對于剛?cè)雽W(xué)計(jì)算機(jī)圖形，服裝工程和紡織工程等專業(yè)的碩士生和博士生，出于自己的興趣或者導(dǎo)師安排，經(jīng)常會做一些做基于深度相機(jī)(如Kinect)的快速人體/服裝的三維掃描系統(tǒng)。這是一個(gè)典型的人體/服裝的表面重建問題，通常會用到剛體配準(zhǔn)(rigid registration)和非剛體配準(zhǔn)(non-rigid registration)算法。2種算法的選擇取決于掃描過程中人體是否可以當(dāng)作剛體，通常人體的靜止?fàn)顟B(tài)保持認(rèn)為是3秒。當(dāng)掃描的數(shù)據(jù)采集可以在3秒以內(nèi)完成時(shí)，單純的剛體配準(zhǔn)就可以得到不錯(cuò)的結(jié)果。否則，需要借助于更復(fù)雜的非剛體配準(zhǔn)。這個(gè)問題我會在以后的博客中專門給大家介紹和分析不同的掃描儀設(shè)計(jì)策略和算法選擇。

三維掃描工作，以人體/服裝掃描工作為例，如何設(shè)計(jì)精確的掃描硬件和算法已有很多研究者進(jìn)行研究。如果對于剛接觸此類課題的同學(xué)，博主不建議從這個(gè)角度出發(fā)，很難找到較好的創(chuàng)新。相比之下，當(dāng)我們拿到三維人體和服裝模型，是否有同學(xué)思考如何應(yīng)用這些模型？一般來說，人體模型的需求來自于游戲動畫的角色定制，以及服裝行業(yè)的快速人體尺寸測量來選擇合身服裝。關(guān)于如何更有效的應(yīng)用這些掃描數(shù)據(jù)是一個(gè)很好的研究方向，博主建議同學(xué)可以更多的思考。從研究角度來說，創(chuàng)新性可以是應(yīng)用創(chuàng)新，我們用掃描技術(shù)解決一個(gè)實(shí)際問題；同時(shí)，因?yàn)榻鉀Q了時(shí)間問題，通常也具備一定的工業(yè)價(jià)值。對于大多數(shù)碩士同學(xué)來說，可以作為企業(yè)面試的一個(gè)重要項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)。

說到這里，有些同學(xué)應(yīng)該已經(jīng)思考“怎么發(fā)現(xiàn)新的掃描數(shù)據(jù)應(yīng)用呢？”。本文挑選了一篇論文為例，為大家介紹如何更深入的理解這個(gè)問題。今天介紹的論文為"Scanning and animating characters dressed in multiple-layer garments" （下載地址: https://link.springer.com/content/pdf/10.1007%2Fs00371-017-1388-3.pdf），中文的意思是"多層服裝人體的掃描和動畫"。英文流利的同學(xué)直接原文擼起來。不想看英文？沒問題，看完我下面的介紹，也能清楚的理解這篇論文。我們在閱讀科學(xué)論文時(shí)，發(fā)現(xiàn)好的論文往往思路清楚，總結(jié)起來可以簡化為三個(gè)主要過程：“為什么做這個(gè)？難點(diǎn)是什么？-> 我怎么做的？-> 最終結(jié)果比較”。下面就從這三個(gè)方面依次為大家介紹。

為什么做這個(gè)？難點(diǎn)是什么？答：穿衣角色在游戲，動畫和虛擬試衣等應(yīng)用中都有重要極大需求。?可是構(gòu)建一個(gè)穿衣人體非常不容易。借助于Maya等建模軟件，我們需要先做一個(gè)人體模型，再相應(yīng)設(shè)計(jì)服裝。這個(gè)周期一般會耗費(fèi)專業(yè)建模師數(shù)十個(gè)小時(shí)。由此可知這種方法太貴了，本寶寶沒建模技術(shù)，沒耐心，做不到呀。有同學(xué)會問三維掃描可以快速建模呀，干嘛還要在Maya里構(gòu)建人體模型？沒錯(cuò)，掃描掃描是本文的重點(diǎn)。可是三維掃描有一個(gè)特點(diǎn)，它只能采集到掃描對象的最外層表面(outmost surface)。就是說我們在掃描一個(gè)穿著襯衫和短褲的小朋友時(shí)，得到的數(shù)據(jù)是單層的(Single layer)，無法得到被襯衫擋住的手臂表面信息。而且經(jīng)過網(wǎng)格重建處理，服裝數(shù)據(jù)和小朋友的身體表面都會融合在一起。這樣的一個(gè)穿衣人體不是我們想要的。我們需要一個(gè)像真實(shí)生活中可以穿著多層(multi-layer) 服裝的穿衣人體，這也是這篇論文的核心創(chuàng)新點(diǎn)，即利用只能獲取表面的三維掃描技術(shù)來快速得到一個(gè)具有多層服裝特定的人體模型。

我怎么做的？答：作者根據(jù)三維掃描的特點(diǎn)，采取依次獲取各層服裝和人體的策略。如圖1所示，先找個(gè)“裸模”站著掃描一次得到人體模型。讓這個(gè)“裸模”穿上一件裙子再掃描一次，就有了完整裙子的數(shù)據(jù)。同理，再依次穿上更多的服裝進(jìn)行掃描。圖1中包含1個(gè)人體模型和3層服裝模型。

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? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 圖1 掃描流程示意圖

在掃描過程中，掃描對象即使保持了相似的姿態(tài)(這個(gè)姿態(tài)有個(gè)通用名稱A-pose,中外通用哦)，但想要把每層衣服都穿在人體模型上還是有難度的：（1）怎么提取出服裝模型？（2）怎么讓服裝和人體模型的姿態(tài)是一致的？本文對于提取服裝模型的處理不夠友善，采用先將不規(guī)則的三角網(wǎng)格轉(zhuǎn)變?yōu)橐?guī)則的網(wǎng)格，再手動沿著規(guī)則邊剪裁需要的服裝數(shù)據(jù)。這樣可以保證提取出的服裝模型具有光滑的邊緣。將服裝模型“穿”到人體模型上，服裝專業(yè)屬于一個(gè)“姿態(tài)同步問題”，圖形專業(yè)稱之為“鉸鏈迭代最近點(diǎn)配準(zhǔn)”問題（articulated-ICP registration)。ICP（iterative closest point）是一種經(jīng)典剛體配準(zhǔn)算法，后面的博客中也會為大家詳細(xì)介紹。本文的做法是用一個(gè)已有骨骼(skeleton)和皮膚權(quán)重(skin weights)的人體模板，將人體模板擬合掃描人體模型，擬合后將人體模板中的骨骼和皮膚權(quán)重轉(zhuǎn)移到掃描人體模型上，使其具備姿態(tài)變化能力。這一過程理解起來需要有計(jì)算機(jī)動畫方面的相關(guān)知識，這里大家可以簡單理解我們有辦法讓“裸模”的模型像真人一起動起來，可以控制其的姿態(tài)（這個(gè)過程叫rigging）。然后可以通過改變“裸模”的姿態(tài)去一點(diǎn)一點(diǎn)適應(yīng)第一層服裝(裙子模型)的模型，當(dāng)然這個(gè)過程是自動完成的，是在articulated-ICP的基礎(chǔ)上添加了一個(gè)限制條件(見原論文中的公式（6）)，約束人體是在服裝模型的內(nèi)部，不會產(chǎn)生跑到服裝外面的錯(cuò)誤結(jié)果。穿上第一層裙子后，再繼續(xù)穿上一件襯衫。這里在進(jìn)行articulated-ICP時(shí)就僅需要對上半身的關(guān)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。穿上襯衫后，可以將皮膚權(quán)重根據(jù)最近點(diǎn)轉(zhuǎn)移到襯衫上，然后同樣的方法再穿上第三件外套。每層的著裝效果如圖2所示。

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? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 圖2 各層穿衣效果

圖2中顯示了很漂亮的多層服裝穿衣人體，至此本文的主要工作都基本介紹完了。再導(dǎo)入動作捕捉數(shù)據(jù)，生成動畫效果。對于動態(tài)服裝一般是有物理仿真(physically-based simulation)和即時(shí)動畫(real-time animation)2種策略。本文介紹了物理仿真經(jīng)常會出現(xiàn)“布料太軟”的失真效果，而即時(shí)動畫技術(shù)又缺少柔性材料的視覺效果。所以作者簡單將2種策略線性插值，得到最終的動畫效果。動畫的效果可以在這里看到：https://v.youku.com/v_show/id_XMzk4MzQzNTk1Mg==.html?spm=a2hzp.8244740.0.0

介紹完后，大家會發(fā)現(xiàn)本文的算法創(chuàng)新有限，能夠成功發(fā)表的主要原因是找到一個(gè)非常好的應(yīng)用創(chuàng)新點(diǎn)，最終的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也比較不錯(cuò)。對于碩士生來說，發(fā)表這樣一類SCI論文可能會是更平滑的一種選擇。研究人員要養(yǎng)成良好的研究習(xí)慣，轉(zhuǎn)載時(shí)請表面本博客出處。從論文種受到啟發(fā)或用到論文種方法數(shù)據(jù)，也需要引用該論文。

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的硕士生如何选择三维扫描研究课题？ 实例一：将多层扫描服装模型“穿”到人体模型上的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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