一種基于熱核的三維人體網格模型分割方法

李珩 蔣海濱 陳穎玲 胡昊 吳壯志

【摘要】提出了一種基于熱核的三維人體模型分割方法。首先計算三維人體模型頂點的熱核簽名值；然后采用閥值分割法利用設定的分割閥值對模型進行初始分割；最后對閥值分割結果中大于閥值的部分進行凝聚聚類，得到最終的分割結果。實驗結果表明，分割結果不僅符合視覺最小值原則，還具有很好的語義信息；同時分割結果具有與姿勢無關和魯棒性好的特點。

【關鍵詞】熱核簽名；人體模型；模型分割；譜聚類

1.引言

隨著三維人體掃描技術的發展，三維人體模型已經無處不在，廣泛應用于人機工程、游戲、動畫、服裝等領域。由于人體模型越來越精細，復雜度越來越高，為了簡化人體結構的復雜性，同時更好地適用于其它應用領域的需求，通常要求將三維人體模型分割成頭部、軀干、上肢和下肢等部分，為人體模型的高級表示和進一步的語義特征分析提供基礎。

模型分割是形狀特征分析的基礎[1]。由于人體外形受年齡、性別、姿態等的影響，人體模型的自動分割成為一個具有挑戰性的問題，國內外學者對此問題進行了比較深入的研究。Nurre等[2]應用一種六桿的棒形人體模板，通過整體幾何的匹配來達到細節特征識別，進而把人體分成與模板對應的頭、左臂、軀干、右臂、左腿、右腿六個功能部分；Wang等[3] 通過對水平面與人體模型相交的截面形狀，應用模糊規則確定拐點位置來識別腋窩和胯特征點，然后把人體模型分割為與文獻[2]相同的六部分；Werghi等[4]提出了一種基于Reeb圖的三維人體分割算法。通過選取測地距離函數作為莫爾斯函數建立Reeb圖，該方法對體形、姿態等變化具有魯棒性。其缺點是計算量大，算法效率不高；Katz等[5]提出了一種通用的三維網格模型模糊聚類分割算法，該算法可以處理任意姿態、不同部件比例的模型，并且應用了層次分割的思想，在避免了過分割和邊界鋸齒的同時，能夠得到不同粒度層次分割結果。此算法應用與人體模型可以得到較好的分割結果。

本文以三維人體測量為背景，采用坐標無關、幾何不變的模型特征描述子，實現一種基于熱核的人體模型分割方法。該方法的魯棒性高，不受體型、姿態變化等的影響；同時能推廣到分割其它種類的模型。

2.熱核簽名

根據物理學中的熱傳導公式，利用拉普拉斯算子求解得到的核函數稱為熱核函數。設M是具有邊界的緊致黎曼流形，則在M上的熱擴散過程可以寫成如下式：

4.3 與已有算法的比較

目前，已有的基于熱核的分割算法有Heat Walk[8]方法。該方法根據熱核簽名與曲率的關系[8]，通過不斷的迭代聚類獲得分割結果。該方法同樣具有熱核的等距不變和魯棒性的特征，但是由于缺乏有效的監督信息，分割獲得的模型語義信息并不明確。如圖6a所示，在對人體模型進行分割時，無法實現將頭部與軀干的分離。從圖6b可以看出，本文的分割方法具有更好的語義信息。

5.結束語

本文提出了一種基于熱核的三維人體網格分割的方法，通過閥值分割與凝聚聚類相結合的方法，實現三維人體模型的部件分割。由于采用的熱核簽名是基于Laplace-Beltrami算子和熱擴散理論定義在三維模型上的特征描述子，所獲取的分割結果與人類視覺認知相一致，對噪聲具有較好的魯棒性，并且與人體姿勢無關。實驗還驗證了算法具有普適性，通過用來分割不同種類的三維網格模型。

參考文獻

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[3]Wang C C L，Chang T K K，Yuen M M F.From laser-scanned data to feature human models：a system based on fuzzy logic concept[J].Computer-Aided Design，2003，135（3）：241-253.

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[8]Benjamin W，Polk A，Vishwanathan S，et al.Heat Walk：Robust Salient Segmentation of Non-rigid Shapes[C]//Proceedings of Computer Graphics Forum.Wiley Online Library，2011，30：2097-2106

作者簡介：李珩（1971—），男，大學本科，高級工程師，現供職于航宇救生裝備有限公司，研究方向：航空救生。