一种基于热核的三维人体网格模型分割方法

李珩 蒋海滨 陈颖玲 胡昊 吴壮志

【摘要】提出了一种基于热核的三维人体模型分割方法。首先计算三维人体模型顶点的热核签名值；然后采用阀值分割法利用设定的分割阀值对模型进行初始分割；最后对阀值分割结果中大于阀值的部分进行凝聚聚类，得到最终的分割结果。实验结果表明，分割结果不仅符合视觉最小值原则，还具有很好的语义信息；同时分割结果具有与姿势无关和鲁棒性好的特点。

【关键词】热核签名；人体模型；模型分割；谱聚类

1.引言

随着三维人体扫描技术的发展，三维人体模型已经无处不在，广泛应用于人机工程、游戏、动画、服装等领域。由于人体模型越来越精细，复杂度越来越高，为了简化人体结构的复杂性，同时更好地适用于其它应用领域的需求，通常要求将三维人体模型分割成头部、躯干、上肢和下肢等部分，为人体模型的高级表示和进一步的语义特征分析提供基础。

模型分割是形状特征分析的基础[1]。由于人体外形受年龄、性别、姿态等的影响，人体模型的自动分割成为一个具有挑战性的问题，国内外学者对此问题进行了比较深入的研究。Nurre等[2]应用一种六杆的棒形人体模板，通过整体几何的匹配来达到细节特征识别，进而把人体分成与模板对应的头、左臂、躯干、右臂、左腿、右腿六个功能部分；Wang等[3] 通过对水平面与人体模型相交的截面形状，应用模糊规则确定拐点位置来识别腋窝和胯特征点，然后把人体模型分割为与文献[2]相同的六部分；Werghi等[4]提出了一种基于Reeb图的三维人体分割算法。通过选取测地距离函数作为莫尔斯函数建立Reeb图，该方法对体形、姿态等变化具有鲁棒性。其缺点是计算量大，算法效率不高；Katz等[5]提出了一種通用的三维网格模型模糊聚类分割算法，该算法可以处理任意姿态、不同部件比例的模型，并且应用了层次分割的思想，在避免了过分割和边界锯齿的同时，能够得到不同粒度层次分割结果。此算法应用与人体模型可以得到较好的分割结果。

本文以三维人体测量为背景，采用坐标无关、几何不变的模型特征描述子，实现一种基于热核的人体模型分割方法。该方法的鲁棒性高，不受体型、姿态变化等的影响；同时能推广到分割其它种类的模型。

2.热核签名

根据物理学中的热传导公式，利用拉普拉斯算子求解得到的核函数称为热核函数。设M是具有边界的紧致黎曼流形，则在M上的热扩散过程可以写成如下式：

4.3 与已有算法的比较

目前，已有的基于热核的分割算法有Heat Walk[8]方法。该方法根据热核签名与曲率的关系[8]，通过不断的迭代聚类获得分割结果。该方法同样具有热核的等距不变和鲁棒性的特征，但是由于缺乏有效的监督信息，分割获得的模型语义信息并不明确。如图6a所示，在对人体模型进行分割时，无法实现将头部与躯干的分离。从图6b可以看出，本文的分割方法具有更好的语义信息。

5.结束语

本文提出了一种基于热核的三维人体网格分割的方法，通过阀值分割与凝聚聚类相结合的方法，实现三维人体模型的部件分割。由于采用的热核签名是基于Laplace-Beltrami算子和热扩散理论定义在三维模型上的特征描述子，所获取的分割结果与人类视觉认知相一致，对噪声具有较好的鲁棒性，并且与人体姿势无关。实验还验证了算法具有普适性，通过用来分割不同种类的三维网格模型。

参考文献

[1]Chen X，Golovinskiy A，Funkhouser T.A benchmark for 3D mesh segmentation[C]//Proceedings of ACM Transactions on Graphics，2009.

[2]Nurre J H，Connor J，Lewark E A，Collier J S.On segmenting the three-dimensional scan data of a human body[J].2000，19（8）：787-97.

[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.

[4]Werghi N，Xiao Y，Siebert J P.A Functional-Based Segmentation of Human Body Scans in Arbitrary Postures[J].IEEE Transactions on Systems，Man，and Cybernetics-Part B：Cybernetics，2006，36（1）：153-165.

[5]Katz S，Tal A.Hierarchical mesh decomposition using fuzzy clustering and cuts[C]//Proceedings of ACM SIGGRAPH.2003：954-961.

[6]Aubry M，Schlickewei U，Cremers D.Pose-consistent 3D shape segmentation based on a quantum mechanical feature descriptor[J].Pattern Recognition，2011：122-131.

[7]Sun J，Ovsjanikov M，Guibas L.A Concise and Provably Informative Multi-Scale Signature Based on Heat Diffusion[C]//Proceedings of Computer Graphics Forum.Wiley Online Library，2009，28：1383-1392.

[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

作者简介：李珩（1971—），男，大学本科，高级工程师，现供职于航宇救生装备有限公司，研究方向：航空救生。