基于真实感约束的VR虚拟人物图形生成方法改进研究

    覃海宁

    

    

    

    摘 要：在对虚拟现实人物进行视景重构和三维重建中，为了提高虚拟人物图形生成的逼真性，需要结合图形与图像处理方法进行虚拟人物图形的三维跟踪渲染和重构，文章提出一种基于真实感约束的VR虚拟人物图形生成方法，采用图像边缘轮廓检测和纹理跟踪渲染方法进行虚拟人物图像采集和视景生成，并结合小波降噪方法对虚拟人物图形进行降噪滤波处理，提高人物图形成像的逼真度。在重构的像素特征空间中进行信息融合，为了提高VR成像的真实感，文章采用自适应纹理映射技术进行虚拟人物图形的跟踪渲染，将像素值加到三维实体模型上，生成具有真实感的VR虚拟人物图形。仿真结果表明，采用该方法进行VR虚拟人物图形生成的逼真度较好，输出图形的峰值信噪比较高，说明VR成像的质量较好，性能优于传统方法。

    关键词：真实感约束；虚拟现实；虚拟人物图形；成像

    虚拟现实（Virtual Reality，VR）技术是采用视景仿真和灵境成像技术进行图形和图像虚拟重构的图像处理方式，通过虚拟现实成像，可以模拟生成各种场景下的视景仿真场景，并应用在三维成像系统中，实现大场景的环境模拟和重构。VR成像技术视景仿真技术将在军事演习、游戏开发以及航空航天模拟等领域具有重要的应用价值，研究基于VR成像的虚拟图像生成技术具有重要意义，相关的图像与图形处理方法研究受到人们的极大重视[1]。

    在进行VR成像设计中，对虚拟人物图形的生成是难点，因为人物图形的个体差异性较大，人物的体型特征和表情的差异性丰富，不同虚拟人物图形生成重构的真实感和逼真度不好，需要进行VR虚拟人物图形生成方法的改进设计[2-3]。对此，相关的学者进行了研究，并取得了一定的成果。文献[4]提出一种基于图像分块的局部阈值二值化方法进行VR虚拟人物图形的三维重构，在动态场景中对人物图像进行网格区域分割，在不同透射率下进行人物特征的分块化模板匹配和二值化分割，提高了人物图形生成的逼真性和真实感，但该方法受到人物图形的局部特征扰动干扰性较大，对人物图形的面部特征重建的逼真度不高；文献[5]提出一种采用轮廓线优化的多通道三维水墨渲染方法进行VR虚拟人物图形渲染与重构，对虚拟人物内部的轮廓特征进行偏移控制，运用虚拟现实的视景仿真和激光三维扫描技术进行VR成像，重构虚拟人物图形特征信息，结合图形水墨渲染提高了虚拟人物成像的逼真度，但该方法的计算复杂度较高，对人物图形虚拟重构的实时性不好。

    针对上述问题，本文提出一种基于真实感约束的VR虚拟人物图形生成方法。首先采用图像边缘轮廓检测和纹理的跟踪渲染方法进行虚拟人物图像采集和视景生成。然后进行图形的降噪滤波处理，提高人物图形成像的逼真度。在重构的像素特征空间中进行信息融合，采用自适应纹理映射技术进行虛拟人物图形的跟踪渲染，提高图形生成的真实感和逼真度。最后进行仿真测试，展示了本文方法在实现VR虚拟人物图形生成方面的优越性。

    1 虚拟人物图形采集和视景生成预处理

    1.1 原理分析与虚拟人物图像的边缘轮廓检测

    为实现高逼真性的虚拟人物图形采集与生成，采用VR虚拟现实技术进行图像成像处理，采用图像边缘轮廓检测和纹理的跟踪渲染方法进行虚拟人物图像采集和视景生成，采用三维建模软件，比如MAYA，3DStudio MAX等构建虚拟人物图形的3D几何模型[6]，采用可视化仿真工具进行图形的渲染追踪，实现满足人体皮肤材质和衣服材质的光影效果。结合多边形建模、矢量建模和边缘轮廓检测方法生成逼真的光线效果，人物图形的生成还需要大规模的虚拟场景模型数据库。采用多层次细节（Levels of Detail，LOD）、自由度控制（Degree of Freedom Control，DOFC）方法控制图像生成器，将采集的虚拟人物图形转换成Creator所支持的OpenFlight格式，再采用图像降噪滤波方法提高图形生成的真实感[7]。

    在生成虚拟人物图形中，提取人物图形的边缘轮廓特征，采用二维层次的特征参数提取方法，进行图形特征的渲染追踪识别，将多种CAD或动画软件模型转换成图形生成软件Creator支持的帧格式，根据图形渲染结果，输出VR人物图形成像结果，根据上述设计原理得到本文构建的VR虚拟人物图形生成模型的流程如图1所示。

    由图1得知，对VR虚拟人物图形生成的首要一步进行图形的边缘轮廓检测，提取人物图形的边缘轮廓特征参数，采用基于虚拟现实的三维视景扫描技术，得到虚拟人物图形VR成像的活动轮廓模型函数表示如下：

    3 仿真实验与结果分析

    为了测试本文方法在实现VR虚拟人物图形生成中的应用性能，进行仿真实验，仿真环境的硬件配置是Inter（R） Core（TM）i3-2130. 3.40GHz CPU， 4GB RAM，实验采用Matlab 7仿真工具编程设计，VR虚拟成像的几何建模工具采用LightWave3D，采用USGS、NIMA标准数据格式进行仿真模型数据的总线调度，通过矢量数据生成VR虚拟人物图形成像的仿射不变区域，再经过的Creator多重渲染，进行人物图形的表面的纹理、色彩模型的自动放置和匹配，根据图形模型结构，在Visual C++ 6中进行VR虚拟人物图形生成的视景仿真，虚拟人物成像的动态场景的宽度width=12，边缘像素采样值为1200 piex*2400piex，模板尺寸参数11×11，图像的噪声干扰强度为24 dB，灰度像移值dPPM=0.15ns，块分割的尺寸s×s分别为：9×9，11×11，亮度误差系数σ=0.32。根据上述仿真环境和参数设定，进行VR人物图形生成仿真实验，选择两组“VR战士”虚拟人物进行三维重建，得到VR战士的二值图像采集结果如图2所示。

    根据图2的二值图采集结果，采用图像边缘轮廓检测和纹理的跟踪渲染方法进行虚拟人物图像生成，得到虚拟人物图形的跟踪渲染结果如图3所示。

    最后，将像素值加到三维实体模型上，生成具有真实感的VR虚拟人物图形，得到VR虚拟人物图形生成结果如图4所示。

    分析图4结果得知，采用本文方法进行VR虚拟人物图形三维生成，生成图像具有很好的真实感和逼真度，为了定量测试生成图形的真实性，图5给出了采用本文方法和传统方法对其中一组人物图形进行虚拟VR重构的输出峰值信噪比。

    分析图5结果得知，采用本文方法进行VR虚拟人物图形生成的输出峰值信噪比较高，说明VR成像的质量较好，性能优于传统方法。表1为不同的生成方法输出VR虚拟人物图形的位姿偏移对比，对比可见，本文方法生产人物图形的精确度较高，位姿偏移量较小，说明了虚拟人物生成方法的准确性。

    4 结语

    本文研究了VR虚拟人物图形生成方法，提出一种基于真实感约束的VR虚拟人物图形生成方法。采用图像边缘轮廓检测和纹理的跟踪渲染方法进行虚拟人物图像采集和视景生成。采用小波降噪方法对虚拟人物图形进行降噪滤波处理，提高人物图形成像的逼真度。在重构的像素特征空间中进行信息融合，为了提高VR成像的真实感，采用自适应纹理映射技术进行虚拟人物图形的跟踪渲染，将像素值加到三维实体模型上，生成具有真实感的VR虚拟人物图形。研究得知，采用本文方法生成VR虚拟人物图形的逼真性较好，真实感较强，在视觉效果和指标参数性能表现上都有优越性。

    [参考文献]

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    [3]陈婷婷，阮秋琦.较大尺度运动下的人体特征点跟踪算法研究[J].信号处理，2014（7）：787-803.

    [4]张洁玉.基于图像分块的局部阈值二值化方法[J].计算机应用，2017（3）：827-831.

    [5]陈添丁，金炜炜，陈英旦，等.轮廓线优化的多通道三维水墨渲染模型[J].电子与信息学报，2015（2）：494-498.

    [6]郭哲，张艳宁，林增刚.多信息融合的多姿态三维人脸面部五官标志点定位方法[J].计算机学报，2012（1）：163-170.

    [7]肖淑苹，贺毅岳.一種改进的EMD 图像信号去噪算法[J].现代电子技术，2016（16）：91-93.

    [8]卞乐，霍冠英，李庆武.基于Curvelet变换和多目标粒子群的混合熵MRI图像多阈值分割[J].计算机应用，2016（11）：3188-3195.

    [9]任宏德.基于模拟退火算法优化的超分辨率图像重建[J].激光杂志，2016（2）：38-41.

    [10]冯思宇，雷印杰，周新志.针对单样本人脸的三维部分人脸识别[J].计算机工程，2016（9）：144-150.