Maxon Computer公司开发的三维设计软件，其以极高的运算速度和强大的第三方插件著称。该软件内置减面工具，可通过调整减面强度百分比的方式达到多边形减面的效果。

结合图3-图4所示，通过调整减面强度百分比的方式可提高模型的逼真度。

最后，为模型添加皮肤纹理，步骤5、对减面处理后的三维人体扫描模型进行皮肤纹理添加，得到可以导出为预定格式的人体皮肤模型。

在可选的实施例中，通过纹理映射或几何纹理添加的方式在三维人体扫描模型的表面添加皮肤纹理。

如图5a-5b所示，图5b的脸部线条更圆滑，除此之外还能看到有皱纹，胡渣，眉毛等细节结构。

其中，纹理映射是表示物体表面细节、增加其真实感的一种有效方法。用图像纹理来表示物体的表面细节是传统纹理映射所采用的方法，与几何纹理相比，更经济、有效，在时间、空间耗费上代价更低，但是图像纹理不支持遮挡、阴影、轮等重要的效果，从而失去了绘制精度。

几何纹理同图像纹理一样都具有自相似性，但它比图像纹理更为复杂，几何纹理不是二维的像素点的离散集合，而是由不规则拓扑连接的网格构成的连续表示，几何纹理可以很好地表示物体的表面细节，提高绘制精度。

具体的，几何纹理合成是根据给定的样本几何纹理，通过一定的合成方法在物体表面上自动地生成新的几何纹理的技术.几何纹理合成技术一般都是在目标物体表面上直接进行合成，它们虽然减少了人工交互添加几何纹理的大量工作量，并且能够生成高质量的几何纹理，但合成是针对特定目标的，结果只能用于特定物体上，这样不仅降低了合成的速度,还需要大量的存储空间来保存每个物体上的合成结果。

因此，在具体的实施例中，根据模型的不同部位，可分别采用纹理映射或几何纹理添加的方式对模型表面添加皮肤，使模型表面的皮肤添加更灵活可控。

【数字化人体皮肤模型的生成系统】

本发明第二方面提出一种技术方案，一种数字化人体皮肤模型的生成系统，包括：

高精度扫描设备，用于获取被扫描对象的三维点云数据，并建立三维人体扫描模型点云数据；

模型数据处理模块，用于储存和修改被高精度扫描设备导入的三维人体扫描模型数据；

细节扫描设备，用于获取口腔内和眼球的点云数据；

其中，模型数据处理模块包括数据优化单元、细节添加单元、面数优化单元、皮肤纹理添加单元和模型导出单元，细节添加单元用于将细节扫描设备获取的口腔内和眼球的点云数据添加到三维人体扫描模型点云数据中，增加三维人体扫描模型点云数据的细节，数据优化单元用于对三维人体扫描模型点云数据进行噪声剔除和点云封装，使三维人体扫描模型数据由三维点云数据转换为三维曲面形态，面数优化单元用于对三维曲面形态的模型面数进行减面，皮肤纹理添加单元用于在三维曲面形态的模型表面形成皮肤纹理，模型导出单元用于将优化后的模型导出为预定格式。

在可选的实施例中，针对口腔内和眼球等细节部位，所使用的细节扫描设备包括口内扫描仪和RGBD深度相机。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (9)

1.一种数字化人体皮肤模型的生成方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、获得被扫描对象的三维点云数据，建立三维人体扫描模型点云数据；

步骤2、将步骤1获得的三维人体扫描模型点云数据导入到模型数据处理模块中，为修改所述三维人体扫描模型点云数据提供操作环境；

步骤3、对导入的三维人体扫描模型点云数据进行优化处理；

步骤4、对优化处理后的三维人体扫描模型进行减面处理；

步骤5、对减面处理后的三维人体扫描模型进行皮肤纹理添加，得到可以导出为预定格式的人体皮肤模型；

其中，在步骤1中，分两次对被扫描对象进行扫描，第一次扫描获得扫描对象表面的三维点云数据，第二次扫描获得被扫描对象细节部分的三维点云数据，并且在对三维人体扫描模型点云数据进行优化处理之前，将细节部分的点云数据添加到所述三维人体扫描模型点云数据中。

2.根据权利要求1所述的数字化人体皮肤模型的生成方法，其特征在于，所述高精度扫描设备包括12台深度相机，第一相机位于目标对象的正前方0°位置，第二相机位于目标前方的30°位置，第三相机位于目标对象的左侧90°位置，第四相机位于左后方150°的位置，第五相机位于目标对象的正后方180°位置，第六相机位于目标对象的右后方210°位置，第七相机位于目标对象的右侧270°位置，第八相机位于目标对象的右前方330°位置，第九相机位于目标对象的正上方，第十相机位于目标对象的正下方，第十一相机位于目标对象的左上方位置，第十二相机位于目标对象的右下方位置。

3.根据权利要求1所述的数字化人体皮肤模型的生成方法，其特征在于，在步骤2中，所述模型数据处理模块包括逆向工程软件，用于将三维扫描数据自动生成高精度的数字模型。

4.根据权利要求1所述的数字化人体皮肤模型的生成方法，其特征在于，在步骤1中，被扫描对象细节部分包括口腔和眼球部分。

5.根据权利要求1所述的数字化人体皮肤模型的生成方法，其特征在于，在步骤3中，对三维人体扫描模型点云数据进行优化处理的步骤包括剔除噪声、填补孔洞和点云封装；

其中，剔除噪声通过手动删除的方式将人体模型轮廓以外的数据点删除；

其中，填补孔洞根据人体表面点云数据是否连续对空洞部位进行填补；

其中，点云封装用于将三维人体扫描模型点云数据转换为三维曲面模型。

6.根据权利要求1所述的数字化人体皮肤模型的生成方法，其特征在于，在步骤4中，通过调整减面强度百分比的方式达到多边形减面的效果。

7.根据权利要求1所述的数字化人体皮肤模型的生成方法，其特征在于，在步骤5中，通过纹理映射或几何纹理添加的方式在三维人体扫描模型的表面添加皮肤纹理。

8.一种数字化人体皮肤模型的生成系统，其特征在于，包括：

高精度扫描设备，用于获取被扫描对象的三维点云数据，并建立三维人体扫描模型点云数据；

模型数据处理模块，用于储存和修改被所述高精度扫描设备导入的三维人体扫描模型数据；

细节扫描设备，用于获取口腔内和眼球的点云数据；

其中，所述模型数据处理模块包括数据优化单元、细节添加单元、面数优化单元、皮肤纹理添加单元和模型导出单元，所述细节添加单元用于将所述细节扫描设备获取的口腔内和眼球的点云数据添加到所述三维人体扫描模型点云数据中，增加三维人体扫描模型点云数据的细节，所述数据优化单元用于对所述三维人体扫描模型点云数据进行噪声剔除和点云封装，使三维人体扫描模型数据由三维点云数据转换为三维曲面形态，所述面数优化单元用于对所述三维曲面形态的模型面数进行减面，所述皮肤纹理添加单元用于在三维曲面形态的模型表面形成皮肤纹理，所述模型导出单元用于将优化后的模型导出为预定格式。

9.根据权利要求8所述的数字化人体皮肤模型的生成系统，其特征在于，所述细节扫描设备包括口内扫描仪和RGBD深度相机。