杜锦绣 高伟

摘 要：在数字化扫描技术支持下，虚拟人技术得到了进一步发展，被广泛应用于各行各业。对数字化扫描技术、扫描原理、虚拟人技术及基于数字化扫描技术的建模方式进行分析，通过手部建模实例，利用PolyWorks软件，以数据获取、模型拼接、空洞修补3个步骤为主介绍了虚拟人手部建模的具体流程。相较于传统方法，该方法可以在少量样本的情况下，得到更逼真的人体模型，使虚拟人技术在医学手术、影视动画、游戏设计等领域的应用更接近于真实情境。

关键词：数字化扫描;虚拟人建模;PolyWorks软件

DOI：10. 11907/rjdk. 191527

中图分类号：TP319

文献标识码：A文章编号：1672-7800（2019）006-0154-04

Abstract：With the development of digital scanning technology， a new modeling method based on digital scanning technology is established. This paper introduces digital scanning technology， scanning principle and virtual human technology， and analyses the significance of the research on the modeling method based on digital scanning technology and the research status at home and abroad. In order to make the modeling method based on digital scanning technology widely and efficiently applied to all walks of life， this paper studies the specific process of virtual human hand modeling through hand modeling example， using PolyWorks software， focusing on three steps： data acquisition， model splicing and hole repairing. Compared with traditional methods， this method can get more realistic human models with a small number of samples. Volume model makes the application of virtual human technology in medical surgery， film and television animation， game design and other fields closer to the real human body.

Key Words： digital scanning; virtual human modeling; PolyWorks software

0 引言

虛拟人技术已成为当前研究热点，在医学、生物学、国防军事、车辆设计、电影动画、游戏开发等领域得到广泛应用。目前，最常用的虚拟人建模方式有参数化建模、二维图像生成法[1]、使用3DMAX等造型软件绘制等。其中，参数化建模方法通过给定的人体身高、三维、肩宽、性别等人体特征参数，结合人体统计学，最终生成能够代表不同样本基本特征的个性化三维虚拟人模型。该方法样本的群体覆盖率较高，并且模型细节更丰富，更接近真实人体情况，适用于构建精确度要求较高的工效虚拟人[2]，但是该技术需要大量人体数据作为基础，还需要提供外部约束条件，所需时间长;二维图像生成法具有易用、低成本的优势，可以实现迅速建模，但无法保证模型质量[3];使用软件绘制可以得到精确的人体模型，但操作复杂，必须有过硬的专业建模能力[4]。随着三维数字化扫描技术的出现，利用三维扫描仪自动获得真实人体表面的几何数据[5]成为可能，构建虚拟人的建模方式开始得到运用。该技术提供了一种高效率、主动式、覆盖式及高精度的三维空间信息获取方式[6]，无需外部约束条件，便可得到物体表面精确的细节特征，快速获得更加逼真的人体模型，具有更高的真实人体相似度。

数字化扫描技术起源于国外，最早由美国的CYRA公司和法国的MENSI公司将激光技术拓展到了三维测量领域[7]，一开始只是应用于航空航天，后来逐渐在车辆设计、军事国防、建筑地质等领域发展。在我国，数字化扫描技术更多地应用于古建筑、古董等文化遗产、复杂的建筑与地形的勘探与重现。近几年，我国研究人员将三维激光技术应用于虚拟现实技术，出现了三维扫描数据与已有常用建模技术融合的建模方式。

吴秀杰与潘雷[8]利用NextEngine 公司生产的便携式3D数字化扫描仪获取数据，通过可视化三维图像处理软件Rapidwork在Dell图像工作站上进行三维重建，应用于人体头颅的建模，但是该方法通用性不强;何柳[9]利用扫描获得的数据，将之分段，再通过“切片法”获得人体模型，更为专业，但是应用范围存在局限性;还有研究者利用数字化扫描搭配B样条曲线、小波变换等完成建模，但是存在操作太过复杂、无法实现快速建模等问题。本文研究基于数字化扫描技术，使用PolyWorks软件对扫描后的真实人体数据进行还原重现，具备适用于大部分人体建模且模型细节丰富的特点。另外，利用PolyWorks软件强大的曲面补洞功能，在复杂人体表面数据的获取和构建方面，可以达到快速合成高逼真人体模型的目的，避免了模型质量无法掌控、建模较慢、范围较小等缺点，在人体虚拟试衣、虚拟主持人、3D影视动画制作、游戏人物设计等方面有着理论意义和实际价值。

1 激光扫描技术与虚拟人技术

1.1 数字化扫描技术

数字化扫描技术起源于1998年，该项技术具有采样率高、分辨率高、测量精度高、扫描速度快、非接触性、数字化程度高等特点[10-11]，是继GPS技术之后的一项高新技术，它利用激光在方向性、亮度、单色性、相干性方面[12]的优势得到广泛应用和发展。我国在2003年就已将数字化扫描技术应用于建筑地质领域，后来出现了该技术与虚拟现实技术的融合。目前，该技术仍是测量应用领域的主流工具，主要用于对大型物体或如人体表面一样复杂对象的扫描与重现。随着数字化扫描技术的迅速发展，使其逐渐突破了单点测量，三维数字化扫描技术随之诞生，该技术被广泛应用于图形图像学、工程建筑学、地质学等测量领域，为这些领域的发展作出了极大贡献。比如采用三维数字化扫描技术扫描并建立地下溶洞的3D模型，对溶洞等旅游景点的开发规划设计起到重要辅助作用[13];利用三维数字化扫描技术对城市地下综合管廊进行测绘和数据获取并建立空间模型，有效地解决了城市基础设施建设的矛盾与问题，便于维修与扩建[14];利用三维激光扫描技术的非接触式特点对传统古建筑和古物进行数字化存储，这种测绘方法避免了对这些珍贵文物的二次伤害，同时利用这些数字化三维模型可以再现、记录、保存和修复古建筑文化遗产[15]。

本研究使用的是KONICA MINOLTA扫描仪，其原理是对目标对象发出大量高速激光进行连续扫描，从而得到目标对象被测点与扫描仪的距离，经过计算可以获得目标对象被测点的三维坐标，从而高效获取目标对象表面各点的三维坐标、RGB信息，构建重现点云模型。如图1所示，当数字化扫描仪对目标物体T进行扫描时，可以获得两者之间的距离S和水平角α、垂直角β，此时可知T的X、Y、Z值。

1.2 虚拟人

虚拟人（Virtual Human或 Computer Synthesized Characters）是人在计算机生成的空间即虚拟环境中的几何特性与行为特性的表示[16]。虚拟人可用于军事训练等危险场地的演示，也可用于模拟医疗救治等复杂场景以及影视动画、装备设计中人的行为，甚至是模拟人的感知能力，概括而言，即模拟特定人群的极限活动范围[17]。一直以来，虚拟人建模技术主要采用参数化建模技术、二维图像生成法等，直到数字化扫描技术出现，虚拟人的设计才跳过绘图阶段，通过扫描就可以得到扫描对象表面的大部分数据。这些数据由三角面片组成，通常称之为三维点云信息，经过对点云数据的拼接配准和去噪[18]，可以构建与之对应的三维点云模型。

2 三维虚拟人手部建模

2.1 三维虚拟人手掌数据获取

选择人的手部作为扫描对象，鉴于所使用扫描仪技术较为古老，在扫描过程中，要注意扫描仪的使用，比如，过长的连接线会导致连接不通、信号无法正常传递等细节问题。使用扫描仪自带的自动聚焦功能，并进行相关参数调整，在多次扫描过程中，尽量保证本次扫描与上一次扫描面有较好的重合，有利于接下来的拼接。由于扫描仪的局限性或光线、扫描对象本身等问题，可能会出现扫描对象的部分扫描效果不佳，产生大面积空洞现象，这时就需要及时调整，在扫描过程中要时刻关注光影的影响与环境适度问题。对扫描对象的顶部和底部进行多次扫描保存之后，可以得到人体手部较完整的三维点云信息，以便后续操作。

2.2 PolyWorks软件

本研究使用的是InnovMetric 软件公司的三维扫描数据处理软件平台PolyWorks，它可以完成表面不规则物体的快速建模。

PolyWorks是数字化扫描点云数据处理集成软件，其为逆向工程而开发，侧重于点云数据的后处理，主要作用是处理各种途径下获得的点云信息。PolyWorks软件的点云配准方法包括特征配准（点线面球柱锥等）、GPS大地控制点配准、基于后视的配准、最佳拟合配准（如ICP等）[19]。利用PolyWorks软件经过点云数据的配准、去噪等预处理之后，往往还需要对三维模型进行空洞修补、拓扑错误修正、简化、平滑、压缩等后处理。

PolyWorks软件的强大之处在于提供了三角网格编辑功能及NURBS曲面建模功能。软件主要由IMAlign、IMInspect、IMMerge、IMEdit、IMCompress、IMTexture、IMView等模块组成。

2.3 拼接

将手部目标文件，即全部扫描结果CDM文件导入工作环境中。PloyWorks软件有两种拼接方式，最为常用的是手动拼接，即手动选择特征点进行拼接，但是这种拼接方式常常伴随着位置的偏差，PloyWorks软件自带有自动计算拼接，两者方法各有优劣，但是可以叠加减小劣势，因此本次拼接采用两种方法同时进行。首先选择手动拼接，分别在两个目标图像上选择n个位置对应相同的点，选点时尽量选择在不同平面上的n个点，依次拼接后选择自动拼接进行优化，可以达到更加完美的拼接效果。将所有文件全部拼接之后，可以显示扫描记录颜色，即物体本身颜色（见图2）。

2.4 空洞修补

拼接后发现手部模型中有大量空洞，这些复杂的空洞是因为扫描时无法获取全部数据造成的，因此需要进行修补。PolyWoks中有如下补洞方法：

（1）自動补洞。基于空洞大小进行大范围的自动补洞，缺点是操作完成后仍有局部细小部位需要手动调整。

（2）手动补洞。包括平面补洞和曲面补洞两种方法，其中曲面补洞运用复合NURBS曲面方法修复，自动或者手动抽取边界特征线，生成拟合曲线网格，在此基础上，于空洞之上构建曲面。具体做法：首先在空洞区域锚定一个m行n列的曲面，从而填补空洞。然后根据实际情况选择优化网格、光顺顶点等操作，以完善效果。

本实验中首先选择自动补洞进行大范围补洞，以缩小工作量，自动补洞至无明显变化时，仍然存在许多小洞，此时选择手动补洞中的平面补洞和曲面补洞，画一个矩形区域将空洞包含在内，注意在选区时，一定要保证所选范围在对象上，否则没有像素点将无法选区。在所选区域内添加横竖线以锚定曲面，按此补洞至无空洞为止。在本实验中，主要采用复合NURBS曲面方法进行补洞，最终效果如图3所示。

在许多复杂物体的建模过程中，常常会有空洞太大无法补全的问题出现，因此在扫描数据时应当反复确定将环境这一不可抗力的影响降至最低，还要对目标对象进行全方位多次扫描，使获得的点云数据尽可能完善。

3 三维虚拟人建模合成技术展望

虚拟人技术是虚拟现实技术的分支，也是计算机图形学的关键应用技术，在数字化扫描技术的支持下，该技术得到了进一步发展。在医学领域，利用虚拟人技术可以模拟不同疾病下病人的情况，构建虚拟人后，几秒时间的设定就可以让一个正常的虚拟人患上疾病，此时模拟给药或模拟手术，对于药物研发、治疗方案制定和医生培养方面都有着指导作用。在影视游戏领域，常用于仿真高风险的动作和虚拟主持人、虚拟角色的开发设计，近年来许多诸如《阿凡达》《爵迹》等影片为了呈现出3D虚拟的影视效果，使用了动作捕捉技术，可以清晰地模拟人的外貌、表情、动作等。此外，在各种晚会上也能见到虚拟技术应用的惊艳效果，早在2012年春节晚会便采用了虚拟现实技术，湖南卫视的2017中秋晚会更是使用了虚拟主持人“蓝月”，虚拟角色越来越得到重视。可以预见，不久的将来，可以在春节晚会上看到虚拟主持人为全国各地的观众主持节目。

三维虚拟试衣同样是三维虚拟人的重要应用，用户可以创建一个与自身形体完全一样的虚拟模特，用户在网络平台购买衣物饰品时，可以先将物品试用于模拟自身的虚拟模特，与传统图片式浏览购物相比，避免了尺寸与颜色难以把握的问题[20]。虚拟试衣将成为网络购物平台和网上商家提高竞争实力的要素。

由于数字化扫描仪价格昂贵，且扫描时经常由于设备原因或者操作不当而无法得到符合要求的人体数据，基于数字化扫描的三维虚拟人建模仍未得到很好的发展，并且，对点云数据的处理也较费时费力。近年来，人工智能的出现为三维虚拟人建模合成技术打开了一扇新的大门，智能建模相关研究受到高度关注，借助AI实现几秒之内完成人体建模将成为现实。

4 结语

基于数字化扫描技术的三维虚拟人建模方法，解决了参数化建模的欠约束问题，可以达到更高的仿真度。同时，本研究使用的PolyWorks软件具有强大的拼接与补洞功能，在最为繁琐费时的空洞修补阶段可以提供众多补洞方法，包括基于B样条曲面建模，可以较快的速度完成模型构建合成。本文实验所采用的虚拟人建模方法可以应用于影视动画领域和虚拟角色、虚拟试衣领域。

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（责任编辑：孙 娟）