專利名稱：利用骨骼約束計(jì)算透視投影成像模型中比例因子的方法
利用骨骼約束計(jì)算透視投影成像模型中比例因子的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及計(jì)算機(jī)視覺(jué)和視頻處理領(lǐng)域，特別涉及透視投影成像模型中比例因子的計(jì)算方法。
背景技術(shù)：
基于視頻的人體三維運(yùn)動(dòng)姿態(tài)提取在人機(jī)交互、互動(dòng)娛樂(lè)、智能監(jiān)控、醫(yī)療診斷等領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用價(jià)值。如何根據(jù)已知的視頻幀中人體關(guān)節(jié)二維坐標(biāo)重構(gòu)其三維姿態(tài)則是應(yīng)用的關(guān)鍵。在透視投影模型下，如果已知關(guān)節(jié)對(duì)應(yīng)的比例因子，那么就可以計(jì)算出該關(guān)節(jié)在世界坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)，進(jìn)而根據(jù)逆運(yùn)動(dòng)學(xué)和人體骨骼模型得到該關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)的歐拉角，即獲得了人體的三維運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。目前，常用的比例因子估算方法是將實(shí)際的透視投影模型近似為比例正交投影模型，在該投影模型下，根據(jù)一定的約束條件估算出一個(gè)最優(yōu)比例因子，從而根據(jù)比例正交投影模型計(jì)算出人體的三維姿態(tài)。但是該方法存在以下缺點(diǎn)1)所有的人體關(guān)節(jié)對(duì)應(yīng)同一個(gè)比例因子，但是實(shí)際上由于各個(gè)關(guān)節(jié)并不處于同一個(gè)成像面上，因而各個(gè)關(guān)節(jié)對(duì)應(yīng)的比例因子是不一樣的，故由該方法估算出來(lái)的比例因子并非真實(shí)的比例因子。2)將實(shí)際的透視投影模型近似為比例正交投影模型，會(huì)使得根據(jù)該模型計(jì)算出來(lái)的人體關(guān)節(jié)三維坐標(biāo)與真實(shí)坐標(biāo)值偏差較大。

發(fā)明內(nèi)容鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種簡(jiǎn)單精確的比例因子計(jì)算方法。本方法利用骨骼長(zhǎng)度不變性約束及對(duì)稱骨骼發(fā)生旋轉(zhuǎn)時(shí)其骨骼長(zhǎng)度相等的約束來(lái)精確計(jì)算人體骨骼模型中根關(guān)節(jié)對(duì)應(yīng)的比例因子。在計(jì)算出根關(guān)節(jié)對(duì)應(yīng)的比例因子后就可以根據(jù)逆運(yùn)動(dòng)學(xué)及人體骨骼模型計(jì)算出當(dāng)前幀中人體的三維運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案1、從人體骨骼模型中選取兩個(gè)對(duì)稱的骨骼段，比如左髖骨骼段及右髖骨骼段。2、在視頻幀中標(biāo)注這兩個(gè)骨骼段包含的三個(gè)關(guān)節(jié)點(diǎn)，得到該三個(gè)關(guān)節(jié)點(diǎn)的二維圖像坐標(biāo)。3、將得到的三個(gè)關(guān)節(jié)二維圖像坐標(biāo)傳入根據(jù)約束條件建立的非線性方程組中，利用擬牛頓法解該方程組得到根關(guān)節(jié)對(duì)應(yīng)的比例因子。該步也可采用以下分步驟獲得。3. 1任給一個(gè)大于零的比例因子，根據(jù)兩對(duì)稱骨骼長(zhǎng)度相等的約束條件計(jì)算得到在該比例因子下骨骼旋轉(zhuǎn)時(shí)造成的骨骼段兩關(guān)節(jié)在Z軸上的變化量dz。3. 2將上一步計(jì)算得到的變化量dz，根據(jù)三維空間中任意兩點(diǎn)的距離計(jì)算公式得到在該比例因子和變化量dz的情況下對(duì)應(yīng)的骨骼長(zhǎng)度。3. 3將上一步計(jì)算得到的骨骼長(zhǎng)度根據(jù)其與人體骨骼模型中該骨骼長(zhǎng)度的比例關(guān)系得到一個(gè)骨骼段兩關(guān)節(jié)在Z軸上的變化量dZl。3. 4將上一步計(jì)算得到的變化量dZl根據(jù)骨骼長(zhǎng)度不變性約束計(jì)算出根關(guān)節(jié)對(duì)應(yīng)的比例因子S。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下顯著優(yōu)勢(shì)1、計(jì)算方法簡(jiǎn)單，只需要解幾個(gè)方程或解一個(gè)非線性方程組就可以得到根關(guān)節(jié)對(duì)應(yīng)的比例因子。2、計(jì)算得到的比例因子精度高。由于在計(jì)算過(guò)程中采用的成像模型是真實(shí)的成像模型(透視成像模型)，因而計(jì)算出來(lái)的比例因子精度高。理論上講，如果視頻的分辯率高、 關(guān)節(jié)點(diǎn)標(biāo)注準(zhǔn)確、成像過(guò)程無(wú)畸變，則計(jì)算得到的比例因子就是真實(shí)值。3、能夠應(yīng)用于單目視頻的人體三維姿態(tài)提取。由本發(fā)明計(jì)算出來(lái)的根關(guān)節(jié)的比例因子可以根據(jù)逆運(yùn)動(dòng)學(xué)及人體骨骼約束得到人體的三維運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，能夠廣泛應(yīng)用于人機(jī)交互、互動(dòng)娛樂(lè)、虛擬現(xiàn)實(shí)等領(lǐng)域。

圖1是本發(fā)明采用的人體骨骼模型圖；圖2是圖像上骨骼在三維空間中同一 ζ坐標(biāo)下兩候選骨骼示意圖；圖3是滿足骨骼相等約束條件的兩候選骨骼在三維空間中的示意圖；圖4是骨骼在三維空間中旋轉(zhuǎn)后的示意圖；圖5是滿足骨骼相等約束條件的兩平行候選骨骼示意圖；圖6是本發(fā)明應(yīng)用于三維人體姿態(tài)提取例子具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。我們將人體看成是一種樹型棍狀模型，如圖1所示該骨骼模型由16個(gè)關(guān)節(jié)點(diǎn)及15 個(gè)身體段組成，其中J1為樹型結(jié)構(gòu)的根節(jié)點(diǎn)，對(duì)應(yīng)人體的盆骨關(guān)節(jié)，L9, L12分別為左右髖骨骼。模型中的線段(人體骨骼段)長(zhǎng)度根據(jù)人體測(cè)量學(xué)得到，為一相對(duì)比例長(zhǎng)度，在應(yīng)用中應(yīng)該根據(jù)實(shí)際測(cè)量值設(shè)置，其中L9的長(zhǎng)度等于L12的長(zhǎng)度。我們采用的透視投影成像模型如下
權(quán)利要求
1. 一種利用骨骼約束計(jì)算透視投影成像模型中比例因子的方法。其特征在于包括以下步驟a)證明了定理1圖像上的骨骼L9和L12其在三維空間上某一 ζ坐標(biāo)下對(duì)應(yīng)的所有候選骨骼段中，最多存在兩個(gè)候選骨骼段滿足骨骼L9和L12長(zhǎng)度相等的約束。b)證明了定理2滿足骨骼相等約束條件的候選段之間必然平行。c)存在兩個(gè)候選段滿足L9和L12骨骼長(zhǎng)度相等約束及骨骼長(zhǎng)度不變性約束，即以下非線性方程組有兩組解。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用骨骼約束計(jì)算透視投影成像模型中比例因子的方法，其特征在于，解非線性方方程組分解成以下步驟1)任給一個(gè)大于零的s值，利用下面公式求得一個(gè)As。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種利用骨骼約束計(jì)算透視投影成像模型中比例因子的方法。由該方法計(jì)算出來(lái)的人體骨骼模型中根關(guān)節(jié)對(duì)應(yīng)的比例因子可以應(yīng)用于基于單目視頻的人體三維運(yùn)動(dòng)姿態(tài)提取。該方法利用人體骨骼長(zhǎng)度不變性約束和兩相連的對(duì)稱骨骼其骨骼長(zhǎng)度相等的約束條件建立一個(gè)非線性方程組，通過(guò)求解該非線性方程組可以求得根關(guān)節(jié)對(duì)應(yīng)的比例因子。本發(fā)明同時(shí)提供了一種求解該非線性方程組的代數(shù)方法，根據(jù)發(fā)明中證明的兩個(gè)定理，將非線性方程組求解分解成幾個(gè)求解一元二次方程的過(guò)程。本發(fā)明使用方法簡(jiǎn)單，求得的比例因子精確，能夠廣泛應(yīng)用于人機(jī)交互、互動(dòng)娛樂(lè)、智能監(jiān)控、醫(yī)療診斷等領(lǐng)域。
文檔編號(hào)G06T17/00GK102279979SQ20101019881
公開日2011年12月14日 申請(qǐng)日期2010年6月12日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月12日
發(fā)明者陳姝 申請(qǐng)人:陳姝