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研究生: 翁宏仁
論文名稱: 掃描人體模型的動作產生
指導教授: 王茂駿
口試委員:
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 工業工程與工程管理學系
Department of Industrial Engineering and Engineering Management
論文出版年: 2006
畢業學年度: 94
語文別: 中文
論文頁數: 69
中文關鍵詞: 3D人體掃描儀人體模型NURBS曲線IK骨架MAXScript
外文關鍵詞: 3D body scanner, Human body modeling, NURBS curve, IK skeleton, MAXScript
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  • 如何快速產生客製化的人體動畫一直被視為很大的挑戰,本研究期望讓使用者透過一個簡單、人性化的操作介面,而能達到快速建立客製化的動態數位人體模型之目的,並期望藉此提高電腦模擬的可信度。
    本研究是透過 3D 掃描器取得人體的外觀資料點訊息,加以實體化建立掃描者的 3D 人體曲面模型,並且在模型內部植入 IK 骨架系統,再藉由動作擷取系統使人體模型產生真實且自然的人體動作,除此之外本研究研發一套動態人體計測的模組,此模組可以隨時檢視每一個時間點上人體模型的動作資訊,讓使用者可以確實掌握人員、機械、環境三者之間的動態關係,有助於進行相關的評估或應用。


    It is a great challenge to quickly generate customized human animation. This study aims to reach the goal by developing a simple and user-friendly interface.
    The methodology of this study is to collect data from human body with 3D body scanner and to construct the digital human model including IK skeleton. Next, it gathers realistic human motions by motion capture system. Further, it develops a module of dynamically adjusting anthropometric dimensions. The module can help the user to evaluate the relationship between human, machine, and environment within each time interval. And it can be used for other relevant applications.

    目錄 中文摘要 Ⅰ 英文摘要 Ⅱ 誌謝 Ⅲ 目錄 Ⅳ 圖目錄 Ⅶ 表目錄 XI 第一章 緒論 1 1-1 研究背景 1 1-2 研究動機 1 1-3 研究目的 2 1-4 研究限制 3 1-5 論文架構 3 第二章 文獻探討 4 2-1 人體掃描的發展與應用 4 2-1-1 醫療研究 4 2-1-2 服飾業 4 2-1-3 媒體和娛樂 5 2-1-4 建立3D人體資料庫 5 2-2 掃描人體模型的表面重建 6 2-3 骨架建立 9 2-4 表皮與骨架的貼附(Skin) 11 第三章 研究方法 12 3-1 整體流程 12 3-2 使用設備 13 3-2-1 3D雷射掃描儀 13 3-2-2 光學式動作擷取系統 14 3-2-3 3D動畫軟體 15 3-3 資料正規化與單位轉換 15 3-4 掃描人體模型的外觀建立 17 3-4-1 點資訊取得 18 3-4-2 點到線 19 3-4-3 線到面 24 3-5 IK骨架系統建立 25 3-5-1 特徵點辨識 26 3-5-2 關節點的定義 26 3-5-3 marker點的定義 30 3-5-4 骨骼建構 31 3-5-5 手掌建構 33 3-6 貼附 34 第四章 研究結果 35 4-1 研究成果 35 4-1-1 靜態成果 35 4-1-2 動態成果 39 4-2 掃描人體模型系統介面環境 44 4-3 結果驗證 49 4-3-1 人體模型靜態驗證 49 4-3-2 人體模型動態驗證 51 4-4 於虛擬環境之應用 59 4-4-1 外觀貼圖與服飾 59 4-4-2 車門組裝作業之應用 60 4-4-3 其它功能模組應用 62 第五章 結果與建議 63 5-1 結論 63 5-2 未來展望 64 參考文獻 66 圖目錄 圖1-1 簡單幾何體所組成的虛擬人物 2 圖2-1 3D掃描人體的虛擬試穿 4 圖2-2 生動寫實的數位球員 5 圖2-3 多邊形模型 8 圖2-4 數學實體描述表面 8 圖2-5 將人體的運動看作是骨架的運動 9 圖2-6 球心軌跡所組成的中軸 10 圖2-7 體表的點(黑點)受關節(白點)的 Weight 所影響 11 圖3-1 研究流程圖 12 圖3-2 VITUS 3D Body Scanner 13 圖3-3 動作分析儀 14 圖3-4 未經正規化與單位轉換所長出的人體模型 16 圖3-5 掃描人體模型建立的流程圖 17 圖3-6 雷射線投射在掃描者身上的3D資料點 18 圖3-7 稜稜角角的曲線 19 圖3-8 逼近的圓滑曲線效果 19 圖3-9 資料格式轉換 20 圖3-10 資料格式 21 圖3-11 Degree值對曲線的影響 22 圖3-12 控制點的區域控制性 22 圖3-13 Weight值對曲線的影響 23 圖3-14 Loft滑順的將一連串截面輪廓曲線連接起來 24 圖3-15 骨架建立流程圖 25 圖3-16 端點、關節與連接點 26 圖3-17 關節點位置說明 27 圖3-18 ROY為一含有IK機制的鏈結式骨架系統 29 圖3-19 marker點位置 30 圖3-20 3D Max內建的IK骨架系統 31 圖3-21 肢體末端IK 點與 marker 點 32 圖3-22 手掌樣版縮放的參考比例 33 圖3-23 Skin 說明圖解 34 圖4-1 軀幹的正視圖、右視圖、後視圖、左視圖 35 圖4-2 右手的正視圖、右視圖、後視圖、左視圖 36 圖4-3 左手的正視圖、右視圖、後視圖、左視圖 36 圖4-4 右腳的正視圖、右視圖、後視圖、左視圖 37 圖4-5 左腳的正視圖、右視圖、後視圖、左視圖 37 圖4-6 全身的正視圖、右視圖、後視圖、左視圖 38 圖4-7 人體曲面模型不同的呈現方式 38 圖4-8 骨架含關節點(黑點)與marker(灰點)的正視圖與右視圖 39 圖4-9 軀幹伸展(左)與軀幹屈曲(右)最大活動度 40 圖4-10肩部外張(左)與肩部內屈(右)最大活動 40 圖4-11 肩部伸展(左)與肩部屈曲(右)最大活動 41 圖4-12 肩部外展(左)與肩部內收(右)最大活動 41 圖4-13 肘部屈曲最大活動 42 圖4-14臀部屈膝狀態的伸展(左)與屈曲(右)最大活動 42 圖4-15 臀部直膝狀態的伸展(左)與屈曲(右)最大活動 43 圖4-16 臀部外展(右)與臀部內收(左)最大活動 43 圖4-17 掃描人體模型系統介面選單 44 圖4-18 資料正規化處理 44 圖4-19 產生曲面並且彈出警告視窗 45 圖4-20 執行Attach Multiple 45 圖4-21 產生骨架與手掌 46 圖4-22 曲面貼附編輯器 46 圖4-23 動作模組 47 圖4-24 手掌的開握過程 47 圖4-25 人體計測模組 48 圖4-26 掃描人體模型驗證流程圖 49 圖4-27 外貌和體型的差異 49 圖4-28 真實掃描者與人體模型的膝關節和腕關節位置差異 51 圖4-29 設計的驗證動作 51 圖4-30 真實掃描者與人體模型的瞬間影像疊合比較 52 圖4-31 真實掃描者與人體模型的 marker 瞬間影像疊合比較 53 圖4-32 4、6、31號marker在空間中形成的角度示意圖 54 圖4-33 比較真實與虛擬的4、6、31號marker在空間中角度的差異 54 圖4-34 虛擬與真實的4、6號marker在空間中距離的差異 55 圖4-35 虛擬與真實的6、31號marker在空間中距離的差異 55 圖4-36 虛擬與真實的4、31號marker在空間中距離的差異 55 圖4-37 6、31、2號marker在空間中形成的角度示意圖 56 圖4-38 虛擬與真實的6、31號marker在空間中角度的差異 56 圖4-39 虛擬與真實的31、2號marker在空間中距離的差異 56 圖4-40 虛擬與真實的6、2號marker在空間中距離的差異 57 圖4-41 31、2、1號marker在空間中形成的角度示意圖 57 圖4-42 虛擬與真實的6、31號marker在空間中角度的差異 57 圖4-43 虛擬與真實的2、1號marker在空間中角度的差異 58 圖4-44 虛擬與真實的31、1號marker在空間中角度的差異 58 圖4-45 貼圖的原始檔(左)與經過修飾後用的圖檔(右) 59 圖4-46 貼圖的處理 59 圖4-47 為曲面模型添加服飾 60 圖4-48 掃描曲面模型置於工作站模擬 61 圖4-49下背部 3D 生物力學評估系統應用 62 圖4-50 MTM_UAS系統應用 62 圖 4-51漏點較為嚴重的身體部位 64 表目錄 表3-1 VITUS 3D Body Scanner規格表 14 表3-2 關節點定義 28 表3-3 ROY肢段自由度 29 表4-1 真實掃描者與人體模型的肢段長度差異 50

    參考文獻
    1. Rhino網站 http://www.rhino3d.com/nurbs.htm
    2. 張家興,2001。逆向工程技術研究-資料點的處理和曲面重建。國立臺灣大學機械工程學研究所碩士論文
    3. 林國照,2001。數位人體模型資料分析與尺寸量測。國立清華大學工業工程與工程管理研究所碩士論文
    4. 鐘綱,2002。曲線曲面重建方法研究。浙江大學博士論文
    5. 羅仁宏,2002。3D人體資料的運用-建立自動化裁剪系統。國立清華大學工業工程與工程管理研究所碩士論文
    6. 郭富強,2003。3D數位人體模型實體化。國立清華大學工業工程與工程管理研究所碩士論文
    7. 劉哲綱,2003。3D人體模型之動態評估。國立清華大學工業工程與工程管理研究所碩士論文
    8. 陳志豪,2005。作業導向之數位人體動作產生。國立清華大學工業工程與工程管理研究所碩士論文
    9. 張書豪,2005。下背部3D生物力學評估系統建立與資訊視覺化。國立清華大學工業工程與工程管理研究所碩士論文
    10. Aggarwal, J.K., Cai, Q., Liao, W., and Sabata, B. (1998) Nonrigid motion analysis : articulated and elastic motion, Computer Vision and Image Understanding, Vol. 70, No. 2, pp. 142-156.
    11. Attali, D. and Lachaud, J.O. (1999) Constructing iso-surface satisfying the delaunay constraint: application to the skeleton computation, In Proc. 10th International Conference on Image Analysis and Processing (ICIAP'99) , pp. 382-387.
    12. Blanz, V. and Vetter, T. (1999) A morphable model for the synthesis of 3d faces, In Computer Graphics Proceedings SIGGRAPH’99, pp. 187-194.
    13. Blum, H. (1973) Biological shape and visual science, Journal of Theoretical Biology, Vol. 38, pp. 205-287.
    14. Bottino, A. and Laurentini, A. (2001) A silhouette based technique for the reconstruction of human movement, Computer Vision and Image Understanding, Vol. 83, pp. 79-95.
    15. Buxton, B., Dekker, L., Douros, I., and Vassilev, T. (2000) Reconstruction and interpretation of 3d whole body surface images, Scanning 2000 Proceedings , Paris
    16. Douros, I. (1998) B-spline surface reconstruction of the human body from 3D scanner data, MRes project report, Department of Computer Science, University College London.
    17. Douros, I., Dekker, L., and Buxton, B. (1999a) An Improved Algorithm for Reconstruction of the Surface of the Human Body from 3D Scanner Data Using Local B-spline Patches, In International Workshop on Modeling People at ICCV’99, pp. 29-36.
    18. Douros, I., Dekker, L., and Buxton, B. (1999b) Reconstruction of the surface of the human body from 3D scanner data using B-splines, SPIE Proc.Vol. 3640, pp. 234-245.
    19. Ertürk, S. (1999) Spherical harmonic sape representation : analysis-synthesis and applications to video, PhD Thesis, University of Essex, U.K.
    20. Hilton A. (1999) Towards Model-Based Capture of a Persons Shape, Appearance and Motion, In International Workshop on Modeling People at ICCV’99, pp. 37-44.
    21. Jones, P.R.M. and Rioux, M. (1997) Three-dimensional surface anthropometry: applications to the human body, Optics and Lasers in Engineering, Vol. 28, pp. 89-117.
    22. Kroemer, K.H.E., Kroemer, H.B., and Kroemer-Elbert, K.E. (1994) Ergonomics : how to design for ease and efficiency. Prentice Hall, Englewood Cliffs, NJ.
    23. Lewis, J. P., Cordner, M., and Fong, N. (2000) Pose space deformation: a unified approach to shape interpolation and skeleton-driven deformation. Proc. of ACM SIGGRAPH, pp. 165-172.
    24. Magnenat-Thalmann, N., Laperrière, R., and Daniel-Thalmann, R. (1988) Joint-Dependent Local Deformations for Hand Animation and Object Grasping, Proc. Graphics Interface, pp. 26-33.
    25. Magnenat-Thalmann, N., Seo, H., and Cordier, F. (2004) Automatic Modeling of Virtual Humans and Body Clothing, Journal of Computer Science and Technology, Vol. 19, pp. 575-584.
    26. McEachern, M. (2002) Game faces, Computer Graphics World, Vol.25, No.8, pp. 12-24., Cygnus Publications, San Francisco, Calif.
    27. Moccozet, L., Dellas, F., Magnenat-Thalmann, N., Biasotti, S., Mortara, M., Falcidieno, B., Min, P., and Veltkamp, R. (2004) Animatable human body model reconstruction from 3d scan data using templates, In Proceedings of Workshop on Modelling and Motion Capture Techniques for Virtual Environments, CAPTECH’2004, pp. 73-79.
    28. Pakalýn, D. (2002) A three-dimensional human body modeling system, M.Sc. Thesis, Department of Computer Engineering, Dokuz Eylul University, Izmir.
    29. Piegl, L .and Tiller, W. (1997) The NURBS book, Springer-Verlag, Berlin
    30. Liu, P., Wu, F., Ma, W., Liang, R., and Ouhyoung, M. (2003) Automatic Animation Skeleton Construction Using Repulsive Force Field, Pacific Conference on Computer Graphics and Applications , pp. 409-413.
    31. Sibiryakov, A., Ju, X., and Nebel, J.-C. (2003) A new automated workflow for 3d character creation based on 3d scanned data, 2nd Int.Conf. on Virtual Storytelling, pp. 155-162.
    32. Telea, A. and Vilanova, A. (2003) A robust level-set algorithm for centerline extraction, In Proceedings of the symposium on Data visualisation 2003, Eurographics Association, pp. 185-194.
    33. Teran, J., Sifakis, E., Blemker, S., Ng-Thow-Hing, V., Lau, C., and Fedkiw, G. (2005) Creating and simulating skeletal muscle from the visible human data set, In IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics, Vol. 11, No. 3, pp. 317-328.

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