专利名称：一种几何与生物力学混合的手部肌肉变形方法
技术领域：
本发明属于计算机虚拟现实和计算机图形学技术领域，具体地说是一种几何与生物力学混合的手部肌肉变形方法，先从几何方面对手部肌肉进行姿态变形预测，对于变形姿态的结果再从生物力学的角度计算对应该姿态下的肌腱分布，将变形姿态和计算出来的肌腱采用叠加的方式进行二次变形，最终达到更为逼真的效果。
背景技术：
人手作为人体的重要器官之一，其内部组织远远不止皮肤和骨骼，当手运动时，肌腱和肌肉对应地运动在皮肤表层下同时带动影响表层皮肤形成一定的视觉效果，而这些效 果是跟其具体的运动方式及内部所受的各种力的综合相互关联的。例如，手背上的筋的外观形状与手是如何移动的以及被施加了多大的力相关的。以前的一些生物力学模拟方法，无论是线性力或者固体力学模型都不能很好的适用于人手的模拟，因为人手的运动相对比较灵活，其多种约束条件增加了模拟人手中的肌肉肌腱运动难度。在线性力模型中，最外层包裹的表面是用来近似地描述在关节附近的肌肉肌腱的运动路线的，但是这些表面只影响了运动学而没有作用到肌肉肌腱的动态活动。在固体力学模型中，肌肉的三维变形可以得到充分的计算，不过构建这类模型往往比较困难而且用其模拟变形的性能代价也比较大。此外，肌肉纤维这一属性在这里并没有直观的体现出来。总的来说以上方法都不能模拟复杂约束下的肌肉肌腱的动态运动，这里我们提出一种基于链状肌肉的方法，能够在各种不同的运动约束的情况下有效的模拟肌肉肌腱及骨骼的耦合运动。考虑到样条模型有着质量弹簧模型的优点，而且其本质上是平稳光滑的(例如三次B样条，它在每个连接点上有二次连续性)，目前样条模型也已经被用于电缆，纱线及肌肉的模拟。此外，基于样条模型的肌肉模拟，可以有效的添加滑动等约束进去。之前已经有一些论文使用薄的物理链状组织模拟各种现象，如文献I :QINj H. , ANDTER Z0P0UL0S, D. 1996. D-NURBS:A Physics-Based Framework for GeometricDesign. IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics2，1，8596。文献2 :BERTAILS, F.，AUDOLY, B.，CANIj M. -P.，QUERLEUX, B.，LEROY, F.，ANDL ! EVQUE, J. -L 2006.Super-helices for pre—dicting the dynamics of natural hair. ACM Trans. Graph.(Proc. SIGGRAPH)25, 3，1180 - 1187.而本发明扩展了约束方式和激活方式，整个模拟的肌肉部分的建模就采用样条模型为基础的链状肌肉模型，其中用样条来模拟皮肤表层下的肌腱和肌肉，采用链状肌肉也是参考了真正的肌肉组织的解剖结构，因为肌肉中包含肌肉纤维，受力情况下的肌肉纤维能在空间中弯曲，肌肉纤维组成肌肉束，当肌肉被激活时肌肉纤维对应的收缩，收缩的力也是沿着肌肉纤维传递的，因此链状肌肉能够比较直接的模拟这种行为。纯几何方法的变形，虽然具有精细的表面重建能力和快速计算能力，不过几何变形由于没有考虑人手内部的肌肉肌腱等生物构造特性，缺乏动态重建皮下肌腱运动的能力，所以本发明采用几何与生物力学混合的方法来模拟人手变形。
发明内容
本发明要解决的技术问题为克服现有纯几何变形技术的不足，结合了几何方法和生物力学领域知识，实现了一个以数据为驱动的几何和生物力学特性的统一变形框架，充分利用几何变形的表面计算的简单性以及生物力学在仿真人体肌肉变形中的优势，并提供了一种几何与生物力学混合的手部肌肉变形方法，其利用二次叠加变形的思路，方便搭配不同皮肤表层变形算法，即肌肉变形模拟的过程可以独立于皮肤表层的变形。本发明解决上述技术问题采用的技术方案为一种几何与生物力学混合的手部肌肉变形方法，其特点在于步骤如下步骤(I)、三维扫描仪得到人手模型后，通过三角面片聚类的方法得到模型的代理骨骼； 步骤(2)、通过图形界面选取几何控制点，记录下几何控制点坐标，采用标准的CCA算法，离线对几何控制点和步骤SlOl中得到的代理骨骼旋转变换和平移变换的矩阵进行最大相关性分析，即得到形式为AB=C的相关性分析形式，B为几何控制点对应的矩阵，C为代理骨骼旋转变换和平移变换的对应的矩阵，A即为最大相关矩阵；步骤(3)、给定新的控制点来预测相对应的手部变形姿态；步骤(4)、参考人手内部的生物构造设置初始肌腱排列；步骤(5)、用三次B样条作为肌肉肌腱的抽象数学模型，预处理阶段计算出所有样条的所有控制点的质量；步骤(6)、对于每一帧分别计算样条控制点的重力，主动力，被动力以及阻尼力，然后计算以上四种力的合力；步骤(7)、根据步骤(6)计算的样条控制点合力计算加速度,根据加速度计算样条控制点的速度，然后再可以计算出样条控制点的当前帧的位置；步骤(8)、通过样条控制点的位置计算出整个肌腱的空间位置分布；步骤(9)、基于步骤(3)的手部变形姿态和步骤(8)的肌腱的空间位置分布进行最后的叠加以达到表层皮肤的二次变形。所述步骤(I)中，通过三角面片聚类的方法得到模型的代理骨骼具体为根据样本中每个三角网格模型的三角面片旋转相似性，计算相邻两个三角面片变形的代价函数，选取对应代价函数值最小的一对三角形，聚成一类，如此迭代，当代价函数满足阈值要求后停止迭代，完成聚类过程，一个类即是一个代理骨骼。所述步骤(3)中，给定新的控制点来预测相对应的手部变形姿态具体可以是将新的几何控制点存储为线性向量形式，并利用步骤(2)中最大相关性矩阵，只需要进行最大相关性矩阵与新的几何控制点存储为线性向量乘法即可得到代理骨骼新的变换，并采用标准的SSD (Subspace Skeleton Deformation)算法计算三角网格模型顶点变形后的坐标。所述步骤(4)中，构造设置初始肌腱排列的方法为参照人手内部实际生物结构来设置肌腱位置，因为用三次B样条作为肌腱等的数学模型，所以也即是设置样条的初始分布位置。
所述步骤(5)中，计算出控制点的质量的方法是对于有n个控制点的三次B样条，先将其长度单位化到se (0，I),然后将其划分为n-3段，每一段对应四个基函数，根据基函数之间的相互关系进一步计算出nXn的质量矩阵M，其中Mil对应第i个控制点和第I个控制点。本发明与现有技术相比的优点在于(I)结合了几何方法和生物力学领域知识，实现了一个以数据为驱动的几何和生物力学特性的统一变形框架，充分利用几何变形的表面计算的简单性以及生物力学在仿真人体肌肉变形中的优势。(2)参考了真正的肌肉组织的解剖结构，采用链状肌肉模拟人手肌肉变形，因为链状肌肉能够比较直接的模拟肌肉纤维在受力时的变形。并用三次B样条作为链状肌肉的抽象数学模型，避免了线性模型作用不到肌肉肌腱动态活动的缺点，同时模拟变形的计算代价也没有固体力学模型的大，同时兼顾了两者的优点。
(3)提供了一种二次叠加变形的思路，方便搭配不同皮肤表层变形算法，即肌肉变形模拟的过程可以独立于皮肤表层的变形。
图I为本发明一种几何与生物力学混合的手部肌肉变形方法流程图。
具体实施例方式图I为本发明算法流程图，如图I所示，本发明具体实现步骤如下步骤SlOl，在步骤SlOl中，初始样本是通过三维扫描仪获取的同一个真实物体不同姿态的三角网格模型集合，集合中的三角网格模型具有相同的顶点数和拓扑结构，但几何信息不同。迭代初始状态将每个三角形作为一个类，并计算每对相邻三角形之间的代价函数，计算依据是相邻三角形在不同模型之间变形的幅度，两个三角形在两个不同姿态模型之间变形幅度相似，则代价函数值小，反之则大。每次迭代，从代价函数值中选取最小的一个值，其对应的一对三角形聚为一类，直到最小的代价函数值等于或超过阈值后，停止迭代，得到所有的类，一类即为一个代理骨骼，并计算每个代理骨骼的旋转变换和平移变换的矩阵。在步骤S102中，通过图形界面选取几何控制点，记录下几何控制点坐标,采用标准的CCA (Canonical Correlation Analysis)算法,离线对几何控制点和步骤SlOl中得到的代理骨骼旋转变换和平移变换的矩阵进行最大相关性分析，即得到形式为AB=C的相关性分析形式，B为几何控制点对应的矩阵，C为代理骨骼旋转变换和平移变换的对应的矩阵，A即为最大相关矩阵。在步骤S103中，变形过程中给一套新的几何控制点坐标D，通过与A相乘，即得到变形过程中代理骨骼新的变换，然后采用标准SSD方法，将新的变换进行混合，计算出几何顶点的变形坐标。在步骤S104中，构造设置初始肌腱排列的方法为参照人手内部实际生物结构来设置肌腱位置，因为用三次B样条作为肌腱等的数学模型，所以也即是设置样条的初始分布位置，本发明提供了一个操作友好，高效的可视化编辑器来实现初始化编辑样条的工作。需要参考人手内部的生物构造设置好初始肌腱排列，因为变形仿真过程中的主动力和被动力中的形变就是用当前帧肌腱相对于初始帧的肌腱计算得到的，所以初始的肌腱位置会直接影响到之后每一帧的计算结果，也因此需参照人手实际生物结构进行肌腱初始布置设定，越接近实际人手越好。在步骤S105中，计算出控制点的质量的方法是对于有n个控制点的三次B样条，先将其长度单位化到se (0, I),四个控制点一段，一共ns段，M为nXn的质量矩阵，其中Mij对应第i行和第I列的元素。该M矩阵的计算你可以通过如下方式实现
权利要求
1.一种几何与生物力学混合的手部肌肉变形方法，其特征在于该方法步骤如下 步骤(I )、通过三维扫描仪得到人手模型后，通过三角面片聚类的方法得到模型的代理骨骼，并计算每个代理骨骼的旋转变换和平移变换； 步骤(2)、通过图形界面选取几何控制点，记录下几何控制点坐标，采用标准的CCA算法，离线对几何控制点和步骤SlOl中得到的代理骨骼旋转变换和平移变换的矩阵进行最大相关性分析，即得到形式为AB=C的相关性分析形式，B为几何控制点对应的矩阵，C为代理骨骼旋转变换和平移变换的对应的矩阵，A即为最大相关矩阵； 步骤(3)、给定新的几何控制点来预测相对应的手部变形姿态； 步骤(4 )、参考人手内部的生物构造设置初始肌腱排列； 步骤(5)、用三次B样条作为肌肉肌腱的抽象数学模型，预处理阶段计算出所有样条的所有控制点的质量； 步骤(6)、对于每一帧分别计算样条控制点的重力，主动力，被动力以及阻尼力，然后计算以上四种力的合力； 步骤(7)、根据步骤(6)计算的样条控制点合力计算加速度,根据加速度计算样条控制点的速度，然后再可以计算出样条控制点的当前帧的位置； 步骤(8)、通过样条控制点的位置计算出整个肌腱的空间位置分布； 步骤(9)、基于步骤(3)的手部变形姿态和步骤(8)的肌腱的空间位置分布进行最后的叠加以达到表层皮肤的二次变形。
2.根据权利要求I所述的几何与生物力学混合的手部肌肉变形方法，其特征在于所述步骤(I)中，通过三角面片聚类的方法得到模型的代理骨骼具体为根据样本中每个三角网格模型的三角面片旋转相似性，计算相邻两个三角面片变形的代价函数，选取对应代价函数值最小的一对三角形，聚成一类，如此迭代，当代价函数满足阈值要求后停止迭代，完成聚类过程，一个类即是一个代理骨骼。
3.根据权利要求I所述的几何与生物力学混合的手部肌肉变形方法，其特征在于所述步骤(3)中，给定新的控制点来预测相对应的手部变形姿态具体可以是将新的几何控制点存储为线性向量形式，并利用步骤(2)中最大相关性矩阵，只需要进行最大相关性矩阵与新的几何控制点存储为线性向量乘法即可得到代理骨骼新的变换，并采用标准的SSD算法计算三角网格模型顶点变形后的坐标。
4.根据权利要求I所述的几何与生物力学混合的手部肌肉变形方法，其特征在于所述步骤(4)中，构造设置初始肌腱排列的方法为参照人手内部实际生物结构来设置肌腱位置，因为用三次B样条作为肌腱等的数学模型，所以也即是设置样条的初始分布位置。
5.根据权利要求I所述的几何与生物力学混合的手部肌肉变形方法，其特征在于所述步骤(5)中，计算出控制点的质量的方法是对于有η个控制点的三次B样条，先将其长度单位化到s e (O, I)，然后将其划分为n-3段，每一段对应四个基函数，根据基函数之间的相互关系进一步计算出nXn的质量矩阵Μ，其中Mil对应第i个控制点和第I个控制点。
全文摘要
本发明提供一种几何与生物力学混合的手部肌肉变形方法，该方法先从几何方面对手部肌肉进行姿态变形预测，对于变形姿态的结果再从生物力学的角度计算对应该姿态下的肌腱分布，将变形姿态和计算出来的肌腱采用叠加的方式进行二次变形，最终达到更为逼真的效果。本发明结合了几何方法和生物力学领域知识，实现了一个以数据为驱动的几何和生物力学特性的统一变形框架，充分利用表面计算的简单性以及生物力学在仿真人体肌肉变形中的优势，通过在预处理阶段训练学习肌肉激活水平，然后在给定的一个新的几何位置进行所对应的预测。
文档编号G06T17/00GK102968818SQ20121041385
公开日2013年3月13日 申请日期2012年10月25日 优先权日2012年10月25日
发明者沈旭昆, 张肖如, 赵凌, 赵沁平 申请人:北京航空航天大学