一种基于多方向约束的头发重建方法技术

本发明专利技术公开了一种基于多方向约束的头发重建方法，利用从图像中重建的头发表面几何、头发表面方向和头模型几何，重建出完整的头发模型。其步骤为：(1)基于拉普拉斯方程，利用头发表面方向求解头发的空间网格方向场；(2)基于拉普拉斯方程，利用头发表面几何和头模型几何求解头发的空间网格距离场；(3)根据步骤(1)的方向场方向、步骤(2)的距离场梯度方向和已知的头发表面方向，从头皮均匀分布的发根点重建出各个发丝几何；(4)根据步骤(3)的得到的初始几何，利用步骤(2)得到的方向，对初始头发模型进行基于能量最小化的优化，得到最终头发模型。本发明专利技术能够重建出发丝生长分布均匀，外表与采集图像相似的头发模型。

【技术实现步骤摘要】
一种基于多方向约束的头发重建方法
本专利技术属于计算机虚拟现实领域，具体地说，一种基于多方向约束的头发重建。
技术介绍
在计算机图形学中，对虚拟人物的正确建模，一直是研究者的一个重要的课题。无论是电影特效，视频游戏，虚拟现实或是其他图形学相关的领域，视觉真实的人物建模技术都有广泛的应用。而头发则是人物的一个重要特征，头发的形态因人而异，有时甚至是区别不同人的重要特征。同时，构成头发的发丝非常多，头发的造型、运动及其具有的光学特性都十分复杂，真实感的头发建模成为了计算机图形学的一个研究难点。在电影，动画或虚拟现实领域，三维头发模型的几何建模一直是一件繁琐的工作。目前，大部分模型仍然依靠艺术家利用交互工具手工进行头发造型与建模的工作。近年来，不断开始有研究者尝试用自动化的方法，从图像数据中重建与真实头发相近似的模型。基于图像的头发建模方法，一般根据图像信息得到初步的头发几何约束与方向约束，再从中重建出完整的头发模型。目前基于图像的三维头发重建方法一般均首先获取头发表面几何，并通过分析各图像二维的方向信息重建出头发表面的方向。随后，一类方法，直接将表面方向场扩散到整个空间，利用该均匀方向场重建头发，得到的头发足够均匀但外形与图像差别较大；另一类方首先重建外部发丝，再将其连接至头皮，得到的头发外形与图像相似，但无法保证头发均匀也无法重建内部结构。相比传统的两种方法，本专利技术将两类方法的优势结合起来，使得头发的生长在内部按均匀方向生长，在外部按表面方向生长，综合了两种方法的优势。因此，本专利技术针对给予图像的头发建模的工作极具研究意义和应用前景。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题：克服现有技术的一些局限性，提供一种基于多方向约束的头发重建方法，有效的在获取初步头发表面数据后重建头发的发丝几何，得到视觉真实的头发模型。本专利技术的技术解决方案：以头发表面几何、头发表面方向、头模型几何为输入，基于多方向约束的头发重建，利用网格化的方向场和头发表面方向共同约束发丝重建，从而重建头发模型。其特征在于如下步骤：(1)根据输入的头发表面方向重建空间网格化的头发方向场；(2)根据输入的头发表面几何和头模型几何重建空间网格化的距离场；(3)利用(1)所得方向场、输入的头发表面方向和(2)所得距离场重建发丝几何；(4)利用(1)所得方向场，对(3)所得的头发模型进行优化；本专利技术的优点在于：1、本专利技术所设计的头发发丝的重建过程，发丝均匀的从头皮长出，逐渐生长到头发表面，发丝分布均匀合理，在空间网格方向的约束下发丝生长方向自然。2、本专利技术所设计的头发发丝的重建过程，发丝生长接近头皮时，将按头发表面方向生长，头发外面接近采集图像。3、本专利技术所设计的多方向约束的头发重建，使得头发生长分布均匀的同时保持外部形态逼真，便于用于重建模型的重用。附图说明图1为本专利技术方法的数据流程图。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细说明。本专利技术方法的主要流程图如图1所示，在具备头发表面几何，头发表面方向，头模型几何为输入下，具体步骤如下：(1)空间网格化头发方向场求解。本专利技术中空间网格化头发方向场求解，为整个重建区域提供了连续分布的网格方向场。首先根据输入的头发表面几何和头模型几何中的点，计算出整个区域的包围盒，设定一定的网格单元大小，将整个区域均匀分割成立方体网格，实现空间网格化。随后，建立拉普拉斯方程，网格内含有头发表面几何的网格方向设为该头发几何的方向，包围盒边界网格设为狄利克雷边界，其余网格为未知方向。最后，求解拉普拉斯方程，得到空间平滑的网格方向场。(2)空间网格化距离场；为了使头发生长从头皮逐渐向头发表面靠拢，本专利技术利用距离场提供相关方向约束。首先利用所述步骤(1)中的网格化所得到的网格，在空间建立拉普拉斯方程，网格内包含有头发表面几何的的网格距离值设为0，包含头模型几何表面的网格距离值设为-1，空间包围盒边界的网格设置为1。随后，求解该拉普拉斯方程，得到在空间连续的头发表面距离场，头发表面为0，头发内部为负，头发外部为正。(3)基于多方向的发丝重建。此步骤为本专利技术的核心步骤，从头皮开始重建各发丝。首先，用户在头模型表面指定头发生长区域，在区域中均匀采样出发根点，头发的发根的生长方向设为改点在头模型的方向方向与远离头发分缝线的切线方向之间一定比例。随后开始逐点重建出整根发丝，用ξ表示一根发丝，ξ由其上各点ξ(0),ξ(1).....ξ(N)构成，发丝的重建从发根ξ(0)开始，逐点重建，对每一ξ(i)重建，由公式(1)确定。ξ(i)＝ξ(i-1)+α1V(ξ(i-1))+α2▽(D(ξ(i-1)))+α3Ο(ξ(i-1))+α4S(ξ(i-1))(1)其中，ξ(i-1)即ξ(i)前一点的位置，V(ξ(i-1))为ξ(i-1)所在位置的所述(1)的方向场值，D(ξ(i-1))为ξ(i-1)所在位置的所述(2)的距离场值，▽(D(ξ(i-1)))即该位置的距离梯度方向，Ο(ξ(i-1))为ξ(i-1)的生长方向，根节点方向由前述确定，其余则由ξ(i-1)-ξ(i-2)确定，S(ξ(i-1))为距离ξ(i-1)最近的头发表面几何的方向。公式中α1，α2，α3，α4为各方向约束的权重，α1，α2距离头皮越近权重越大，α4距离头发表面越近权重越大，α3为常数。对于每根发丝，当其新的重建点ξ(i)的距离场值D(ξ(i))大于一定阈值时，或发丝的总长度大于一定阈值时，发丝重建结束。(4)基于能量最小化的头发优化。基于能量最小化的头发优化对所述步骤(3)重建得到的所有发丝进行优化。优化由对能量E的最小化实现，E由公式(2)确定。其中，ξ0(i)为所述步骤(3)重建得到的初始发丝点，ξ(i)为所求点，V、Ο的方向含义与所述步骤(3)相同，即V(ξ0(i-i))为ξ0(i-i)所在位置的所述(1)的方向场值，Ο(ξ0(i-i))为ξ0(i-1)的生长方向。N(ξ0(i))为所有距离ξ0(i)足够近的各发丝上距离ξ0(i)最近的点的点集。w(ξ0n(in))为均一化的按距离计算的高斯的权重，αreg，αort，αn为各能量项系数，均为常数。本专利技术说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。以上所述仅为本专利技术的优选实施方式，应当指出，对于本
的普通技术人员来说，在不脱离本专利技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应该视为本专利技术的保护范围。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于多方向约束的头发重建方法，其输入为头发表面几何、头发表面方向场和头模型，其特征在于包括以下步骤： 1)空间网格化头发方向场求解； 2)空间网格化距离场求解； 3)基于多方向的发丝重建； 4)基于能量最小化的头发模型优化。

【技术特征摘要】
1.一种基于多方向约束的头发重建方法，其输入为头发表面几何、头发表面方向场和头模型，其特征在于包括以下步骤：1)空间网格化头发方向场求解；2)空间网格化距离场求解；3)基于多方向的发丝重建；4)基于能量最小化的头发模型优化；所述步骤1)中空间网格化头发方向场求解，其步骤为：首先是空间离散化，根据输入的头发几何和头模型，计算所重建三维区域的空间包围盒，并按统一单元将空间均匀离散化为网格；其次，建立拉普拉斯方程求解头发网格化的方向场，各包含头发表面方向的网格方向设为该表面方向，空间网格的边界条件设为狄利克雷边界；最后，通过求解该拉普拉斯方程得到各个位置方向网格的方向，从而得到头发方向场；所述步骤3)中，基于多方向的发丝重建，其步骤为：首先，用户在头皮指定头发生长区域；其次，均匀的在生长区域采样发根点，每点的初始生长方向按一定比例取该点法向和切向之间；随后，利用多重的方向约束重建各发丝，发丝从发根点位置逐点重建，一个新的发丝点的位置通过前一点的方向，网格方向场方向，网格距离场梯度方向，距离前一点最近的头发表面方向共同约束确定，这一过程利用如下公式实现：

【专利技术属性】
技术研发人员：齐越，徐泽祥，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11